.
Введение
В настоящее время во многих капиталистических станах, а также в ряде развивающихся стран ведется интенсивное внедрение сотовых сетей связи (ССС) общего пользования. Такие сети предназначены для обеспечения подвижных и стационарных объектов телефонной связью и передачей данных. В ССС 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 ССС приобретают в связи с активным внедрением во все сферы человеческой деятельности персональных компьютеров, разнообразных баз данных, сетей ЭВМ. Доступ к ним через ССС 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 ССС 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.
Использование системы радиосвязи с подвижными объектами можно разделить на следующие классы:
ведомственные (или частные) системы подвижной связи (ВСПС);
сотовые системы подвижной связи (ССПС);
системы персонального радиовызова (СПРВ).
Исторически впервые в эксплуатации появились ВСПС, 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 СПРВ. Появившиеся совсем недавно ССПС 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 (ТФОП). Если ВСПС создавались (и создаются) в интересах узкого круга абонентов, то ССПС за рубежом стали использоваться в интересах широких кругов населения.
Свое название ССС 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 (БС), осуществляющая связь по радиоканалам с многими абонентскими станциями (АС), установленными на подвижных объектах, находящихся в ее рабочей зоне. Базовые станции соединены проводными телефонными линиями связи с центральной станцией (ЦС) данного региона, которая обеспечивает соединение подвижных абонентов с любыми абонентами телефонной сети общего пользования (ТФОП) 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 ЦС, в памяти ЭВМ которой сосредоточены как статические, так и динамические данные о подвижных объектах и состоянии сети в целом.
В отличие от централизованных 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 ССС определяется пропускной способностью и числом БС, равным числу рабочих зон, которое возрастает по квадратическому закону с уменьшением радиуса рабочей зоны R при постоянном радиусе зоны обслуживания R0. Если десять лет назад радиус рабочей зоны в ССС был равен 5-15 км, то в настоящее время 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 ТФОП. Следовательно, эффективность использования спектра радиочастот в ССС во много раз выше, чем в централизованных системах подвижной связи, 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 (ЭМС) абонентов в ССС и ЭМС между ССС 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 ССС.
Внедрение ССС означает появление принципиально нового вида связи - массовой радиотелесвязи, т.е. нового вида услуг. Уже сейчас абонентский терминал ССС - сотовый радиотелефон (СРТ) признается многими зарубежными экспертами первичным терминалом, которым абонент пользуется как в стационарном состоянии (дома, на службе), так и в движении. Широкое внедрение портативных СРТ 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 ССПС.
Действующие в настоящее время зарубежные ССС по сравнению с централизованными сетями имеют следующие преимущества:
- большое число абонентов;
- высокое качество передачи телефонных сообщений и данных;
- возможность связи с ЭВМ и базами данных;
- высокая эффективность использования спектра радиочастот и лучшая электромагнитная совместимость с другими радиотехническими системами.
Использование ССС широким кругом потребителей в отраслях транспорта, связи, энергетики, строительства, сферы обслуживания, ремонта и др. приносит существенный экономический эффект. По оценкам экспертов США ежегодные доходы от внедрения и эксплуатации ССС в США достигают 2 млрд. дол.
Зарубежные эксперты отмечают возможность создания ССС без значительных начальных капитальных затрат. Сначала ССС создаются с крупными рабочими зонами (радиус зон порядка 10 км) и относительно небольшим числом абонентов. По мере поступления доходов и роста числа заявок на СРТ размеры зон уменьшаются и увеличивается число абонентов. При этом постоянно наращивается объем типового оборудования базовых станций, АТС и центральной станции за счет доходов от использования ССС действующими абонентами. Поэтому первоначальные капитальные затраты могут быть значительно меньше полных затрат, приходящихся на максимальное число абонентов.
Раздел I. Общие сведения о системах радиосвязи с
подвижными объектами (ПО).
1.1. Классификация.
По назначению системы связи с ПО могут быть разделены на: - ведомственные (специализированные) радиотелефонные системы; - радиотелефонные системы общего пользования.
Созданные первыми, ведомственные системы применяются в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте и в строительстве, такси, скорой помощи, а также в различных аварийных службах. Эти системы предназначены для оперативного управления процессами производственной деятельности. Различают диспетчерские радиотелефонные системы, используемые для связи руководителя работ с абонентами ПО, а также для связи абонентов между собой и с радиосистемами передачи данных. Последние находят применение в автоматизированных системах управления производством, технологическими процессами и в таких системах, в которых от подвижного абонента (ПА) или к нему необходимо передавать с высокой скоростью большой объем информации.
Однако в силу разобщенности ведомственных сетей, неэффективного использования ими спектра частот, ограниченности количества обслуживаемых подвижных абонентов, сложности унификации аппаратуры связи и управления, а также ряда других причин применение ведомственных систем носит ограниченный характер.
Однако ведомственные системы радиосвязи с подвижными объектами несмотря на отмеченные недостатки могут просуществовать еще длительное время, что объясняется их практичностью и ориентацией на те условия и специфику работ, для которых они создавались и отрабатывались. Таким образом, становится актуальной задача преобразования и модификации этих систем в целях их объединения в единую сеть подвижной радиосвязи согласно концепции построения сети радиосвязи с подвижными объектами общего пользования.
Одним из вариантов решения такой задачи может быть способ организации единого автоматизированного управления ведомственными и другими локальными системами радиоподвижной связи, объединяемыми в сеть радиосвязи с подвижными объектами общего пользования.
Радиотелефонные системы общего пользования в настоящее время составляют основной вид связи с ПО. Они позволяют наиболее полно и эффективно использовать выделенный частотный спектр и, объединяя своих потребителей в одну группу, дают им возможность общего доступа к системе связи независимо от ведомственной принадлежности (по принципу городской телефонной сети). Указанное преимущество систем обеспечивает широкий комплекс услуг: автоматическое соединение абонентов между собой и с абонентами городской телефонной сети, а также других городов и государств с использованием междугородных и международных линий, передачу речи и данных, а в ближайшем будущем телексных и факсимильных сообщений, цветных графических изображений, информации из банков данных и т.п.
Радиотелефонные системы общего пользования делятся на два вида:
- системы с большими зонами обслуживания (БЗО - радиальные системы);
- системы с малыми зонами обслуживания (МЗО - сотовые системы связи).
Системы с большой зоной обслуживания основаны на использовании одной центральной радиостанции, обслуживающей зону большого радиуса (от 50 до 100 км). Мощность передатчика этой станции выбирается в зависимости от заданной напряженности поля на границах обслуживаемой территории и заключена в пределах от 100 до 250 Вт, а антенна располагается в наиболее высокой точке зоны обслуживания. Широкому внедрению таких систем препятствует ряд присущих им недостатков, прежде всего невозможность существенного увеличения количества обслуживаемых абонентов. Также, для систем БЗО необходимо:
- исключать влияние мощных передатчиков на приемники центральных станций, так как на центральных станциях (УКВ-диапазон) они используются совместно;
- исключать влияние мощных передатчиков центральных станций соседних зон на работу центральной станции данной зоны;
- контролировать качество связи внутри каждой зоны для подвижных абонентов, находящихся на различных удалениях от центральной станции данной зоны;
- тщательно планировать частотную обстановку в выделенном диапазоне;
- обеспечивать равнодоступность каналов связи со стороны подвижных объектов.
Тем более, увеличение числа каналов на ограниченной территории обслуживания вызывает необходимость соответствующего увеличения числа центральных станций (ЦС), работающих с достаточно большой мощностью. Это обстоятельство при наличии круговой диаграммы направленности антенны ЦС приводит к возможности возникновения взаимных помех для большинства радиостанций ПА, находящихся в зоне обслуживания. Кроме того, значительному увеличению числа каналов препятствует ограниченность выделяемого спектра радиочастот и невозможность повторного использования каналов в близлежащих районах из-за большой мощности передатчика.
Другие недостатки связаны с многолучевостью распространения радиоволн при работе в городских условиях с плотной застройкой и наличием радиозатененных зон, что может вызвать значительные искажения сигналов и даже их пропадание на дальностях, близких к предельным. Отметим также возможность возникновения интермодуляционных помех из-за достаточно плотного расположения каналов.
В связи с перечисленными причинами возникла необходимость интенсивных поисков и исследований в области разработки систем с большой эффективностью использования выделенного спектра и высокой пропускной способностью, которые были бы в состоянии обслуживать большое количество абонентов. Эти исследования начались на рубеже 60-70-х годов и привели к созданию территориальных систем с малыми зонами обслуживания, получивших название сотовых систем радиосвязи с подвижными объектами.
Сотовые системы подвижной радиосвязи имеют принципиально новую структуру, основанную на сотовом построении и распределении частот,согласно которому зона обслуживания делится на большое число ячеек ("сот"), каждая из которых обслуживается отдельной радиостанцией небольшой мощности, находящейся в центре ячейки (рис. 1). Небольшая мощность передатчиков в системах МЗО и, соответственно, небольшой радиус их действия, допускает организацию повторения частот приема-передачи через 1 - 2 зоны. Это позволяет реализовать основное достоинство сотовой системы обеспечение высококачественной радиосвязью большого количества ПА в условиях ограниченного частотного диапазона.
К достоинствам систем МЗО также относятся:
- применение сравнительно маломощных передатчиков в базовых станциях и, как следствие этого, экономия радиоспектра за счет динамического распределения частот выделенного диапазона между зонами обеспечения связи;
- возможность гибкого эволюционного развития системы МЗО (за счет, например, увеличения или уменьшения числа зон обслуживания);
К недостаткам систем МЗО относятся:
- увеличение стоимости систем в целом за счет использования большого числа стационарных базовых станций;
- необходимость применения аппаратуры непрерывного слежения за подвижными абонентами, т.к. распределение каналов связи меняется от зоны к зоне и поэтому возможны перерывы связи при пересечении подвижными абонентами границ сопряженных зон.
По принципам реализации управления СРПО подразделяются на следующие группы:
СРПО с ручным управлением, в которых реализуется ручная коммутация радиоканалов как между подвижными объектами, так и между подвижными и стационарными абонентами, ручная коррекция и визуальный контроль оператором режимов работ как абонентских радиопередающих станций (АРС), так и аппаратуры центральных (базовых) станций и т.д.;
СРПО с автоматизированным управлением, в которых только часть операций выполняются человеком, а большая часть операций по обслуживанию подвижных объектов - посредством управляющих вычислительных средств (УВС) согласно заданным алгоритмам работы;
СРПО с автоматическим управлением, в которых все основные операции установления связи и контроля за работой системы реализуются за счет организации систем автоматического управления - без участия человека-оператора.
В последнее время наибольшее распространение получили СРПО, имеющие:
- сотовую или квазисотовую структуры;
- автоматизированное или автоматическое управление;
- возможность входа в сеть общего пользования или сопряжения с другой СРПО;
- возможность передачи цифровых сигналов управления и прямого и обратного преобразования информации (в том числе и речи) в цифровую форму и обратно.
Внедрение в ССПР цифровых методов обработки информации в самом ближайшем будущем позволит получить абонентам целый ряд дополнительных услуг: доступ к международным базам данных, факсимильная связь, определение местоположения ПА с большой точностью, получение медицинских данных и т.д. Как уже отмечалось выше, ССПР характеризуются высокой эффективностью использования спектра. Наконец, они могут найти применение в качестве временного средства для полной или частичной замены в короткие сроки проводной телефонной связи в новых районах застройки и обеспечения связью абонентов, проживающих или временно находящихся в труднодоступных районах.
Интенсивное использование ССПР за рубежом началось в начале 80-х годов. К 1985 г. ССПР наиболее широко эксплуатировалась в США, Японии, Скандинавских странах. В настоящее время осуществляется их внедрение в ФРГ, Великобритании, Франции и ряде других стран.
1.2. Принципы построения сотовых систем.
Разделить обслуживаемую территорию на микрозоны можно двумя способами: статистическим, основанным на измерении статистических параметров распространения сигналов в системах связи, или детерминированным, основанным на измерении или расчете параметров распространения сигнала для конкретного района.
При статистическом способе вся обслуживаемая территория разделяется на одинаковые по форме зоны и с помощью статистических законов распространения радиоволн определяются их допустимые размеры и расстояния до других зон, в приделах которых выполняются условия допустимого взаимного влияния.
Чтобы оптимально разделить территорию на микрозоны, т. е. без перекрытия или пропусков участков, могут быть использованы только три геометрические фигуры - треугольник, квадрат и шестиугольник (рис. 2). Наиболее подходящей фигурой является шестиугольник, так как если антенну устанавливать в его центре, то круговая форма диаграммы направленности будет покрывать почти всю его площадь.
Радиостанции ПО (рис. 1), находящиеся в микрозонах, могут связаться ЦРС, находящейся в центре этой зоны (БС). Все микрозоны связаны соединительными линиями с главной радиостанчией ССПР. В качестве соединительных линий могут использоваться кабели, радиорелейные линии. Главная радиостанция (ЦС) соединяется с телефонной сетью. Таким образом, при связи абонента АТС с абонентом ПО сигнал вызова из телефонной сети попадает на ГСПС, от нее по соединительным линиям к одной из МЗЦС и затем по радиоканалу к абоненту ПО.
Передатчик МЗЦС имеет сравнительно небольшую мощность, необходимую для связи с абонентами ПО в микрозоне, поэтому уровень создаваемых им помех значительно ниже. Это дает возможность использовать те же частоты и в других ячейках. Расстояние до этих ячеек, в которых могут быть использованы одни и теже рабочие частоты, зависят от условий распространения радиоволн, допустимого уровня помех и числа радиостанций, расположенных вокруг данной ячейки. Считается допустимым, чтобы в сотовой шестиугольной структуре частоты повторялись через две ячейки (рис. 3). Это означает, что, используя 7 рабочих каналов, можно перекрыть всю зону обслуживания. Если интенсивность нагрузки по всей зоне одинакова, то и размеры всех ячеек выбирают одинаковыми. Обычно распределение абонентов ПО по всей обслуживаемой территории неравномерно (уменьшается от центра к периферии), поэтому целесообразно так изменять ячейки, чтобы их размеры увеличивались к периферии. Это позволяет уменьшить стоимость ССПР в целом за счет уменьшения необходимого числа БС. Однако в этом случае мощности передатчиков центральных и подвижных радиостанций будут зависеть от размеров ячеек, поэтому целесообразно использовать автоматически регулируемую по сигналу корреспондента мощность передатчика. Кроме того, для территорий с зонами разного размера надо более тщательно определять те из них, в которых можно повторно использовать рабочие каналы.
При статическом способе в большинстве случаев получаемый интервал между зонами, в которых используются одинаковые рабочие каналы, получается больше необходимого с точки зрения поддержания взаимных помех на допустимом уровне.
Более оптимален детерминированный способ разделения на зоны. При нем тщательно измеряют или расчитывают параметры системы для определения минимального числа центральных станций, обеспечивающих удовлетворительное обслуживание абонентов по всей территории, учитывается рельеф местности для определения оптимального места расположения ЦРС, имеется возможность использовать направленные антенны, пассивные ретрансляторы и смежные центральные станции в момент пиковой ногрузки и т.д. Однако этот способ сложен и требует в ряде случаев моделирования с использованием ЭВМ.
В сотовых системах необходимо определить, какую ЦРС подключить для связи с абонентом ПО, т. е. определить местоположение абонента ПО на территории обслуживания. При этом не требуется высокая точность определения местоположения подвижного объекта. Достаточно определить только микрозону в которой он находится. При входящей связи, т. е. от ЦС к абоненту ПО, сигнал вызова может передаваться либо по специальным вызывным, либо по свободным каналам, на которые радиостанции ПО настраиваются автоматически. Местоположение определяется по уровню сигнала, поступающего от радиостанции ПО на ближайшую БС. которая и включается для ведения переговоров с абонентами ПО. При переезде в зону действия другой БС радиостанция ПО автоматически переходит на канал новой БС. При этом постоянно должен обеспечиваться контроль за радиостанцией ПО, для чего в процессе ведения разговора с абонентом ПО на БС и далее в ЦС совместно с речью передаются контрольные сигналы.
Существуют различные методы определения координат: наиболее распространенный из них трехсторонний дальномерный метод для оценки дальности импульсными или фазометрическими системами, а также триангуляционный метод для измерения азимута ПО по отношению к базовым станциям, принимаюшим сигнал его абонента. Есть также предложения по использованию метода электронного оповещения, при котором на границах зон устанавливаются электронные посты оповещения, предназначенные для передачи абоненту ПО информации о пересекаемой области. Эта информация запоминается радиостанцие ПО и может быть затем передана на ЦРС, принимающие заявку на обслуживание абонентов ПО. Однако такая система требует дополнительной аппаратуры, устанавливаемой на всей территории обслуживания. Следует отметить, что методы определения координат радиостанции ПО и алгоритмов выделения ЦРС еще требуют дополнительных исследований. После выделения одной из нескольких ЦРС для связи с абонентом ПО необходимо выделить рабочий канал.
В простейших сотовых системах с относительно равномерной средней нагрузкой используется фиксированное распределение каналов, при котором за каждой зоной закрепляется один канал, а радиостанция ПО может переключаться на каналы всех зон автоматически по мере перехода из одной зоны в другую. В более сложных системах за каждой зоной может быть закреплена группа каналов (стволов); радиостанция ПО при работе в данной зоне автоматически выбирает канал, свободный в данный момент от связи. При переходе в другую зону она автоматически переключается на другую группу каналов и на поиск свободного канала в новой зоне.
При фиксированном распределении каналов во время пиковой нагрузки, которая чаще всего возникает в центре обслуживаемой территории, центральные ячейки могут быть перегружены, а периферийные иметь свободные каналы, что приводит к неэффективному использованию спектра. В этом случае лучше применять динамическое распределение каналов, при котором любой канал может быть использован в любой микрозоне обслуживания.
В системе связи с динамическим распределением каналов обрабатывается большой объем информации. Для этого используется быстродействующая ЭВМ, в которой запоминается информация о состоянии каждого канала в каждой зоне обслуживания и изменение ее при изменении состояния системы. Абонент подвижного объекта, осуществляющий вызов, должен иметь свой адресный признак для определения состояния и для автоматизации расчета оплаты обслуживания. Центральную радиостанцию необходимо переключать с канала на канал по мере распределения каналов в пределах зоны обслуживания. При динамическом распределении увеличивается загруженность каналов и снижается интенсивность отказов по сравнению с системами, в которых используется фиксированное распределение каналов. Но управление системой усложняется. Каждая ЦРС должна работать на всех частотах системы. Радиостанция ПО может работать либо на одном, либо на группе равнодоступных каналов. Таким образом одноканальная радиостанция ПО может обеспечить связь на всей территории обслуживания (конечно, если канал не занят другой радиостанцией). При фиксированном распределении каналов радиостанция ПО должна работать на всех каналах системы, а каждая ЦРС должна иметь 1/7 от общего числа каналов.
Одной из основных функций БС является обеспечение сопровождения между проводной частью ССПР и АС. В состав БС входят приемники, передатчики и блоки управления для связи с ЦС. С центральной станцией БС соединены группой разговорных каналов и несколькими каналами передачи данных. Передатчики БС и АС имеют небольшую мощность, необходимую для обеспечения связи в пределах ячейки, что дает возможность использовать одни и те же частоты в различных ячейках, разнесенных друг от друга на определенное защитное расстояние D (рис. 3). Повторное применение одних и тех же частот позволяет наиболее экономно использовать выделенный ресурс и обеспечивает высокую пропускную способность системы.
В процессе движения ПО пересекают границы ячеек. При этом АС, установленные на ПО, по командам ЦС передаются от одной БС к другой, переключаясь на свободный частотный канал соседней ячейки. Автоматический поиск свободных каналов и установление соединения осуществляется без нарушения связи по командам ЭВМ, управляющей коммутационным оборудованием. Процедура автоматического перевода АС от одной БС к другой в процесс движения ПО получила название "эстафетной передачи". При перемещении ПО из одной ячейки в другую ЭВМ фиксирует полученные по радиоканалу управления данные о качестве сигнала, местоположения объекта и некоторые другие, с использованием специальной программы определяет соответствующий заданным требованиям свободный канал в той ячейке, куда переместился абонент. После этого ЦС посылает сигнал для автоматического переключения АС на этот канал. Помимо данной процедуры ЦС выполняет следующие функции:
- управление и контроль за работой БС и АС;
- установление соединений между абонентами и разъединение их по окончании разговора;
- слежение за качеством передачи;
- поиск ПО на территории обслуживания;
- тарификация и диагностика состояния системы.
По структуре ССПР могут быть построены по радиальному или радиально-узловому принципу или иметь распределенное управление. По радиальному принципу строятся ССПР с небольшим количеством БС, такие, например, как TACS (Великобритания) и AMPS (США). БС соединяются непосредственно с ЦС, которые, в свою очередь, подсоединены к телефонной сети общего пользования.
Радиально-узловой принцип применяется в случае, если ССПР обслуживает большую территорию со значительным количеством абонентов. Такими системами являются NTT (Япония) и MATS-E (Франция). При этом БС соединяются со станциями управления, которые проводными линиями связи подключены к ЦС. Станции управления устанавливают соединение, осуществляют контроль качества принимаемой информации, производят эстафетное переключение. Кроме того, они передают сведения о произведенных операциях на ЦС. Последняя фиксирует полученную информацию и, в случае необходимости, перекоммутирует АС в зону действия другой ЦС.
При распределенном управлении ЦС отсутствует, а функции управления осуществляют БС и АС.
Существенным является вопрос о частном планировании в ССПР. В соответствии с принятыми принципами каждой БС выделяется определенный набор частотных каналов, который может повторяться. Как уже упоминалось, БС, на которых допускается повторное использование выделенного набора частот, разделяются между собой защитным интервалом D (см. рис. 3). Именно возможность повторного использования одних и тех же частот определяет высокую эффективность применения частотного спектра в ССПР. Смежные БС, использующие различные наборы частотных каналов, образуют группу из С станций. Если каждой БС выделяется набор из каналов с шириной полосы Fк, то общая ширина полосы, занимаемая ССПР, будет Fc = Fк m C, где m - число каналов. Таким образом, величина С определяет минимально возможное число каналов в системе, поэтому ее часто называют "частотным параметром" системы (в некоторых источниках - "коэффициентом повторения частот").
Число активных абонентов во всей зоне обслуживания определяется соотношением:
Ъ R0 ї2
N = Lюm 1,21юі ДД іюm, (1)
А R Щ
Ъ R0 ї2 где L 1,21юі ДД і - число БС,
А R Щ
R0 - радиус зоны обслуживания,
R - радиус ячейки.
Тогда эффективность использования спектра частот определяется выражением:
(2)
из которого следует, что величина эффективности не зависит от числа каналов в наборе и увеличивается по мере уменьшения радиуса ячейки. Таким образом, использование меньших радиусов ячеек дает возможность увеличить повторяемость частот. Кроме того, из (2) видно, что целесообразно выбирать малые значения С.
Кроме того, шестиугольная форма наилучшим образом вписывается в круговую диаграмму направленности БС, установленной в центре ячейки.
Остановимся более подробно на вопросе о выборе размеров ячеек (радиусе R). Эти размеры определяют защитный интервал D (см. рис. 3) между ячейками, в которых одни и те же частоты могут быть использованы повторно. Заметим,что величина интервала зависит также от допустимого уровня помех и условий распространения радиоволн. В предположении, что интенсивность нагрузки в пределах всей зоны одинакова, ячейки выбираются одинаковых размеров. Из соотношения (1) следует, что при заданном размере зоны обслуживания (радиус R0) радиус ячейки R определяет также число абонентов N, способных одновременно вести переговоры на всей территории обслуживания. Из этого соотношения также видно, что уменьшение радиуса ячейки позволяет не только повысить частотную эффективность и увеличить пропускную способность системы, но и уменьшить мощность передатчиков и чувствительность приемников БС и АС. Это улучшает условия электромагнитной совместимости ССПР с другими радиоэлектронными средствами и системами и снижает ее стоимость.
С другой стороны, чрезмерное уменьшение радиуса ячеек приводит к значительному увеличению числа пересечений ПА границ ячеек, что может вызвать перегрузку устройств управления и коммутации системы. Кроме того, возможно увеличение числа случаев возникновения взаимных помех. И, наконец, при малых значениях R в реальных условиях даже незначительное отклонение положения антенны относительно геометрического центра ячейки может вызвать ощутимое уменьшение отношения сигнал/помеха в системе. В связи с этим в реальных условиях при выборе величины R приходится принимать компромиссное решение. Типовые значения радиусов выбираются на основе расчетов и опыта эксплуатации и составляют величину 0,5 - 2,5 км (в Лондоне и Стокгольме). В перспективе в особенности для районов с плотным трафиком эта величина, как полагают, будет уменьшаться.
Оценим, для примера, возможное количество активных абонентов ССПР для современного города, характеризуемого величиной радиуса зоны обслуживания R0 = 30 км при радиусе ячейки R = 1 км. Пусть число одновременно обслуживаемых одной БС активных абонентов равно 16. Подсчеты по приведенной формуле дают величину N, равную 17 тыс. Если принять разумную для практики величину активности сети (отношение числа абонентов, ведущих в каждый данный момент времени переговоры, к общему количеству абонентов в сети) равной 0,1, то общая ее емкость составит 170 тыс. абонентов. В соответствии с исследованиями зарубежных специалистов, в городах с населением, превышающим 2 млн. чел., потребность в радиотелефонных средствах оценивается на уровне 2% от населения (в городах с меньшим населением она составляет 1 - 1,5 %). Таким образом, емкость рассмотренной сети может удовлетворить потребность города с населением порядка 8-9 млн. чел.
В реальных условиях распределение ПА в пределах обслуживаемой территории может быть неравномерным. Как правило, оно уменьшается от центра к периферии. При этом наиболее рационально выбирать величину R таким образом, чтобы ее размеры увеличивались от центра к периферии. Следует учитывать, что требуемая мощность передатчиков БС и ПА не остается неизменной, а определяется размерами ячеек. В этом случае рационально применять автоматически регулируемую в зависимости от интенсивности сигнала корреспондента мощность передатчика.
Исключительно важным вопросом, определяющим в значительной степени основные характеристики ССПР, является распределение частотных каналов между БС. Оно позволяет обеспечить низкий уровень межканальных помех, оказывающих значительное влияние на помехоустойчивость системы. Существуют три способа распределения частотных каналов: фиксированное, динамическое и гибридное.
При фиксированном распределении каждой БС выделяется определенный набор каналов. АС подвижных абонентов при нахождении их в определенной ячейке с помощью ЦС назначается свободный в данный момент времени канал из набора. При перемещении АС в другую ячейку с помощью процедуры эстафетной передачи осуществляется переключение данной АС на соответствующий свободный канал этой ячейки. Недостатком способа является неэффективное использование частотного спектра, поскольку в реальных условиях центральные ячейки города могут быть перегружены, а периферийные иметь свободные каналы.
При динамическом способе любой из частотных каналов может быть использован любой БС. При этом тем БС, на которых все каналы заняты, предоставляются на время сеанса связи каналы из других ячеек. Это осуществляется с помощью ЭВМ, в памяти которой хранится информация о состоянии каждого канала в зоне обслуживания и всех его изменениях в процессе работы системы, а также о местонахождении ПА. Таким образом, динамическое распределение каналов позволяет увеличить загруженность каналов и тем самым повысить эффективность их использования и снизить вероятность блокировки вызова в случае, когда все каналы данной ячейки заняты. Однако нагрузки на устройства управления системой связи в этом случае возрастают.
При гибридном способе распределения каждой БС выделяется фиксированный набор каналов, а также определенное их число для распределения динамическим способом. Гибридный способ при больших нагрузках позволяет предъявлять менее жесткие требования к управляющим устройствам по сравнению с динамическим, а в области малых значений нагрузки имеет преимущество перед фиксированным, состоящее в более низкой вероятности блокировки вызова. Следует отметить, что наиболее существенное достоинство динамического и гибридного распределений заключается в том, что они обеспечивают выравнивание нагрузки на канал. При фиксированном распределении это осуществляется путем увеличения числа каналов, предоставляемых БС в местах с плотным трафиком, а также уменьшением радиуса ячеек.
Необходимость многофункционального управления в ССПР имеет первостепенное значение для реализации возможности наиболее эффективного использования выделенной полосы радиочастот. Многократное использование частот затрудняется из-за сильного изменения уровня сигнала по мере движения АС в пределах зоны обслуживания, обусловленного многолучевым распространением сигнала, а также экранирующим и поглощающим воздействием местных объектов. Управление необходимо осуществлять таким образом, чтобы в сильно меняющихся условиях прохождения радиосигналов непрерывно осуществлялась надежная связь. Как отмечалось выше, с этой целью ЦС осуществляет функции управления эстафетной передачей АС по мере пересечения ПА границ ячеек и снижения качества сигнала ниже установленного заранее порогового уровня. Для оценки качества сигнала по разговорному каналу постоянно передается пилот-сигнал и измеряется соотношение сигнал/шум по мощности или сигнал/помеха с помощью специальных измерительных приемников. При уменьшении величины до значений ниже порогового уровня, что может обусловливаться выходом АС из зоны действия БС, замираниями сигнала, а также рядом других причин, ЦС выбирает зону с максимальной величиной и переключает АС на новый канал (осуществляет эстафетную передачу).
Для реализации процедуры управления и обмена служебной информацией между БС и АС на группу разговорных каналов выделяется специальный канал управления. В свободном режиме АС постоянно настроена на частоту этого канала. Обмен соответствующей информацией в звене БС-ЦС производится по специальному проводному каналу, также выделенному на группу разговорных каналов.
Характерной особенностью процесса коммутации, осуществляемой в ССПР, является то, что абонент находится в движении и может оказаться в зоне обслуживания любой БС. В связи с этим для установления соединения с находящейся в движении АС необходимо иметь информацию о местонахождении абонента. При этом согласно рекомендациям МККТТ на 1985-1988 гг. координаты АС должны определяться с точностью до зоны или группы зон. Эта процедура должна осуществляться таким образом, чтобы обеспечивалось своевременное обновление данных о местоположении АС и был максимально облегчен поиск АС при изменении зоны обслуживания. Результаты регистрации местоположения АС хранятся в специальном регистре для записи местоположения.
При анализе и расчете зон действия БС и решении ряда других задач существенную роль играет учет особенностей распространения радиоволн УКВ- и СВЧ-диапазонов в городских и пригородных условиях. К ним относятся, прежде всего, многолучевое распространение, вызываемое случайными и многократными отражениями от зданий и других объектов городской застройки, а также рассеиванием радиоволн этими объектами. В результате суммирования различных лучей на приемной стороне радиолинии возникают случайные амплитудные и фазовые флуктуации, вызывающие явления замирания сигнала. Распределение огибающей такого сигнала подчиняется закону Рэлея, а величина замираний относительно среднего уровня составляет > 40 Дб.
Одним из основных путей борьбы с замиранием является использование методов разнесенного приема. Эти методы предполагают наличие нескольких разделенных трактов передачи с независимыми замираниями, по которым передается одно и то же сообщение. Средние уровни сигналов, передаваемых по каждому тракту, должны быть также примерно одинаковы. При соответствующем комбинировании сигналов, поступающих из трактов передачи, формируется результирующий сигнал, имеющий гораздо меньшую глубину замирания и обеспечивающий соответственно большую надежность передачи.
В последнее время в этих же целях начинает применяться медленная псевдошумовая перестройка рабочей частоты. Кроме того, эффективным средством борьбы с замираниями является внедрение широкополосных цифровых систем подвижной связи с шумоподобными сигналами, ожидаемое в самое ближайшее время.
1.3. Конструктивное построение сотовых систем связи.
Оборудование для ССПР может быть разделено на несколько основных групп:
1) оборудование ЦС, обеспечивающих управление работой системы и контроль ее состояния, распределение каналов и коммутацию вызовов между БС, сопряжение ССПР со стационарной телефонной сетью;
2) оборудование БС, передающее и принимающее сигналы АС;
3) оборудование АС как перевозное, так и переносное;
4) комплект линейного оборудования для подключения БС к ЦС.
Как правило, основу оборудования ЦС составляют серийные электронные АТС, имеющие дополнительное программное обеспечение, позволяющее осуществлять процедуру переключения частотных каналов при перемещении ПА из одной ячейки в другую, контролировать техническое состояние системы, выявлять отказы и производить диагностику предполагаемых неисправностей, а также реализовывать административное управление работой системы. Так, например, в системе NMT в качестве ЦС используется электронная автоматическая телефонная станция типа DX 200МТХ с емкостью 100 тыс. номеров и максимальным числом радиоканалов 3500. Станция имеет три выхода: на телефонную сеть общего пользования, БС и к системе технической эксплуатации станции. В развертываемой в Бельгии ССПР в качестве ЦС предполагается использовать цифровую автоматическую телефонную станцию System 12. Первоначально ЦС будет работать с 45 БС и обслуживать 5 тыс. абонентов, в дальнейшем планируется увеличение емкости до 50 тыс. абонентов, а числа БС до 245. Эту же станцию предполагается применять при создании цифровой ССПР CD-900.
Собственно электронная система коммутации ЦС содержит процессоры, запоминающие устройства, коммутационные цепи, межстанционные соединительные линии и различные служебные цепи, организованные как единая система управления.
На БС размещаются радиопередатчик и радиоприемник, контроллер, аппаратура передачи данных и контроля каналов, а также множество канальных плат и антенная система. С помощью этой аппаратуры, помимо передачи и приема, осуществляются под управлением ЦС поиск ПА и определение их местоположения, установление соединения, распределение каналов, а также передача данных и выполнение диагностических процедур на оборудовании БС. Управление данными операциями выполняется схемной логикой и программируется контроллерами. Комплекты канальных плат передатчиков и приемников обеспечивают возможность расширения системы путем приращений, что позволяет увеличивать число каналов, приходящихся на каждую ячейку. Число абонентов в расчете на канал является гибким параметром сети, зависящим от качества обслуживания. Типовая величина составляет 20-25 ячеек на канал. С центральной станцией БС соединяется группой разговорных каналов и несколькими каналами передачи данных. Приемопередатчики подключаются к общим антеннам с помощью развязывающе-согласующего устройства из расчета не более 12-16 на одну антенну. Антенны могут быть не направленными либо иметь секторную направленность, перекрывая, например, секторы по 60 град. или 120 град. каждый. Кроме уменьшения взаимных помех, такое построение антенной системы обеспечивает расширение объема сети по мере роста числа абонентов без затрат на строительство новых БС.
Приемопередающие устройства современных ССПР представляют собой узкополосную аппаратуру с частотной модуляцией, в которой используются канальные несущие, разнесенные с интервалом 25-30 кГц. Прорабатывается возможность использования в этих системах методов передачи с одной боковой полосой частот. В перспективных системах планируется применение широкополосных сигналов, что позволит повысить помехоустойчивость и увеличить число абонентов.
Так же, как и в случае с ЦС, на БС в качестве их элементов и узлов с успехом применяются серийно выпускаемые промышленностью микропроцессоры, ЭВМ, другая радиоэлектронная аппаратура и ее элементы.
Абонентские телефонные аппараты в ССПР могут быть двух типов: перевозные и переносные. Перевозные аппараты менее сложны в изготовлении как в отношении требований к габаритам и массе их элементов, так и с точки зрения источников питания, поскольку они, как правило, подсоединяются к имеющемуся на любом ПО источнику тока. С другой стороны, переносные аппараты предоставляют большую свободу перемещения, позволяя абоненту покинуть ПО. Кроме того, компоненты, отвечающие требованиям, предъявляемым к переносным аппаратам, с успехом могут пользоваться и в перевозной аппаратуре, реализуя ряд дополнительных операций (автоматический набор нескольких номеров, фиксация вызова и пр.). Ожидается, что в ближайшем будущем они станут наиболее распространенным типом радиотелефона.
Так, фирма Ericsson (Швеция) разработала и выпускает новое поколение радиотелефонных аппаратов, состоящее из трех вариантов аппаратуры. Два из них, предназначенные для комбинированного применения, могут устанавливаться на автомобиле или использоваться в качестве переносного аппарата для систем типов NMT 450 и NMT 900, а третьим является карманный радиотелефон для системы NMT 900. Для использования первых двух аппаратов в переносном варианте предусмотрены три различных по емкости сменных аккумулятора, обеспечивающих непрерывную работу от 4 до 12 ч. Масса радиотелефонов, в зависимости от выбора аккумулятора, составляет от 600 до 800 г. Карманный вариант состоит из приемопередатчика, гибкой штыревой антенны и съемного аккумулятора, емкость которого по желанию пользователя выбирается в пределах от 0,75 до 0,25 А ч со сроком непрерывной работы до подзарядки 60, 40 или 20 мин. Выходная мощность передатчика может варьироваться от 0,1 до 1 Вт.
Структурная схема обоих аппаратов одинакова и включает три основных части: приемопередатчик, блок управления и логический блок.
Приемопередатчик обычно монтируется в багажнике автомобиля и представляет собой ЧМ-радиостанцию. Основные ее элементы являются традиционными для подобных устройств. Отметим только требования высокой стабильности, которым должны удовлетворять применяемые в ней генераторы, что связано с малым разносом между каналами сети. Для выполнения этого требования в передатчике обычно используется высокостабильный частотный синтезатор, формирующий по командам логического блока сетку с числом частотных каналов от единиц до нескольких сотен (наиболее часто 666 частотных каналов). Мощность перевозных передатчиков составляет единицы ватт, переносных - доли ватта.
Блок управления обеспечивает первичный контакт абонента с БС и устанавливается в салоне автомобиля.
Логический блок является средством осуществления управления. Основную его часть составляют серийно выпускаемые промышленностью микропроцессоры, которые обрабатывают сообщения, поступающие от блока управления или демодулятора.
При создании абонентских аппаратов широкое применение находят арсенид-галлиевые ИС, подстроечные керамические резонаторы, способные работать в диапазоне частот, и другие элементы современной полупроводниковой техники. Они позволяют осуществить интеграцию радиоголовки аппарата (генераторы, делители частоты, модуляторы, усилители мощности) и других узлов, что является важным фактором уменьшения стоимости и размеров абонентской аппаратуры.
1.4. Принципы построения автоматизированных систем
управления радиосвязью с подвижными объектами
В качестве наиболее характерных примеров организации СРПО и их сетей, на основе анализа которых выявляются основные требования к структуре и архитектуре АСУ радиоподвижной связью, рассмотрим основные принципы построения зарубежных автоматизированных систем радиоподвижной связи.
В зарубежных системах связи, в том числе в СРПО, не принято выделять автоматизированные или автоматические системы управления (АСУ или САУ) и рассматривать их отдельно от структуры СРПО, тем на менее, можно сделать вывод не только о наличии в составе СРПО АСУ или САУ, но и о иерархической структуре построения этих систем управления (см. также Прил. А).
Автоматизация решения основных задач управления и контроля процессом и средствами связи распределяется между всеми основными уровнями управления и контроля СРПО, к которым можно отнести:
- объектовый уровень управления (абонентские радиостанции (АРС), станции коммутации каналов связи и т.п.);
- уровень промежуточного сбора, хранения и обработки поступающей информации от объектового уровня (информация о техническом состоянии средств связи), осуществляющий также управление объектовым уровнем посредством соответствующего распределения поступающих от системного уровня управляющих директив между объектами управления. К этому уровню относятся задачи управления и контроля, решаемые обычно управляющими вычислительными средствами базовых станций СРПО;
- системный уровень управления (реализуемый на базе вычислительных средств центральных станций), в число основных задач которого обычно входит общесистемный анализ состояния всех технических средств связи системы, качества и интенсивности прошедших сеансов связи между абонентами, учет и прогнозирование износа технических средств связи, планирование и распределение ресурсов связи, составление (в реальном масштабе времени) оптимальных маршрутов связи и т.п.
Современные подвижные АРС, размещаемые в автомобилях и других подвижных объектах, кроме радиооборудования имеют в своем составе УВС, что позволяет размещать в конструкции пульта управления АРС дисплеи, унифицируемую клавиатуру управления, малогабаритные принтеры и т.п. УВС АРС осуществляют контроль и управление всеми режимами работы радиооборудования, выбор свободного канала приема-передачи абонентской информации, настройку частоты по командам ЦС или БС. Кроме того, встроенные УВС АРС позволяют реализовать такие процедуры, как:
- автоматический поиск и установление связи по любому свободному каналу абонентской телефонной сети;
- осуществление реперного набора посредством нажатия одной одной кнопки для вызова абонемента, если его номер запрограммирован заранее;
- инициация автоматического повторения занятого номера;
- отображение на экране дисплея времени суток, продолжительности сеанса связи, набираемого номера, последнего набранного номера, номер абонемента, повторно передаваемого в автоматическом режиме из запоминающего устройства УВС,номера абонемента, участвующего в соединении, справочной информации, запрошенной абонементом из вычислительного центра СРПО (например, расписание авиарейсов) и т.п.
Перечисленные примеры процедур управления и контроля, предоставляемого сервиса реализованы в ряде зарубежных моделей бортовых АРС, в том числе в автономной радиотелефонной системе GL 2000, сопряженных с телефонной сетью США и Канады. Особый интерес представляет программа ИНТАКС (США), в основу которой положена концепция квазисотовой структуры высокомобильной связи. Специфика построения таких систем связи заключается в том, что наряду с сотовыми и сеточными структурами построения СРПО проектируются и линейные структуры радиального типа,в которых БС устанавливается вдоль возможных трасс движения подвижных объектов. Однако и в последнем случае управление квазисотовых СРПО практически не отличается от управления СРПО с сотовой структурой.
При этом системы связи, разрабатываемые по программе ИНТАКС, должны удовлетворять следующим требованиям:
- вся разрабатываемая подвижная радиосеть полностью цифровая;
- станции автоматической коммутации имеют все эшелоны связи, включая самые низшие;
- протяженные линии подвижной сети используют спутниковые средства связи;
- разрабатываемые системы связи позволяют обслуживать подвижных абонентов, а также пригодны к взаимодействию с другими системами связи, в том числе, с системами связи зарубежных стран;
- все вновь разрабатываемые системы связи различного назначения имеют хорошо развитые органы планирования, управления и контроля всех технических средств и комплексов связи этих систем, развитые проводные и радиолинии для передачи-приема данных от всех автоматических средств и комплексов связи и обратно, средства документирования и отображения информации в том числе и в составе бортовых АРС;
- вся разрабатываемая аппаратура связи имеет встроенные управляющие компьютеры или предусматривает их подключение;
- количество обслуживающего, специально обученного персонала для разрабатываемых систем подвижной сети минимальное;
- все управляемые компьютеры различной мощности и назначения унифицированы по отношению друг к другу, имеют возможность сопряжения (аппаратурно и программно) не только друг с другом, но и с другими вычислительными комплексами других систем связи.
Высокая степень оснащения управляющими вычислительными средствами современных и перспективных зарубежных СРПО позволяет разработчикам этих систем решать и некоторые дополнительные задачи (кроме основных задач обеспечения связи), чем обеспечивается обеспечение надежности, достоверности и оперативности работы СРПО. К этим задачам относятся:
- прогнозирование и планирование распределения ресурсов связи (в реальном масштабе времени) в интересах обеспечения подвижных и стационарных абонентов надежной и достоверной связью как в нормальных, так и в аварийных условиях работы СРПО;
- прогнозирование и планирование перестройки конфигурации отдельных систем связи и сети связи в целом;
- реализация управления перестройки конфигурации систем и сетей связи, а также синхронизация управления режимами работы средств связи посредством выделенного канала управления на уровне только УВС;
- осуществление пакетной передачи дополнительной заказанной абонентами информации по межмашинным каналам связи (каналам управления);
- реализация принципа эволюционного развития систем и сетей связи с подвижными объектами без приостанова работы действующих систем и сетей связи;
- организация заданных дисциплин обслуживания своих абонентов и управления дисциплиной их обслуживания в зависимости от изменений условий предоставления связи;
- обеспечение необходимого сервиса обслуживания своих абонентов.
Кроме перечисленных, посредством УВС могут решаться следующие задачи:
- оперативный контроль качества установленных соединений между абонентами;
- регистрация сеансов связи;
- определение и регистрирование зон, в которых находятся подвижные абоненты, между которыми должна или может быть установлена связь;
- маркирование свободных запрашиваемых или приоритетных каналов связи;
- обеспечение управления перекоммутацией каналов связи при пересечении подвижными абонентами границ зон связи во время сеансов связи;
- контроль и оценка трафика связной аппаратуры, выделенных каналов управления и каналов связи;
- организация и передача управляющих и контроль директив и сообщений и т.д.
Очевидно, что все эти задачи , решаемые УВС систем и сетей связи, могут быть дифференцированы по уровням управления и по своей проблемной ориентации примерно следующим образом:
1. Прогнозирование и планирование работы сети связи в целом, ее систем и технических средств, осуществляемые в целях координации работы распределенных стационарных и подвижных объектов, фрагментов и систем сети связи.
2. Адаптивное управление системами связи и расчет маршрутов связи.
3. Контроль текущего состояния соединений и технических средств связи, диагностика планируемых и работающих направлений, систем, их фрагментов и комплексов технических и управляющих средств связи.
4. Реализация управления техническими средствами связи и их контроля (с возможной диагностикой их состояния).
Исходя из такого распределения задач, решаемых УВС СРПО, а также с методологической и технической точек зрения, представляется возможным все УВС СРПО, если не территориально, то функционально объединить в автоматизированные или автоматические системы управления (АСУ или САУ) техническими средствами связи. При этом все УВС должны должны отвечать требованиям однородности по своей программно - аппаратурной реализации и быть организованы в систему управления как коллектив вычислителей.
Из отечественных источников известно, что задачи прогнозирования и планирования решаются в АСУ производством (АСУП), которые подготавливают техническую документацию и производственные задания (планы,директивы) с указанием объемов и сроков их выполнения, а остальные три класса задач решаются, как правило, АСУ технологическими процессами (АСУ ТП). Известно,что возникающие при такой интеграции задачи являются комплексными. Поэтому такие интегрированные АСУ целесообразно называть комплексными АСУ (КАСУ).
Таким образом, применительно к задачам управления связью КАСУ связью (КАСУС) должна состоять из:
- общесетевой АСУС (ОС АСУС), которая решает общесетевые задачи прогнозирования и планирования работы связи, а также (при необходимости) планирует совместную работу с другими сетями связи;
- нескольких системных АСУС, предназначенных для планирования и организации работ своих систем связи сообразно с общественным планом работы, поступающим от ОС АСУС, с которой системные АСУС непосредственно связаны;
- нескольких АСУ средствами связи (АСУСС), осуществляющих целевые планы работ,получаемые в директивном порядке от собственных систем АСУС и предназначенных для реализации функций управления техническими средствами связи, а также для оперативного контроля этих технических средств связи. АСУСС, таким образом, составляет объектовый уровень управления.
Предлагаемая структура комплексной АСУС (КАСУС) позволяет объединить под единым управлением различные по специализации системы радиосвязи с подвижными объектами в единую сеть радиосвязи общего пользования. Однако, реализация КАСУС в свою очередь потребует решения таких задач:
- объединение в единую систему связи различных технических средств связи с различными возможностями сопряжения с современными УВС;
- обеспечение эволюционной замены как УВС,так и управляемых средств связи;
- разработка гибкой программно-аппаратурной среды на базе унифицированного единого ряда УВС в целях организации управления вычислительным процессом КАСУС (с точки зрения координации и синхронизации работы управляющих вычислительных устройств средств связи и КАСУС в целом);
- реализация сопряженных средств КАСУС с устройствами управления технических средств связи и между собой.
1.5. Выводы.
Одним из важнейших достоинств ССПР является высокая эффективность использования выделенного частотного спектра, достигаемая путем повторного применения одних и тех же частот в различных ячейках системы. Ограничивающим фактором при этом являются внутрисистемные помехи, включающие взаимные помехи ячеек с повторяющимися частотами, а также межканальные помехи. Данное обстоятельство служит одним из определяющих при выборе величины защитного интервала D, а также при распределении частотных каналов в системе. Для ослабления названных помех применяется ряд специальных мер, одна из которых состоит в применении разнесенного приема, позволяющего в значительной степени снизить уровень межканальных помех. В таких системах удается не только повысить отношение мощности сигнала к мощности помехи, но и получить некоторое подавление помехи в процессе демодуляции путем соответствующего увеличения индекса модуляции. Снижение взаимных помех достигается также соответствующей пространственной ориентацией антенн смежных каналов.
Раздел II. Алгоритмы работы ССС и протоколы управления.
2.1. Структура системы управления в ССС.
Одной из основных задач при построении ССС является разработка системы управления. При планировании ССС определяется территория обслуживания, разделяемая на ячейки шестиугольной формы, радиус описанной окружности которых может быть различным - от 20-30 км в районах с малой плотностью трафика (в основном сельскохозяйственных) до 0,5-2 км в районах с высокой плотностью трафика (в густонаселенных городских районах). Пользователи ССС, находясь в любой точке территории обслуживания, могут с помощью абонентских станций связываться с другими абонентами ССС и телефонной сети общего пользования.
Абонентская станция может быть выполнена в портативном либо мобильном варианте. Функционально АС состоит из блока управления, модема, приемопередатчика и антенны. Блок управления сопрягается с приемопередатчиком, микротелефонной трубкой и пультом управления, содержащим дисплей. В блок приемопередатчика входят устройство передачи и приема сигналов на радиочастоте. Модем осуществляет преобразование поступающих сигналов со стороны абонента или со стороны сети в соответствующую форму, необходимую для дальнейшей обработки. Базовые станции обеспечивают сопряжение между проводной частью ССС и абонентскими станциями. В состав БС действующих систем входят приемники, передатчики, блоки управления для связи с ЦС. С центральной станцией БС соединены группой разговорных каналов и несколькими каналами передачи данных. При обслуживании абонентов ССС центральная станция выполняет такие основные функции, как:
- установление соединений между абонентами;
- разъединение по окончании разговора;
- слежение за качеством передачи речи;
- переключение АС на новый канал при перемещении АС во время сеанса связи из зоны обслуживания одной БС в зону обслуживания другой БС с целью обеспечения непрерывности соединений;
- поиск подвижного абонента на территории обслуживания;
- тарификация, диагностика состояния системы.
Следует отметить, что отличие ЦС от электронных АТС стационарных телефонных сетей общего пользования в основном сводится к особенностям программного обеспечения. Постоянно взаимодействуя, АС, БС и ЦС выполняют команды, поступающие со стороны управляющей части сети. Структурно ССС могут быть построены по радиальному или радиально-узловому принципу (в этом случае используется централизованное управление), а также могут иметь распределенное управление. По радиальному принципу могут быть построены ССС с небольшим числом БС. Примерами таких ССС являются АМPS (США), ТАСS (Великобритания). В таких системах каждая БС непосредственно соединяется с ЦС, которая имеет выход на телефонную сеть общего пользования.
По радиально-узловому принципу построены ССС, покрывающие большую территорию обслуживания с большим числом абонентов, например системы NTT (Япония) и MATSE (Франция). В этих системах БС непосредственно соединяются со станциями управления (СУ), которые, в свою очередь, подключены к ЦС проводными линиями связи. При таком построении СУ осуществляет установление соединения,контролирует качество принимаемой информации, производит эстафетное переключение каналов АС в другую зону, выделяет свободные разговорные радиоканалы, передает сведения о произведенных операциях на ЦС, которые фиксируют полученную от СУ информацию и может осуществить перекоммутацию АС в зону действия другой центральной станции.
При распределенном управлении ССС центральная станция как координирующее звено не выделяется, поэтому подобные системы построения имеют ряд таких преимуществ, как большая живучесть и надежность, возможность более быстрого и экономичного наращивания емкости сети.
2.2. Организация каналов управления.
В действующих ССС передача информации производится по выделенным каналам передачи данных с шириной полосы частот 25 кГц. Для обмена информацией между БС и АС на группу разговорных радиоканалов выделяется один канал управления (КУ). В свободном режиме АС постоянно настроена на частоту КУ. Обмен между ЦС и БС ведется по проводному каналу передачи данных, также выделенному на группу разговорных каналов.
В скандинавской системе NMT для обмена служебной информацией между ЦС, БС и АС применяется быстрая частотная манипуляция (FFSK). Скорость передачи по КУ установлена 1200 бит/с. Информация передается в виде 64-разрядных кадров. Каждый кадр содержит пять полей:
- номер канала N1, N2, N3 по которому передается данное сообщение;
- префикс Р, характеризующий тип кадра;
- номер района обслуживания V1, V2, где расположена базовая станция с номером канала N1 N2 N3;
- номер АС;
- информационное поле.
В направлении ЦС-АС информационное поле содержит 12 бит; в направлении АС-ЦС номер района обслуживания V1 V2 не передается и информационное поле содержит 20 бит. В системе NMT в качестве управляющего используется любой из разговорных радиоканалов, что, по мнению специалистов, повышает эффективность управления ССС. Во французской системе МАТSЕ для КУ выбирается, как и в NMT, любой канал из группы разговорных. Скорость передачи информации по КУ составляет 2,4 кбит/с. Форматы передаваемых сообщений приводятся на рис.4. В направлении БС-АС информационное поле содержит 128 бит, образующих восемь кодовых слов по 16 бит в каждом, поле управления доступом составляет два кодовых слова по 16 бит.
В направлении АС-БС информация передается в виде кадров длиной 176 бит, кроме того, введен защитный интервал между кадрами длиной 16 бит. При передаче от АС запроса на исходящее соединение заявка поступает в обратный КУ (канал управления в направлении АС-БС) синхронно с сигналом "разрешение доступа" в канал АС-БС, передаваемым от БС,и сигналом тактовой синхронизации. Это снижает вероятность конфликтной ситуации, т.е. предупреждает поступление в обратный канал управления одновременно двух заявок от разных АС.
В системах ТАСS (Великобритания) используются два типа каналов управления: прямой и обратный КУ. Информация по прямому КУ в направлении от БС к АС передается со скоростью 8 кбит/с непрерывным потоком, который при отсутствии информации для АС содержит контрольный текст. Это является необходимым, так как в свободном состоянии АС сканирует каналы управления, выбирая канал с наиболее высоким уровнем сигнала. На рис. 5 представлены стандартные форматы, используемые в прямом КУ для передачи следующих сообщений:
- о состоянии соответствующего обратного канала управления (свободно/занято);
- информационные данные (слова А) - для четных номеров АС;
- информационные данные (слова В) - для нечетных номеров АС.
Разряды, указывающие о состоянии свободно/занято, всегда располагаются на одних и тех же позициях передаваемого формата сообщения с тем, чтобы упростить их выделение из общего потока информации. Объединение двух потоков информации (А и В) уменьшает временной промежуток, отведенный для синхропоследовательности. Достоверность принимаемой информации увеличивается благодаря многократной передаче (пять повторов), что особенно важно для каналов, подверженных замираниям и интерференции. Для обеспечения необходимых требований по вероятности ошибки информационные слова кодируются и объединяются с разрядами коррекции ошибок. В приемнике осуществляется мажоритарное накопление последовательностей соответствующим правилам принятия решения (3 из 5). В прямом канале управления на каждое кодовое слово используются 28 бит информации и 12 бит коррекции ошибок; в обратном КУ используются 36 информационных бит и 12 бит коррекции ошибок. Код с такой структурой способен исправлять однократную ошибку и обнаруживать 4 ошибки. Информационные слова - это сложные пакеты информации, разделенные на группы или на отдельные разряды, каждый из которых определяет параметры системы, номер серии, цифру в набираемом номере и т.д. Более точное содержание формата внутри слова зависит от типа сообщений.
Аналогичным образом организуется обмен информацией по КУ в системе АМРS, в которой длина формата сообщения по прямому КУ составляет 463 бита.
В японской системе NТТ прямой канал управления называется вызывным каналом, поскольку по этому каналу производится вызов АС; обратный КУ, называемый каналом доступа, используется при исходящем соединении. Информация по каналам управления передается в цифровом виде со скоростью 300 бит/сек манчестерским кодом. Длина стандартного сигнала составляет 43 бита, включая 12 контрольных разрядов. Все управляющие сигналы передаются после 8-разрядной синхрогруппы. В сигнале управления, поступающем со стороны АС, содержится 24-разрядный заголовок, стартовый сигнал, используемый как синхронизирующий, и сигнал, открывающий входной логический элемент БС. Заголовок и стартовый сигнал выделяются на БС, остальная информация поступает на СУ. В состав информации, которую СУ непрерывным потоком передает по вызывному каналу, входит номер вызываемого района и номер используемого канала доступа. Если информации для АС нет, далее следует контрольное заполнение.
Помимо каналов управления в системе NТТ между каждой БИ и станцией управления введен канал для эстафетной передачи подвижной станции из одной зоны в другую, в котором передаются необходимые сообщения со скоростью 12 кбит/сек.
В рассмотренных системах радиотелефонной связи радиоканалы используются как продолжение кабельных линий. Обмен сигналами происходит между ЦС и АС; БС выполняет функцию преобразователя радиосигналов в телефонный сигнал. Радиоканалы, как правило, предоставляются со стороны ЦС. Выбор каналов определяется дополнительными алгоритмами на станции, которые не учитывают особенности распространения радиоволн, поэтому при установлении связи могут возникать потери вызова из-за низкого уровня сигнала, передаваемого по радиоканалу. Для повышения эффективности использования каналов необходимо контролировать радиоканалы по различным параметрам, применяя децентрализованный контроль на каждой БС.
Вместе с тем широкое применение цифровой обработки сигналов при построении систем радиотелефонной связи позволила изменить существующее положение. Примером может служить широкополосная ССС CD=900, в которой все служебные процедуры (установление соединения, выделение свободных разговорных каналов) ведутся по каналу управления.Кроме того,по КУ БС выдает объединенную информацию о поиске АС в своей ячейке. Дуплексный КУ представляет собой непрерывно повторяющиеся временные "окна" (каналы) длительностью 75 мс каждый. Временные каналы нумеруются от 1 до 32 и формируются в непрерывные временные кадры длительность 2,4 с. Для достижения минимальной вероятности блокировки каждое "окно" делится на 2 информационных блока, в результате чего формируются 2 независимых дуплексных канала.
Для повышения эффективности работы в системе организовано установление очереди для вызовов, поступающих в обоих направлениях передачи. Это позволяет сократить на 20-25% число КУ и снизить их непроизводительную загрузку.Установление очереди сводится к тому, что если в момент поступления вызова все разговорные каналы заняты, то нет необходимости повторного набора номера. При исходящих вызовах разговорные каналы назначаются только по КУ, после чего в разговорном канале проходит тест для проверки качества связи. Если канал неисправен, он заменяется другим. Алгоритм выбора канала построен таким образом, чтобы новый канал был достаточно разнесен от неисправного канала для уменьшения взаимного влияния.
На основе систем МАТSЕ и CD-900 разработана цифровая ССС ЕС-900 (ФРГ), где в качестве КУ может использоваться любой разговорный радиоканал из группы, выделенной для БС. На каждой БС используется несколько КУ. Для каждой 16-канальной группы разговорных радиоканалов назначается один КУ.Так же,как и в CD-900, в системе ЕС-900 организуются двухсторонние очереди для поступающих вызовов. Канал управления состоит из временных кадров длиной 192 бита длительностью 80 мс каждый. Структура кадра соответствует системе МАТSЕ. Отличие состоит в том, что для информационного поля выделяется 160 бит (10 кодовых слов длиной по 16 бит каждое), а для управления доступом в КУ используется 16 бит. Обратный КУ от АС к БС строится аналогично системе МАТSЕ. Наиболее эффективной считается скорость передачи по КУ в направлении от АС к БС 800 бит/с, от БС к АС 1000 бит/с, для управления доступом принимается скорость 200 бит/с.
2.3. Определение местоположения АС в ССС.
Особенность коммутационных станций ССС по сравнению со станциями телефонной сети общего пользования обусловлено тем, что абоненты находятся в движении и могут переместиться в зону обслуживания любой БС. Таким образом, для установления соединения с подвижной АС необходимо располагать информацией о местоположении абонента. С этой целью в ССС введена процедура регистрации местоположения подвижной АС. Согласно рекомендациям МККТТ координаты АС должны определяться с точностью до зоны либо до группы зон. Регистрация местоположения должна быть организована так, чтобы обеспечивалось своевременное изменение данных о местоположении АС и максимально облегчался поиск АС в случае изменения зоны обслуживания. Рекомендуемый МККТТ алгоритм регистрации местоположения АС показан на рис. 6.
Абонентская станция начинает процедуру установления местоположения только в том случае, если последовательность, определяющая зону обслуживания, которая записана в памяти АС, не совпадает с вновь поступившей. Регистрация местоположения считается завершенной, если получено подтверждение от ЦС. Результаты регистрации местоположения АС поступают в специальный регистр для записи местоположения.
В ССС большой емкости, охватывающей большую территорию, могут действовать несколько ЦС. Каждый абонент зарегистрирован на конкретной ЦС, т.е. необходимые данные об АС записываются в регистр местоположения адресной ЦС. Если АС переезжает в зону обслуживания другой ЦС (визитной), то данные о местоположении АС записываются в регистр местоположения новой ЦС и хранятся в нем до тех пор, пока АС не покинет зону обслуживания визитной ЦС, которая до этого момента будет следить за всеми передвижениями АС и информировать о них адресную ЦС. Визитная ЦС предоставляет абоненту все необходимые виды соединений в процессе установления соединения визитной ЦС может потребоваться дополнительная информация, которая хранится только на адресной ЦС. По запросу визитной ЦС адресная ЦС передает требуемую информацию. Примером ССС, в которой действует несколько ЦС, взаимодействующих между собой, является система NТТ, которая введена в действие с 1979 г. в районе г.Токио. Первоначально управление сетью осуществлялось одной ЦС. Для увеличения числа абонентов и территории обслуживания потребовалось увеличить число ЦС до 9 в 1984 г. Для взаимодействия между собой использованы каналы переключения между ЦС, обмен информацией по которым производится в соответствии с системой сигнализации МККТТ N 7.
Наличие в ССС нескольких ЦС сказывается на времени установления связи. Практически независимо от числа узлов коммутации в системе сигнализации МККТТ N 7 среднее время установления соединения при исходящем вызове составляет около 8 с, что, по мнению экспертов, не является ограничивающим фактором для внедрения рассматриваемой структуры сети.
2.4. Управление входящего вызова в ССС.
В действующих ССС процедура установления соединения входящего вызова любой АС осуществляется следующим образом. При поступлении на ЦС заявки на входящее для АС соединение ЦС по каналу передачи данных передает на БС команду вызова данной АС, которая, получив от БС вызов, передает в КУ сигнал подтверждения получения вызова, транслирующийся через БС на ЦС. В ответ ЦС передает на АС номер свободного разговорного радиоканала. После настройки на частоту выделенного радиоканала АС сообщает на ЦС о своей готовности, которая, в свою очередь, посылает сигнал (звонок) вызываемому абоненту. Когда абонент снимает трубку, ЦС подключает разговорный тракт, при этом в течение сеанса связи постоянно контролируется качество передачи.
Протокол установления входящего вызова в системе NМТ представлен на рис. 7. В исходном состоянии АС настроена на вызывной канал с максимальным уровнем сигнала. Вызов в сторону АС производится от ЦС через все БС, которые относятся к так называемой зоне вызова, где расположена АС в данный момент времени. Получив сигнал вызова, подвижная станция по обратному КУ передает подтверждение, поступающее на ЦС. Получив подтверждение, на ЦС выделяется разговорный радиоканал (РК), номер которого сообщается по КУ на АС, после чего КУ освобождается. Далее осуществляется контроль установленного разговорного тракта АС-ЦС на правильность выполненный операций. При этом по запросу ЦС от АС передается ранее принятый номер РК, который проверяется на соответствие. В случае отсутствия ошибок ЦС передает исполнительную команду вызова "включить сигнал" (звонок). Входящий вызов завершается окончательным проключением разговорного тракта и включением на БС тонального сигнала 4 кГц (внеполосная модуляция в РК) для непрерывного контроля качества передачи.
Процедура установления входящего вызова в системах АМРS и ТАСS практически идентична, однако отличается от рассмотренного протокола. В исходном состоянии АС настраивается на частоту КУ с наиболее высоким уровнем сигнала. По КУ передается непрерывной поток информации, содержащий сигналы входящего вызова. Получив со стороны сети заявку на входящее соединение, ЦС по проводному каналу передачи данных дает команду всем БС вызвать данную АС. Этот вызов транслируется на АС по КУ. Получив сигнал вызова, АС с помощью метки "свободно/занято", имеющейся в формате КУ, проверяет возможность доступа в обратный КУ и выдает через БС на ЦС подтверждающее сообщение, которое содержит собственный номер АС. Приняв это сообщение, ЦС анализирует поступившую информацию, определяет номер обслуживающей БС, выбирает свободный РК на данной БС и в информационном формате канала управления отмечает состояние этого канала как "занято" (в течение 1-4 мс).Это позволяет снизить вероятность конфликтной ситуации при занятии КУ несколькими абонентами.
Затем по разговорному каналу ЦС посылает повторный вызов на БС с указанием номера выделенного РК и номера специального сигнала SAT (Supervisopy Audio Tone), который применяется для контроля исполнения команд и контроля качества передачи. В качестве сигнала SAT в одной ячейке ССС может использоваться одна из трех тональных частот: 5970, 6000 и 6030 Гц. Следовательно, в ССС с коэффициентом повторения частот С=7 можно обслуживать 21 ячейку без повторения этих сигналов в радиоканалах с одинаковой частотой. Сигнал SAT постоянно передается в канале во время разговора. В том случае, когда обнаружено это прерывание, АС включает таймер и , если SAT не будет обнаружен по истечении определенного времени, АС переключается на частоту КУ и сеанс связи заканчивается.
В процессе эстафетной передачи абонента из зоны в зону АС уведомляется о номере сигнала SAT специальным сообщением. Получив информацию от ЦС, АС перестраивается на указанную частоту свободного радиоканала и по этому радиоканалу передает на ЦС выделенный сигнал SAT. При его распознавании на БС принимается решение о готовности дуплексного радиоканала БС-АС к передаче, о чем сообщается на ЦС соответствующим сигналом. Далее производится коммутация наземной телефонной линии ЦС-БС радиоканалом БС-АС и соответствующей командой АС приводится в готовность. Если абонент свободен, то от АС по назначенному разговорному радиоканалу на БС передается тональный сигнал ST (Signalling Tone) частотой 8 кГц, который прерывается при снятии трубки абонентского аппарата. По сигналу ST БС сообщает на ЦС о готовности АС, и ЦС посылает абоненту сигнал вызова (звонок). При снятии сигнала ST ЦС проключает весь разговорный тракт, передает в канал сигнал SAT и следит за результатами измерений качества передачи. При завершении разговора от АС передается сигнал ST и сигнал о перестройке на частоту КУ, поэтому БС сообщает на ЦС об окончании связи, после чего коммутационное оборудование освобождается.
Следует отметить, что в отличие от алгоритма входящего вызова системы NMT в данном алгоритме контроль достоверности принимаемых сообщений частично перенесен на блок управления АС. Например, с его помощью определяется соответствие между принятым номером РК и номером КУ, который обслуживает данную группу разговорных радиоканалов.
В системе NTT имеются отличия от описанного выше порядка установления входящего вызова, обусловленные тем, что при построении сети используются два служебных канала - канал управления и канал эстафетной передачи АС, а также промежуточные станции управления. При поступлении вызова он передается на адресную ЦС, где хранится вся информация об АС. В зависимости от точности определения местоположения АС, станция управления посылает на одну или несколько БС сигналы вызова АС, которые по прямому КУ излучаются в эфир. Вызов от СУ может повторяться дважды. После ответа АС станция управления начинает поиск свободного разговорного радиоканала в группе каналов, выделяемых для данной ячейки. После того как канал найден, СУ передает на ЦС первый ответный сигнал, содержащий информацию о номере ячейки, в которой находится АС, и номер выбранного РК, передаваемого также через БС на АС по КУ. От СУ на ЦС передается второй ответный сигнал, получив который ЦС через СУ передает вызванному абоненту сигнал вызова (звонок). Одновременно СУ выдает команду на БС об изменении напряженности поля в разговорном радиоканале, результаты которого передаются по каналу эстафетной передачи.
После снятия абонентом телефонной трубки на СУ и ЦС проключается разговорный тракт.
Сравнив рассмотренные процедуры установления входящего вызова, отметим следующее:
1. В системах АМРS и ТАСS отказ в установлении соединения из-за неисправности разговорного радиотракта может произойти на начальных этапах установления соединения, в то время как проверка разговорного радиоканала в системе NTT происходит на заключительном этапе. Это приводит к увеличению времени непроизводительного занятия ЦС, СУ и оборудования БС в системе NTT.
2. В системе NTT протоколы установления соединений не содержат операции подтверждения приема каждой переданной команды, что может привести к ложным срабатываниям.
3. В системе NTT введен дополнительный канал - канал эстафетной передачи, что привело к усложнению алгоритмов работы системы, а следовательно, и программного обеспечения.
4. В системе NMT контроль качества передачи осуществляется по единому в сети пилот-сигналу (4 кГц), что делает систему более чувствительной к уровню взаимных помех, обусловленных повторным использованием радиоканалов с одинаковой частотой.
2.5. Установление исходящего вызова в ССС.
Исходящий вызов от АС может быть предназначен как для абонента ТФОП, так и для абонента ССС. Для установления исходящего соединения на АС набирается номер вызываемого абонента;этот номер передается на БС и далее транслируется на ЦС по каналу передачи данных. После анализа информации и выделения свободного РК в действующих ССС организуется тест контроля состояния каналов, устанавливается соединение и в сторону вызываемого абонента посылается вызов. После ответа абонента проключается тракт.
В системе NMT в исходном состоянии АС настраивается на частоту КУ, в качестве которого используется один из разговорных радиоканалов. Абонент АС набирает номер, который переписывается в запоминающее устройство (ЗУ), и снимает трубку. После выбора свободного РК по нему передается сигнал "канал занят". Со стороны ЦС производится подтверждение принятия сигнала "канал занят", на который АС выдает ответное подтверждение. При получении этого подтверждения ЦС передает на АС сигнал готовности к приему номера. Из ЗУ АС по разговорному радиоканалу транслируется номер вызываемого абонента, и после подтверждения приема номера на БС проводная телефонная пара подключается к радиоканалу. Ответ вызываемого абонента служит основанием для проключения разговорного тракта и включения тонального пилот-сигнала с частотой 4 кГц на БС для контроля качества передачи. Таким образом, обмен сигналами в системе NMT ведется по разговорным радиоканалам, система работает с взаимным многократным подтверждением приема каждого сигнала, что обеспечивает высокую надежность установления связи.
В системах АМРS и ТАСS управление при исходящем вызове основано на на применении сигналов SAT и ST. Как и в системе NMT, номер вызываемого абонента записывается в ЗУ абонентской станции. Затем АС проверяет состояние обратного КУ на занятость, т.е. определяет возможность доступа в прямой КУ. Получив доступ, АС передает исходящий вызов, в котором содержится номер вызывающей АС и номер вызываемого абонента; БС транслирует исходящее сообщение по каналу передачи данных на ЦС, где осуществляется проверка на несанкционированный доступ вызывающего абонента к данной системе. Если абонент имеет право доступа к сети, то ЦС инициирует в течение 1-4 мс состояние обратного КУ как "занято", выделяет свободный РК и сигнал SAT; одновременно с этим устанавливается соединение в сторону вызываемого абонента и ему передается вызов. Получив номера РК и сигнала SAT, АС настраивается на частоту разговорного радиоканала и по нему передает соответствующий сигнал SAT через БС на ЦС, после получения которого осуществляется проверка разговорного тракта ЦС-БС-АС. Далее ЦС ожидает ответа абонента и при снятии абонентом трубки проключает разговорный тракт и ведет контроль за качеством речи.
Установление исходящего вызова в системе NTT в отличие от рассмотренных выше систем производится с участием СУ. Набранный номер записывается в память АС, и по каналу КУ через БС на СУ поступает сигнал "начало вызова", в котором содержится номер вызывающего абонента. Затем СУ выбирает свободный РК и передает номер этого радиоканала на АС. Одновременно СУ передает на ЦС синхросигнал по каналу передачи данных, а в сторону БС СУ дает команду эстафетной передачи об изменении напряженности поля для контроля качества передачи. После завершения процедуры организации разговорного тракта СУ считывает номер вызываемого абонента из ЗУ АС и устанавливает соединение между абонентами. Таким образом, в системе NTT обмен сигналами происходит по служебным каналам трех типов, что усложняет алгоритм и программное обеспечение управляющего комплекса, а также схему АС и БС и снижает надежность установления связи.
Сопоставляя протоколы входящего и исходящего вызовов в рассмотренных системах, можно отметить, что организация разговорного тракта содержит однотипные операции управления. Это означает, что программы, обеспечивающие входящий вызов, могут быть реализованы в виде подпрограмм режима исходящего вызова.
2.6. Протоколы поддержания непрерывной связи в ССС.
Одной из основных проблем при разработке ССС является обеспечение непрерывной связи в течение сеанса передачи во время передвижения АС по территории обслуживания. Принцип этой операции, вызываемой "эстафетной передачей" АС, заключается в следующем. Для оценки качества передачи в установленном разговорном тракте по РК непрерывно передается пилот-сигнал для постоянного измерения отношения сигнал/помеха по мощности . Если величина принимает значение ниже установленного порогового уровня, то начинается процедура эстафетной передачи. Снижение мощности принимаемого полезного сигнала может происходить при выходе АС из зоны действия БС, а также при перемещении подвижного абонента в зону с длительными замираниями сигналов. В действующих системах при ухудшении качества передачи от ЦС по БС поступает команда измерить величину в РК. Измерение производится с помощью специальных приемников, которые могут быть настроены на частоту любого радиоканала системы. Оценивая полученные от БС результаты измерений, ЦС выбирает зону с максимальным отношением сигнал/помеха и переключает АС на новый радиоканал.
Протокол обмена сообщениями в режиме эстафетной передачи в системе NMT представлен на рис. 8. В этой системе контроль за качеством речи ведется по тональному пилот-сигналу с частотой 4 кГц, который методом внеполосной модуляции вводится в разговорный тракт на БС1, излучается совместно с речевым сигналом и ретранслируется обратно. При снижении величины ниже порогового значения ЦС выдает на соседние базовые станции команду произвести измерение отношения сигнал/помеха с указанием номера радиоканала РК1. По результатам измерений ЦС выбирает БС с максимальным значением величины (например, БС2) и выделяет свободный радиоканал РК2 в зоне действия БС2. По радиоканалу РК1 через БС1 на АС передается номер нового радиоканала РК2, по которому АС и ЦС взаимодействуют сигналами "передача-подтверждение". По окончании обмена ЦС производит переключение соответствующих устройств и проводной телефонной пары для продолжения разговора по новому разговорному каналу. После всех переключений необходимых цепей с БС1 на БС2 ЦС освобождает телефонную пару, соединенную с РК1 на БС1.
В системах АМРS и TACS протокол обмена сообщениями в рассматриваемом режиме отличается от систем NMT лишь тем, что контроль за качеством передачи ведется с помощью сигнала SAT. По мере приближения АС к границе ячейки величина отношения сигнал/помеха уменьшается. Поэтому БС1 может выдать на ЦС сигнал "ухудшение качества", по которому ЦС идентифицирует шесть окружающих БС и дает им команду измерить уровень сигнала SAT1 в данном РК. Центральная станция сравнивает полученные результаты и выбирает новую ячейку с более высоким уровнем сигнала, например БС2, в направлении которой передает номер нового РК и номер SAT2. Это сообщение транслируется на АС в разговорном радиоканале, по которому ведется сеанс связи. Подтверждением получения информации является кратковременное (на 50 мс) прерывание сигнала SAT2, зафиксировав которое БС1 посылает сигнал исполнения на ЦС. В новом радиоканале АС передаем на ЦС сигнал готовности, ЦС производит соответствующую перекоммутацию, освобождая БС1, и проключает новый разговорный тракт. Контроль за качеством передачи ведется по сигналу SAT2, дискретная информация передается в РК методом бланкирования, при котором речевые сигналы прерываются. Вся процедура эстафетной передачи занимает около 250 мс, поэтому для абонента момент переключения происходит незаметно.
В системе NTT различаются три случая эстафетной передачи:
- АС перемещается в пределах зоны обслуживания СУ;
- АС перемещается в пределах зоны обслуживания ЦС;
- АС перемещается в зону обслуживания другой (визитной) ЦС.
Рассмотрим эстафетную передачу АС при ее перемещении в пределах зоны обслуживания СУ. При ухудшении качества передачи по каналу эстафетной передачи БС1-СУ передается сигнал "ухудшение качества" и СУ передает по каналу эстафетной передачи команду на соседние БС "измерить напряженность поля на "заданной частоте" и выбирает ту БС, результат измерения которой удовлетворяет двум условиям:
- величина напряженности поля должна быть максимальной из всех полученных;
- разница между выбираемой величиной напряженности поля и исходной, полученной от БС1, должна быть не менее 5 дБ.
Выбрав БС2, СУ ищет свободный РК2 в направлении БС2 и по каналу передачи данных передает на ЦС сигнал занятия РК2. После того как установлен разговорный тракт ЦС-СУ, СУ передает номер РК2 на АС через БС1 по каналу эстафетной передачи. При этом АС настраивается на частоту радиоканала РК2 и передает по каналу эстафетной передачи на СУ сигнал подтверждения, получив который СУ освобождает РК1 и производит соответствующую перекоммутацию. Весь процесс эстафетной передачи в этом случае занимает около 800 мс.
Таким образом, в системе NTT алгоритм взаимодействия между телефонными станциями сети оказывается наиболее сложным, поскольку введены промежуточные станции управления. Вместе с тем такой подход не предъявляет жестких требований к производительности СУ, так как нагрузка в системе управления распределяется между ЦС и СУ, а требование высокой пропускной способности обеспечено введением дополнительного канала управления.
2.7. Примеры реализации центральной системы.
В системе NMT в качестве ЦС используется электронная автоматическая телефонная станция типа DХ 200 МТХ. Эта станция может применяться на всех уровнях сети, т.е. в качестве оконечной, зоновой, узловой и междугородной станций. Максимальная абонентская емкость DХ 200 МТХ, используемой в качестве ЦС, - 100 тыс. номеров, максимальное число радиоканалов 3500. Система имеет пропускную способность 100 тыс. вызовов в час, что соответствует интенсивности обрабатываемой нагрузки 2500 эрл. (при средней занятости 90 с). Система управления может расширяться по мере необходимости.
При обслуживании станцией DХ 200 МТХ комбинированной нагрузки проводной и радиотелефонной сетей максимальная абонентская емкость определяется удельной нагрузкой абонентских линий. Структурная схема станции приведена на рис.
Обработка вызовов на станции функционально разделена и производится микропроцессорными блоками (микро-ЭВМ), соединенными между собой с помощью быстродействующей шины сообщений. Для повышения надежности микропроцессорные блоки дублированы. Оборудование станции может наращиваться по мере роста емкости станции. Оборудование рассмотренной станции предназначено для работы в ТФОП. При использовании DХ 200 МТХ в ССС к оборудованию станции добавляются специальные блоки: а) блок обслуживания нижних уровней протокола сигнализации NMT (блок не дублируется, устанавливается на каждой поступающей от БС линии ИКМ); б) блоки обслуживания сигнализации между АС и ЦС (при определении местоположения АС и в процессе эстафетной передачи АС). Число блоков зависит от емкости станции, минимально устанавливаются два блока. Техническая эксплуатация DХ 200 МТХ осуществляется с помощью системы технической эксплуатации.
Функции управления станцией делятся на три уровня обработки информации: первичная, вторичная и контроль за работой АТС (мониторинг). Такое деление позволяет оптимизировать оборудование для каждого из соответствующих уровней управления. Нижний уровень (уровень3) включает предварительную обработку внутристанционной информации, а также информации, поступающей от абонента. Оборудование состоит из ряда блоков сопряжения, главной задачей которых является управление сигналами набора номера и линейными сигналами в режиме реального времени. Вторичная обработка информации (уровень 2) также связана с обработкой поступающей от абонента информации: управление сигнализацией, анализ поступающей цифровой информации, маршрутизация. Верхний уровень управления (уровень 1) обеспечивает работоспособность станции. Разделение функций управления на три уровня и их реализация рассредоточенными микро-ЭВМ повлекла за собой соответствующее разделение программного обеспечения на программы технической эксплуатации, программы обслуживания вызовов, программы предварительной обработки. Посредством такого функционального деления различные задачи разделены на каждом уровне. Каждая задача выполняется с помощью своей программы-задания. Программы-задания каждой микро-ЭВМ образуют пакет прикладных программ, внутреннее взаимодействие между которыми осуществляется посредством обмена сообщениями.
Пакет программ технической эксплуатации является самым большим в системе и включает в себя программы, обеспечивающие эксплуатацию, техническое обслуживание и диалог между оператором и ЭВМ. Эти программы делятся на группы: программы обслуживания абонентов, маршрутизации, учета нагрузки и стоимости разговора, административного управления. Программы технической эксплуатации обеспечивают контроль и наблюдение за работой оборудования станции, анализ поступающей аварийной сигнализации и восстановление работоспособности станции, статистическую обработку отказов. Имеющиеся в пакете программы взаимодействия обеспечивают связь с периферийным оборудованием. В состав пакета также входят программы, обеспечивающие обмен данными между диспетчером и станцией. Поскольку пакет программ весьма велик, а сами программы вызываются и исполняются через сравнительно большие промежутки времени, то они записаны на магнитном носителе и по мере необходимости загружаются в оперативную память для выполнения.
Структура программ обслуживания вызова основана на принципе разделения процессов вызова на входящий и исходящий. Программы обслуживания сигнализации соответственно разбиты на программы регистровой и линейной сигнализации. Пакет программ линейной сигнализации производит обработку и формирование линейных сигналов по запросам из пакета обслуживания вызовов, причем может обслуживаться любая система линейной сигнализации. Имеется пакет программ для обслуживания сигнализации в соответствии с рекомендациями МККТТ N 7. Имеется также пакет программ MFC/РВ, который обслуживает линии с многочастотной и тастатурной сигнализациями, из которого посылаются сообщения в пакет обслуживания вызова о поступлении сигналов и ведется управление посылкой сигналов МFC по директиве, полученной от программы обслуживания вызова.
Поскольку сигнализация всех возможных типов проходит преобразование в формат стандартной внутренней сигнализации станции, то для работы с любым типом внешней сигнализации достаточно добавить соответствующую программу преобразования в программное обеспечение станции. Поэтому DХ 200 МТХ легко адаптируются к любым сетям. Кроме того, в пакет программ обслуживания вызова входят программы управления системой коммутации и программы доступа к центральному ЗУ, а также программы для определения характеристик трафика. Этот пакет представляет собой совокупность программ, образующих систему, готовую к загрузке в память ЭВМ. Программы, участвующие в обслуживании нагрузки и поэтому используемые наиболее часто, хранятся в оперативных ЗУ. Более редко используемые программы хранятся на магнитном носителе и загружаются в оперативную память микро-ЭВМ по мере необходимости.
Программное обеспечение предварительной обработки состоит из небольших пакетов, основной функцией которых является обработка сигналов, необходимых для программ обслуживания соединения, в реальном масштабе времени. Пакет этих программ используется также для первичной обработки сигналов от абонентов, для обеспечения обменом сигналами по абонентской линии и подключении ее к свободному каналу в соответствии с сообщениями из программы обслуживания вызовов.
Системное обеспечение является базисом, который организует совместную работу всех программ и их выполнение в ЭВМ. Имеется стандартный набор программ, состоящий из операционной системы и некоторых дополнительных программ. Собственно операционная система предназначена для обслуживания вызовов и обеспечения обмена сигналами между остальными программами. Все параметры, описывающие конкретные индивидуальные характеристики данной станции, сгруппированы в блок станционных параметров. Таким образом, увеличение емкости станции вызывает лишь необходимость изменения данных в этом блоке. Благодаря большой глубине модульности все программы могут быть последовательно проверены, что обеспечивает надежность работы. Поскольку программные элементы независимы, то введение какого-либо нового требования или функции затрагивает лишь соответствующий элемент, который можно модифицировать, заменять или расширять независимо от других.
В ССС в качестве ЦС широко используется цифровая автоматическая телефонная станция с распределенным управлением типа System 12, при этом обмен информации между ЦС и АС ведется через модемы, работающие со скоростью 1200 бит/с. Поскольку System 12 полностью цифровая станция, аналого-цифровое преобразование информации производится на БС. Канальный модуль АС может осуществлять управление максимум 30 каналами, в числе которых могут быть КУ и РК, относящиеся к одной или нескольким БС.
Для использования электронной АТС типа System 12 в ССС в программное обеспечение станции вводятся два новых программных модуля в дополнение к существующим: для управления каналами, оборудованными модемами, и для обработки информации по определению местоположения АС, эстафетной передаче АС, обработке информации об изменении качества передачи. При организации ССС в Бельгии предполагается, что первоначально ЦС типа System 12 будет работать с 45 БС и обслуживать 5000 абонентов, в последующем планируется увеличение емкости сети до 50000 абонентов и увеличение числа БС до 245. Максимальная емкость System 12 при использовании ее в качестве ЦС ограничивается только стоимость кабельной сети. Поэтому считается целесообразным организовать в ССС вторую ЦС также типа System 12. Применение System 12 планируется и при проектировании полностью цифровых ССС, например СD-900.
2.8. Выводы.
Рассмотренные алгоритмы работы сотовых сетей связи и протоколы управления в различных режимах работы показали, что в системах, эксплуатируемых в настоящее время, имеется ряд отличий, обусловленных различием характеристик используемой аппаратуры, вычислительной и коммутационной техники.
При создании перспективных цифровых ССС имеются чрезвычайно важные проблемы, среди которых следует выделить выбор методов уплотнения каналов связи, рациональных методов модуляции для передачи речевых сообщений, способных обеспечить хорошую разборчивость при низких скоростях передачи по радиоканалам, что приведет к высокой спектральной эффективности цифровых ССС. При их разработке необходимо ориентироваться на результаты проводимых испытаний цифровых сотовых сетей связи, учитывая имеющийся опыт эксплуатации действующих ССС, а также рекомендации МККР и МККТТ.
Раздел III. Принципы проектирования ССС.
3.1. Цели проектирования и исходные данные.
Приведенные ниже принципы проектирования основываются на опыте проектирования сотовых сетей связи во многих странах мира и, прежде всего, на опыте фирмы NOKIA.
Целью проектирования сети является:
- обеспечение охвата требуемой зоны обслуживания с высоким качеством речевой связи;
- обеспечение емкости для обслуживания абонентской нагрузки с низкой интенсивностью потерь.
Путем эффективного проектирования сети (например, путем разделения зоны действия базовой станции на секторные сотовые ячейки), а также использования имеющихся сооружений (зданий, мачт, линий передач и т.д.), можно достичь минимальной стоимости инфраструктуры сотовой сети. При проектировании сотовых сетей каждый проект выполняется с учетом желаний и возможностей заказчика.
Для составления окончательного проекта сети требуется четкая информация о следующих основных параметрах:
- количество имеющихся свободных каналов (в зависимости от ширины полосы и разноса между каналами)
- планируемые зоны обслуживания (города и магистральные дороги)
- топография и типы местностей в зонах обслуживания (карты)
- существующие сооружения и т.п. (список предлагаемых пунктов расположения базовых станций)
- оценка распределения и прироста абонентов и нагрузки
- прочие параметры проектирования (нагрузка на абонента, допустимая интенсивность потерь, минимальная приемлемая напряженность поля и т.д.)
Так как все вышеупомянутые параметры фактически нам не известны, мы производим здесь только предварительный расчет максимальной емкости. Он содержит оценку требуемых материалов (базовых станций и каналов).
Перед проектированием сети стоят две разные цели, зависимые от обслуживаемой местности.
1. В сельских местностях главная задача - это произвести большие зоны охвата с высокой мощностью передачи и высокими антеннами (обычно с помощью ненаправленной антенны).
2. В городах, где нагрузка интенсивная, главная задача это обеспечение максимальной емкости и компактных размеров ячеек с небольшой мощностью и низкими антеннами (часто с помощью направленной антенны и секторных ячеек). Проблема проектирования сетей городских районов состоит в том, что применяются одни и те же частоты с минимальной внутриканальной помехой.
В городских районах целесообразно использовать "зонтичные" базовые станции, т.к. они охватывают и такие районы, которые недостаточно хорошо охвачены малыми ячейками.
3.2. Проектирование радиотелефонной сети.
В начале проектировщику радиотелефонной сети нужны данные о вышеупомянутых параметрах. Их он может получать путем изучения предлагаемых пунктов расположения базовых станций. Топографические карты необходимо иметь при составлении плана сети (прогноз зоны охвата и распределение каналов с минимальными взаимными помехами) с помощью автоматизированных средств проектирования. Измерения зоны охвата выдают информацию о фактическом распространении радиоволн и одновременно дают заказчику точное определение охвата и функционирования сети.
Проектирование сети охватывает и определение параметров телефонной станции подвижной службы (ТСПС), что влияет на удачную передачу соединения из одной сотовой ячейки в другую.
Проектирование сети - это бесконечный процесс. Действующая сеть выдает информацию о распределении трафика и прироста абонентов и эта информация может, в свою очередь, влиять на составленные раньше проекты устройства сетей. Проектирование сети постоянно расширяется, как и сама сеть.
3.3. Технические характеристики и основы для
расчета сетей.
Полоса частот 2 х 4,5 МГц Разнос между каналами 25 кГц Количество каналов 180 Размер узла (модель группы повторяющихся ячеек) 9 Макс. интенсивность потерь в ЧНН 5% (3 мин. на час) Средняя создаваемая нагрузка на абонента 25 мЭрл Тип базовой станции (БС) NMT-450 Количество каналов/статив в БС 8 Чувствительность базовой станции <-2 дБмкВ эдс Мощность передачи БС 0,7 - 50 Вт
(выход канала) Количество каналов на группу каналов 20 Минимальный разнос между 175 кГц каналами в сумматоре БС Количество каналов на одну антенну передачи 16 Типичный коэффициент усиления антенны:
5 дБи (ненаправленная антенна)
8 дБи (направленная с 120 град. шириной
диаграммы направленности)
9 дБи (направленная с 60 град. шириной
диаграммы направленности) Затухание антенного фидера (450 МГц):
5 дБ/100 м (1/2")
3 дБ/100 м (7/8") Чувствительность ТСПС < 0 дБмкВ эдс Мощность передачи ТСПС 15, 1,5 и 0,15 Вт
3.4. Зона обслуживания.
Сеть охватывает район с диаметром: около 30 км.
3.5. Размеры сотовых ячеек.
Обычно мощности передачи базовой станции и ТСПС находятся на балансе. Это значит, что количество речевой связи одинаково высокое в обоих направлениях. Размер ячейки вычисляется путем определения минимальной приемлемой напряженности поля, получаемой ТСПС от базовой станции, и использования уравнения для вычисления затухания напряженности поля от базовой станции.
Вычисляется минимальная напряженность поля (т.е. напряженность поля на краю ячейки) из условий:
Чувствительность ТСПС равна -113 дБ, что соответствует в антенне напряжению 0 дБмкВ эдс и напряженности поля 17 дБмкВ/м.
Напряженность поля на уровне чувствительности 17 дБмкВ/м
Граница быстрого замирания +10 дБ
Граница медленного замирания +4 дБ
Усиление антенны подвижной станции -5 дБ
Затухание антенного фидера подвижной станции +2 дБ
---------- Минимальная приемлемая напряженность поля 28 дБмкВ/м
Напряженность поля превысит пороговое значение в пределах сотовой ячейки с 90-процентной вероятностью времени и месторасположения.
Размер сотовой ячейки (т.е. радиус ячейки в напряжении главного лепестка антенны) вычисляется, применяя уравнения Юл-Ньюхолм (Juul-Nyholm; COST 207. Digital land mobile radio communication. Final report, стр. 18-19. Luxembourg 1989).
3.6. Расчет емкости.
Используя формулу "Эрланг Б" можно вычислять создаваемую нагрузку, когда количество каналов и интенсивность потерь известны. Ниже примером служит район внутри кольцевой дороги г.Москвы.
Район А = пи х 14 х 19 км2 = 836 км2
Размер ячейки пи х (3,0/2) км2 = 7,1 км2
Ориентировочное макс.кол-во ячеек 836/7,1 = 118
Предполагается, что базовые станции можно располагать в отработанных пунктах.
Количество каналов телетрафика в ячейке (в каждой ячейке по одному каналу для сигнализации): 19
Потерь 5%, следовательно, создаваемая нагрузка на ячейки 14,3 Эрл
Максимальная нагрузка; предполагается, что нагрузка одинаково распространена: 118 х 14.3 = 1687 Эрл
Количество абонентов: 1687/0,025 = 67000
Вышеуказанное число - это теоретическое число для максимального количества обслуживаемых абонентов, когда сеть проектирована как сеть большой емкости для городской местности. Количество абонентов можно увеличить путем понижения мощности передачи базовой станции.
Раздел IV. Радиотелефонные системы общего пользования
с большой зоной обслуживания
(РТСОП-БЗ).
4.1. Радиотелефонная система "Алтай".
Отечественная система радиотелефонной дуплексной связи с подвижными объектами "Алтай", которая в настоящее время используется более чем в 40 городах СССР, является типичным представителем РТСОП-Б3. Эти радиосистемы основаны на использовании одной центральной радиостанции (ЦРС), антенна которой располагается на максимально возможной высоте (рис. 10).
Основные принципы функционирования РТСОП-Б3 "Алтай" были разработаны в начале 60-х годов и с тех пор практически не изменились. Существенная модернизация проводилась в части аппаратуры, используемой в системе. Первоначально (1959..1963гг.) система была разработана для диапазона 160 МГц ("Алтай") с разносом частот 50 кГц, в основном на электронных лампах (особенно высокочастотные каскады). Затем (1968..1971гг.) система была переоборудована для диапазона 330 МГц ("Алтай-3") тоже с разносом частот 50 кГц, но с широким использованием транзисторов, функциональных элементов и другой современной элементной базы.
В 1974..1978 гг. была введена очередная модернизация радиооборудования системы с учетом разноса частот 25 кГц ("Алтай-3М") и применением интегральных схем, термокомпенсированных кварцевых генераторов, переводом центрального радиотракта (ЦРТ) полностью на транзисторы, в том числе в выходных каскадах передатчика (3-е поколение). при этом существенно были уменьшены масса и габариты радиостанции, потребление от источников питания, повышена надежность.
В настоящее время система модернизируется. В нее вводятся устройство автоматического опознавания номера абонента ПО; синтеза частот и микропроцессорное устройство управления ("Алтай-3С").
В системе "Алтай-3М" помимо автоматической связи абонентов ПО с абонентами телефонной сети предусмотрена возможность использования диспетчерской связи с абонентами ПО, что позволяет более эффективно использовать радиочастотный спектр и уменьшить время занятия канала.
Система "Алтай-3М" состоит из: центральной радиостанции, ведомственных диспетчерских пунктов, абонентских радиостанций, соединительных линий, ремонтно-профилактической мастерской. Связь в системе осуществляется в дуплексном режиме через единую городскую ЦРС в диапазоне частот 301,1375..305,8125 и 337,1375..341,8125 МГц с разносом частот 36 МГц. весь диапазон частот, выделенный для системы "Алтай-3М", разбит на 22 участка (ствола), по восемь радиоканалов в каждом. Разнос частот между радиоканалами 25 кГц.
Число стволов, разрешенных к установке в каждом городе, определяется решением органов Государственной инспекции электросвязи на основе утвержденного плана распределения частот по территории СССР.
Структурная схема одного ствола системы "Алтай-3М" показана на рис 11. На рисунке и в последующем тексте приняты следующие условные обозначения:
Центральная радиостанция.................... - ЦРС
Приемопередающее оборудование............... 1 ППО
Блок резонансных фильтров передачи.......... 2 БРФ ПРД
Блок резонансных фильтров приема............ 3 БРФ ПРМ
Резонансный фильтр.......................... 4 РФ
Блок мостовых фильтров...................... 5 БМФ
Мостовой разделительный фильтр.............. 6 МРФ
Блок антенных разделителей.................. 7 БАР
Антенный разделитель........................ 8 АР
Антенна ЦРС................................. 9 А
Коробка промежуточная....................... 10 КП
Направленный осветитель (из комплекта ППО).. 11 ОН
Контрольно-измерительная аппаратура......... - КИА
Пункт управления............................ - ПУ
Комплект коммутационного оборудования
центральной станции, модернизированный...... 12 ККОЦС-М
Статив генераторного оборудования........... 13 СГО
Комплект коммутационного оборудования
диспетчерского пункта, модернизированный.... 14 ККОДП-М
Статив коммутации диспетчера
(из комплекта ККОДП-М)...................... 15 СКД
Пульт управления диспетчер
(из комплекта ККОДП-М)...................... 16 ПУД
Дежурный техник............................. 17 ДТ
Центральный диспетчер....................... 18 ЦД
Пульт сигнализации техника
(из комплекта ККОЦС-М)...................... 19 ПСТ
Абонентская станция......................... 20 АС
Сетевой блок питания АС..................... 21 СБП
Антенна контрольной АС...................... 22 АК
Устройство соединительных линий
промежуточное............................... 23
Ведомственный диспетчерский пункт........... - ВДП
Прямой абонент ВДП.......................... 24 ПА
Предприятие связи, используемое
в качестве промежуточного пункта
для кабельных линий связи................... 25
Упрощенный ведомственный диспетчерский
пункт....................................... 26 УВДП
Антенно-фидерные устройства................. - АФУ
Соединительные линии ПУ-ЦРС, ПУ-АТС,
ВДП-АТС, ПУВДП, ВДП-ПА соответственно 1..4
Передатчик, передача........................ - ПРД
Блок управления и сигнализации.............. - БУС
Приемник, прием............................. - ПРМ
Коэффициент бегущей волны................... - КБВ
Реле соединительное линии исходящей......... - РСЛИ
Городская автоматическая телефонная сеть.... - ГАТС
Входящие в ствол радиоканалы равнодоступны и объединены системами автоматического поиска свободного (АПСК) и вызывного (АПВК) каналов. Это позволяет использовать для связи любой из свободных в данный момент радиоканалов и значительно увеличить пропускную способность системы.
За каждым абонентом ПО закрепляется индивидуальный избирательный вызов. Отдельные группы абонентов, кроме того, имеют общий циркулярный вызов. Число избирательных вызовов в стволе 989, циркулярных 10, избирательных номеров ведомственных диспетчеров 18. Каждый ствол автономен и имеет свою нумерацию абонентов, ведомственных диспетчерских пунктов и циркулярных вызовов.
Система взаимодействия на участка радиотракта тональная. Для этой цели используются 42 частоты в диапазоне 1003..2397 Гц с разносом в 34 Гц. Избирательный вызов абонентских станций состоит из комбинации трех частот, передаваемых одновременно.
Число абонентов, которое без ущерба для качества обслуживания можно включить в один ствол, зависит от средней продолжительности разговора, среднего числа выходов на связь в часы наибольшей занятости радиоканалов.
В каждом конкретном случае число абонентов в стволе определяется расчетом на основе полученных исходных данных и может составлять 250..300. Когда требования к допустимой вероятности потери вызова из-за занятости радиоканалов не установлены, она может быть принята равной 20%.
Оборудование, предназначенное для использования в системе "Алтай-3М", включает следующие составные части (из расчета на один ствол):
Приемопередающая аппаратура ЦРС 7РЗС-1 "Алтай ЦС-3М".... 1
Антенно-фидерные устройства ЦРС в составе:
резонансных фильтров передачи......................... 4
резонансных фильтров приема........................... 1
мостовых фильтров..................................... 3
антенных разделителей................................. 1
Вибратор (элемент антенны).............................. 36
Коробки распределительные:
КР-1.................................................. 12
КР-2.................................................. 2
КР-3.................................................. 4
Радиостанция абонентская 7Р23В-1 "Алтай АС-3М" с сетевым
блоком питания.......................................... 2
Коммутационное оборудование ЦРС, модернизированное
(состав: 3 статива, ПСТ, ККОЦС-М)....................... 1
Коммутационное оборудование диспетчерского пункта,
модернизированное (состав: статив коммутации диспетчера,
пульт управления, два комплекта для дежурного техника и
центрального диспетчера)................................ 20
Стативы генераторного оборудования:
СГО-1................................................. 1
СГО-2................................................. 1
Измерительные приборы:
переходное вспомогательное устройство ПВУ АС-3М....... 1
блок УНЧ.............................................. 1
заглушка.............................................. 1
соединительные кабели................................. 3
Число радиостанций абонентских мобильных "Алтай-АС-3М" 7Р23В-1, сетевых блоков питания и антенн "Волновой канал" определяется проектом.
Приемопередающее оборудование соединяется с комплектом коммутационного оборудования центральной станции, к которому, в свою очередь, подключаются соединительные линии от АТС, ВДП, оборудование дежурного техника и центрального диспетчера. К ККОЦС подключается также оборудование генераторов сигналов вызывных и сигнальных частот, а также устройств, обеспечивающих работу автоматики системы; ППО и ККОЦС-М могут устанавливаться в зданиях смежных, расположенных рядом или в разных, удаленных друг от друга.
При расположении радиооборудования и коммутационного оборудования в зданиях, удаленных друг от друга,ЦРС должна содержать радиостанцию и пункт управления. При раздельном расположении этих частей между радиооборудованием и коммутационным оборудованием необходимо обеспечить соединительную линию емкостью 17 х 2 на каждый ствол. В качестве соединительных линий могут быть использованы физические линии и (или) линии с аппаратурой уплотнения, РРЛ.
Каждый комплект коммутационного оборудования диспетчерского пункта, устанавливаемый на пункте ведомственного или центрального диспетчера, а также дежурного техника, допускает подключение шести четырехпроводных соединительных линий для связи с ЦРС (для оборудования центрального диспетчера используется и пятый провод), четырех двухпроводных соединительных линий к пультам прямых абонентов или к другим пультам. Диспетчерские пункты имеют по шесть релейных "шнуровых пар", позволяющих коммутировать любые две соединительные линии между собой (одновременно до шести пар абонентов). Оператор пульта может включиться в разговор на правах третьего абонента.
Один пульт обеспечивает одновременную работу двух операторов. По числу линий, соединенных с ЦРС, определяется число свободных радиоканалов, которые могут быть одновременно заняты данным диспетчерским пунктом. К одному комплекту коммутационного оборудования ЦРС можно подключить 36 соединительных линий ведомственных диспетчеров (по две линии на один номер), две соединительные линии центрального диспетчера и четыре - дежурного техника. Число ведомственных диспетчерских пунктов на ствол устанавливается распределением между ними соединительных линий. При максимальной емкости канала оно колеблется от 18 (на каждый диспетчерский пункт по две соединительные линии) до 6 (по шесть соединительных линий).
Вместо комплекта оборудования диспетчерского пункта при незначительной нагрузке может быть использован упрощенный вариант его построения с помощью четырехпроводного телефонного аппарата. Для этого от ПУ прокладывается одна четырехпроводная линия, а диспетчер не может соединиться с другими абонентами.
Для автоматической связи в системе "Алтай-3М" необходимо включить ККОЦС-М в сотенную группу на выделенной АТС. Входящей связью от абонентов АТС к к радиоабонентам может пользоваться группа абонентов ПО в количестве 100 абонентов в группе. Исходящей связью к абонентам АТС могут пользоваться радиоабоненты ПО с правом пользования автоматическим выходом на общегосударственную коммутируемую сеть.
Номер, выделенный на АТС сотенной группы, должен соответствовать номеру группу избирательного вызова, который указывается в разрешении на использование частот (например, выделенная на АТС 34-я сотенная группа имеет номер 55, а выделенные для абонентов ПО избирательные вызовы- номера 400..699, т. е. номера избирательных вызовов абонентов ПО, имеющих выход на АТС, должны быть 500..599, а в системе нумерации ГАТС 34-55-00..34-55-99).
Чтобы задействовать 100 номеров для абонентских станций в системе АТС, необходимо использовать (выделять) сотенные группы, которые оканчиваются цифрами 2..9 (при использовании сотенных групп с цифрами 0 и 1 пропадают избирательные номера 000 центральный диспетчер и 110..119 - циркулярные вызовы).
По исходящей к абонентам АТС связи ККОЦС-М соединяется с АТС четырьмя двухпроводными линиями, которые включаются в абонентские комплекты или абонентские комплекты автоматов (таксофоны с вызовом). По входящей связи ККОЦС-М соединяется с АТС четырьмя трехпроводными линиями в качестве одного сотенного выноса шаговой АТС или трехпроводной линией с комплектом реле соединительной линии (РСЛИ-3) или комплектом исходящих регистров (ПКИ-3) координатной АТС.
В каждом стволе ЦРС обеспечиваются следующие виды связи:
радиоабонента ПО с ведомственным и центральным диспетчерским пунктом при автоматическом установлении соединения при наборе двузначного номера 11..19 и 21..29 (центральный диспетчер вызывает набором цифры 0);
радиоабонента ПО с любым абонентом городской или ведомственной телефонной сети при автоматическом соединении набором индекса 8 и, после получения второго зуммера, набором полного номера абонента телефонной сети;
ведомственного и центрального диспетчерских пунктов с радиоабонентом ПО (избирательный вызов) набором трехзначного номера этого абонента, или с группой радиоабонентов (циркулярный вызов) набором трехзначного циркулярного номера;
любого абонента городской или ведомственной телефонной сети с радиоабонентом ПО при автоматическом установлении соединения набором номера АТС, закрепленного за этим радиоабонентом (таких абонентов в одном стволе не более 100);
двух радиоабонентов ПО одного ствола между собой при автоматическом установлении соединения набором однозначного индекса 9 и трехзначного номера вызываемого радиоабонента;
радиоабонента ПО с абонентами ГАТС, междугородной телефонной станции, прямыми абонентами, радиоабонентами других ПО через ведомственный или центральный диспетчерский пункт при ручном установлении соединения;
центрального и ведомственного диспетчерских пунктов между собой при автоматическом соединении набором трехзначного номера 000 центрального диспетчера или двузначного номера ведомственного диспетчера.
Связь радиоабонента с дежурным техником осуществляется набором однозначного номера 3,4,5,6 или 7. Правила пользования пультом диспетчера и абонентской станцией не отличаются от правил пользования телефонным аппаратом.
В комплексе оборудования ЦРС имеется вспомогательное устройство для обеспечения контроля. Эти устройства используются для проверки и ремонта абонентских станций.
Приемопередающее оборудование ЦРС состоит из четырех стоек, в которых размещаются: восемь одноканальных передатчиков с блоками питания; два четырехканальных резервных передатчика с блоками питания; четыре четырехканальных приемника; два блока управления и сигнализации; два антенных усилителя; два направленных ответвителя.
Резервирование вышедших из строя передатчиков обеспечивается включением одного из резервных (один на четырехканальную группу) на частоте вышедшего из строя передатчика. Включением резервного передатчика на требуемом канале управляет БУС, он же подает сигнал аварии на выносное табло и на пульт сигнализации техника в пункте коммутации. Сигнал аварии на ПУ подается по двухпроводной соединительной линии, по которой обеспечивается служебная связь между ЦРС и ПУ.
Для резервирования применяются два приемника на каждые четыре канала. Результирующий сигнал подается на коммутационное оборудование ПУ. Выход из строя одного из приемников в каждом группе каналов (1..4 и 5..8) не нарушает работу системы.
Абонентская радиостанция "Алтай-АС-3М" состоит из приемопередатчика, блока УНЧ (с динамиком), переходного устройства (для подключения к аккумуляторной батарее автомобиля) и антенны. Радиостанции изготавливаются для применения в одном из выделенных частотных стволов (в каждом стволе восемь каналов связи). Каждая радиостанция настроена на вызывные частоты, соответствующие ее избирательному (индивидуальному) и циркулярному (групповому) номерам.
Автоматические устройства радиостанции ПО обеспечивают следующие виды работы:
в режиме дежурного приема поочередное опробование восьми каналов связи (режим АПВК) и определение наличия свободного канала;
вхождение в связь при приеме радиостанцией ПО избирательного (индивидуального) или циркулярного (группового) вызова;
вхождение в связь абонента радиостанции ПО с абонентом ЦС (ведомственным, центральным диспетчером, абонентом ГАТС) на свободном канале - режим АПСК.
Радиостанция предназначена для установки на легковых автомобилях "Чайка", "Волга", "Жигули", "ЗИЛ", "Москвич", и микроавтобусе "Латвия", в кабинах грузовых автомобилей, а также используется стационарно.
Стационарно установленная радиостанция ПО может питаться от аккумулятора или от сети 220 В через сетевой блок питания 220/12,6 В, который в комплект радиостанции не входит. Для работы радиостанции в стационарном режиме может использоваться антенна "штырь" из комплекта, либо антенна "волновой канал". На стационарных пунктах антенна может устанавливаться на стене здания, на крыше здания или на отдельно стоящей опоре. Вариант установки и тип применяемой антенны определяется конкретными условиями (рельефом местности, удаленностью от ЦРС и т.п.).
Антенно-фидерное устройство ЦРС системы "Алтай-3М" предназначено для обеспечения одновременной работы восьми основных передатчиков, двух резервных передатчиков и приемников ствола на одну или две (в зависимости от выбранной схемы) приемопередающие антенны. Схема построения антенно-фидерного тракта каждого ствола определяется при конкретном проектировании в зависимости от отведенного места на опоре, выделяемого для антенны системы "Алтай-3М", и числа проектируемых стволов связи.
В зависимости от выбранной схемы для одного ствола требуется устанавливать на опоре одну или две антенны. При объединении восьми передатчиков на одну антенну для более качественного приема восемь каналов приема данного ствола заводятся на антенну другого ствола. В этом случае в схеме АФУ имеется три ступени сложения сигналов.
При объединении четырех передатчиков на одну антенну для каждого ствола необходимо предусмотреть место на опоре для установки двух антенн; схема АФУ имеет три ступени сложения сигналов, что наиболее оптимально с точки зрения получения наилучших эксплуатационных характеристик. Число элементов излучателей определяется исходя из необходимости обеспечить в горизонтальной плоскости диаграмму направленности заданной конфигурации. Число этажей определяется коэффициентом усиления. Для нормальной работы радиооборудования система антенно-фидерных устройств должна иметь КБВ на частоте передачи не менее 0,8, на частоте приема не менее 0,6.
Число элементов всего АФУ определяется схемой построения АФУ одного ствола в каждом конкретном случае. Антенно-фидерное устройство состоит из следующих основных элементов: резонансных фильтров передачи и приема; направленных ответвителей; мостовых разделительных фильтров; коробок распределительных антенных разделителей; вибраторов; главных фидеров, выполненных из кабелей РК-75-17-12.
Резонансные фильтры передачи и приема служат для уменьшения внеполосных излучений передатчиков соседних каналов и для развязки входа приемника от выхода передатчика и уменьшения внеполосовых помех соответственно. Мостовой разделительный фильтр предназначен для одновременной работы двух передатчиков с примерно одинаковыми частотами на одно выходное устройство. Таким устройством могут быть: МРФ (следующая ступень сложения), антенный разделитель, направленный ответвитель, антенна.
Антенный разделитель предназначен для одновременной работы передатчиков и приемников на общую антенну. Он препятствует попаданию сигнала от передатчика на вход приемника (при этом и принимаемый сигнал не попадает на выход передатчика). Коробки распределительные предназначены для объединения элементов многовибраторной антенны при работе на один фидер и согласования их волновых сопротивлений.
Вибратор предназначен для излучения мощности передатчиков ЦРС и приема высокочастотной энергии от абонентских станций. Поляризация - вертикальная.
Направленный ответвитель служит для подключения резервного передатчика к антенне взамен вышедшего из строя основного передатчика.
Комплект генератора сигналов вызывных и сигнальных частот состоит из двух односторонних стативов (шкафов) генераторного оборудования СГО-1 и СГО-2 и обеспечивает получение 42-х вызывных и сигнальных частот для работы четырех восьмиканальных стволов городской связи. Сигналы всех вызывных и сигнальных частот получают от автономных камертонных генераторов, установленных на входе соответствующих усилителей; выходы усилителей рассчитаны на нагрузку входных устройств комплекта коммутационного оборудования 12 Ом.
На СГО-1 расположены 40 усилителей (20 рабочих, 20 резервных) для сигналов вызывных частот (с 1-й по 20-ю). На СГО-2 расположены 20 усилителей (10 рабочих и 10 резервных) вызывных частот (с 21-й по 30-ю), 20 усилителей (10 рабочих, 10 резервных) для сигналов частот циркулярного вызова (с 31-й по 40-ю), два усилителя (рабочий и резервный) сигнала отбойной частоты 41, два усилителя (рабочий и резервный) сигнала маркерной частоты 42. На каждом стативе (СГО-1 и СГО-2) все активные блоки (усилители, блоки питания) резервируются. На резервный комплект можно переходить как автоматически, так и вручную. На резерв переводятся отдельные блоки или комплект в целом. Автоматически перейти на резерв можно при отключении или резком уменьшении (на 40..60 %) выходного напряжения усилителей основного комплекта. С резервного комплекта на основной переходят только вручную.
Комплект коммутационного оборудования ЦРС, модернизированный, рассчитан на подключение: восьми дуплексных радиоканалов двустороннего действия; двух пятипроводных соединительных линий двустороннего действия к пункту центрального диспетчера; 36 четырехпроводных соединительных линий двустороннего действия к пунктам ведомственных диспетчеров; четырех четырехпроводных соединительных линий двустороннего действия к пункту дежурного техника; четырех трехпроводных соединительных линий от АТС к комплектам реле соединительной линии, входящей ККОЦС; четырех двухпроводных соединительных линий в АТС от комплектов реле соединительной линии, исходящей ККОЦС. Комплект обеспечивает включение максимум 889 радиоабонентов. Допускается возможность деления оборудования на два полублока по четыре радиоканала в каждом с числом радиоабонентов в каждом полублоке не более 989. В этом случае соединительные линии от ведомственного и центрального диспетчеров, а также входящие в городскую АТС могут оставаться общими для всех радиоканалов.
По входящим соединительным линиям от городской АТС обеспечивается автоматическое соединение максимум с одной (любой) сотней радиоабонентов из числа всех включенных в комплект. При вызове других радиоабонентов со стороны абонентов городской АТС, соединение устанавливается через пункты ведомственных диспетчеров. Комплект предусматривает совместную работу со стативами СГО-1 и СГО-2. Для индивидуального избирательного вызова радиостанции используется комбинация сигналов трех частот из 30 (F1-F30); для циркулярного вызова группы абонентских радиостанций одна из 10 (F31-F40).
В ККОЦС-М предусматривается возможность организации 10 групп радиоабонентов с циркулярным вызовом. Сигнал частоты F41 используется в качестве отбойного, сигнал F42 для маркировки свободного канала.
В ККОЦС-М обеспечиваются виды связи при следующей нумерации абонентов:
радиостанция может иметь индивидуальный избирательный вызов при наборе номеров 001..109 и 120..999;
группы радиостанций могут иметь циркулярный вызов при наборе номеров 010..119;
ведомственные диспетчеры имеют двузначную нумерацию с 11..19 и с 21..29, по две равнодоступные соединительные линии на один номер;
при небольшом числе ведомственных диспетчерских пунктов и использовании для них не более 12 пар соединительных линий, по четыре на один диспетчерский пункт, в коммутационном оборудовании допускается организация однозначной нумерации ведомственного диспетчера (ВД) с номерами 1..6, по две или четыре равнодоступные соединительные линии на каждый номер;
центральный диспетчер при вызове его со стороны радиостанции использует номер 0, при вызове со стороны ВД - 000;
выход на городскую АТС со стороны радиостанции - набор цифры 8 при исходящей связи с последующим набором номера абонента городской АТС;
набор цифры 9 при входящей связи на радиостанцию со стороны АТС с последующим набором трехзначного номера радиостанции;
при вызове радиостанции на АТС необходимо набирать присвоенный номер выхода на систему и далее две последние цифры "десятки" и "единицы" индивидуального избирательного номера радиостанции;
при вызове дежурного техника со стороны радиостанции набирается номер 7. Соединение с ним происходит при наборе абонентами незадействованных номеров (например, 10 или 20).
Коммутационное оборудование рассчитано на уровень сигнала на выходе приемника радиооборудования (0 ы 1,74) дБ и обеспечивает на выходе передатчика уровень минус (13+1,74) дБ при затухании в соединительных линиях между коммутационным и радиооборудованием не более 1,74 дБ.
Комплект коммутационного оборудования ЦРС состоит из трех стативов, устанавливаемых в помещении в один ряд и соединяемых между собой кабелями, и пульта сигнализации дежурного техника, устанавливаемого на его рабочем месте.
Пульт сигнализации дежурного техника предназначен для сбора и отображения информации о состоянии коммутационного и генераторного оборудования, ведения контроля и переговоров по любому из них. В пульт вводится линия служебной связи с радиооборудованием, являющаяся одновременно линией передачи сигнала аварии радиооборудования.
Модернизированный комплект коммутационного оборудования диспетчерского пункта (ККОДП-М) предназначен для коммутации при всех связях центрального диспетчера, ведомственного диспетчера или дежурного техника с радиостанциями, абонентами ГАТС, прямым абонентом или центральным диспетчером другого ствола, а также для соединения перечисленных абонентов между собой. Комплект рассчитан на подключение:
шести пятипроводных и четырехпроводной соединительных линии двустороннего действия к ККОЦС-М;
четырехпроводных соединительных линий двустороннего действия к АТС; двух четырехпроводных соединительных линий двустороннего действия к оборудованию прямого абонента или центрального диспетчера другого ствола;
линий внешней сигнализации.
Он обеспечивает одновременный разговор шести соединенным парам абонентов и участие диспетчера или техника в разговоре любой из пар абонентов на правах третьего лица и состоит из одностороннего статива коммутации диспетчера и пульта управления диспетчера.
В условиях среднепересеченной местности (колебания высот местности на расстоянии 10..30 км от ЦРС не превышают 50 м) при установке антенны ЦРС на высоте 100 м от уровня земли и длине фидера, соизмеримой с высотой установки антенны, дальность связи в системе "Алтай-3М" по отдельным направлениям в зависимости от рельефа местности может колебаться от 10 до 30 км.
4.2. Выводы.
Используемое в РТСОП-Б3 для увеличения числа обслуживаемых абонентов наращивание стволов в системе не эффективно с точки зрения использования радиочастотного спектра. Увеличение числа рабочих каналов при ограниченной территории приводит к увеличению числа центральных и абонентских радиостанций, работающих с большой мощностью (центральные 30..50 Вт, абонентские 8..12 Вт), что ухудшает электромагнитную обстановку на этой территории и особенно в самой системе. Так как в системе частоты рабочих каналов расположены по определенному закону (например, через 25 кГц), то вероятность возникновения интермодуляционных помех значительно возрастает, что приводит к ухудшению качества обслуживания абонентов и в конечном итоге может помешать увеличению числа обслуживаемых абонентов. Кроме того, число рабочих каналов не может увеличиваться беспредельно из-за ограниченности радиочастотного спектра, выделяемого подвижной службе.
Имеется еще один недостаток системы с большой зоной. Для вызова определенного абонента ПО необходимо передать сигнал только в направлении этого абонента. Но так как ЦРС имеет антенну с круговой диаграммой направленности, помехи создаются для всех других радиостанций, расположенных в зоне обслуживания.
Раздел V. Международные стандарты ССПС
и их характеристики.
5.1. Развитие ССС.
Перечислим основные достоинства радиотелефонной системы общего пользования с малыми зонами по сравнению с системами с большими зонами: большие капиталовложения для создания системы с большой емкостью; меньшая стоимость в пересчете на один ПО и при использовании большого числа ПО; меньшая мощность передатчиков. Поэтому не случайно сотовые системы планируются для охвата больших территорий и большого числа абонентов.
В настоящее время ССС получили широкое распространение в большинстве зарубежных стран. К 1985 г. они функционировали в США, Скандинавских странах (Швеция, Норвегия, Дания и Финляндия) и Японии. В 1985 г. ССС TACS была введена в эксплуатацию в Лондоне. В ФРГ была развернута система CD 450 в диапазоне 450 МГц, а в 1987 г. начала действовать цифровая ССПР второго поколения CD 900, работающая в диапазоне 900 МГц. В Скандинавских странах к 1985 г. было зарегистрировано более 180 тыс. абонентов, а темпы роста опережают ранее сделанные прогнозы. Самые высокие показатели степени охвата этими системами населения достигнуты в Норвегии, где на 100 жителей приходится 24 абонента сотовых систем.
В США ССС развернуты к настоящему времени в 72 городах. Число пользователей этих систем на сентябрь 1985 г. составило 190 тыс. Самая большая система эксплуатируется в Лос-Анжелесе (30 тыс. пользователей). Подобные системы развернуты также в Чикаго (28 тыс.), Далласе (18 тыс.) и ряде других городов страны. Число абонентов в процентном отношении от населения составляет для крупных городов 0,29-0,64%, для мелких примерно 0,1%. По прогнозам к 1990 г. в США будет 1,5 млн. абонентов, а к 1993 г. - 3,8 млн.
В январе 1985г. введена в эксплуатацию ССПС в Великобритании (г.Лондон). Таким образом, Великобритания стала четвертым регионом мира, в котором действует ССПС. Именно поэтому опыт эксплуатации английской ССПС TACS привлек особое внимание специалистов.
В Великобритании две фирмы Cellnet и Racal-Vodafone участвуют во внедрении ССПС. К концу 1985г. планировалось ввести ССПС на той части территории, где проживает 60% населения, а к середине 1986г. охватить территорию с 80% населения.
Кроме ССПС общего пользования, в Великобитании существует большое число ВСПС. На сентябрь 1985г. в Великобритании в обращении находилось 293 тыс. мобильных и 81 тыс. портативных радиостанций, принадлежащих к различным ВСПС.
Отметим также, что в Великобритании к 1986г. действовало 400 тыс. малогабаритных (карманных) радиоприемников персонального вызова СПРВ для местного поиска и 250 тыс. радиоприемников СПРВ, предназначенных для поиска на больших территориях. Таким образом, в суммарное число абонентов ВСПС и число абонентов СПРВ превышало очень быстро растущее число абонентов ССПС (примерно по 400 абонентов в неделю).
Первоначальный опыт эксплуатации ССПС в Великобритании позволил выявить недостатки, присущие внедренным системам. В редакционных заметках журнала Communications отмечается, что в ЧНН (16.00-17.00) вероятность канала абонентом равна 50-70%. Фирма Racal-Vodafone считает, что 30% абонентов в ЧНН не могут получить канал для связи, фирма Cellnet утверждает, что 20% абонентов не получают канал из-за автомобильных пробок. Принято решение построить в Лондоне еще одну АТС для ССПС (АТС-П). Вместе с тем можно предположить, что каналов в ЧНН не хватает не только потому, что их недостаточно, но и потому, что повторные вызовы приводят к росту помех, которые ухудшают функционирование ССПС.
В 1990 г. 90% населения Великобритании имело доступ к ССС, а число абонентов достигло 250 тыс.
Имеются данные о внедрении ССПР в Нидерландах, Испании, Швейцарии, Люксембурге, Тунисе, Омане, Саудовской Аравии, Малайзии, Таиланде, КНР, Исландии и др.
Характерной особенностью современного развития ССПР является быстрый рост числа их пользователей. Так, с мая 1986 г. по май 1987 г. количество пользователей ССС во всем мире удвоилось и составило 1,5 млн., из которых 763 тыс. - в США, 550 тыс. - в северных европейских странах (Дания, Финляндия, Исландия, Швеция и Норвегия).
Рассмотрим некоторые ССС.
5.2. Система АМРS.
Введена в эксплуатацию в США в 1979 г. Система работает в диапазоне 825-890 МГц и имеет 666 дуплексных каналов при ширине канала 30 кГц. Мощность передатчика для БС составляет 45 Вт, для АС - 12 Вт (в случае переносного аппарата - 1 Вт). В системе применяются антенны с шириной диаграммы направленности 120 град., устанавливаемые в углах ячеек. БС подключены к ЦС с помощью проводных линий, по которым передаются речевые сигналы и служебная информация. ЦС сконструирована с использованием электронной АТС ЕSSI/А. БС состоит из блоков типовых конструкций и содержит несколько стоек приемопередающего тракта, процессоров и аппаратуры управления и контроля. Каждая стойка рассчитана на 16 каналов, а всего полностью укомплектованная БС может обслуживать 144 рабочих канала.
В системе используется разнесенный прием сообщений, поэтому входные цепи БС содержат две антенны и полосовые фильтры. Приемник является двухканальным с двойным преобразованием частоты в каждом канале. Блок контроля выполняет функции контроля и диагностики состояния станции.
Для принятия решения на переключение каналов в системе осуществляется периодический контроль качества каждого канала путем измерения интенсивности принимаемого сигнала с помощью специального приемника. Информация об уровне сигнала в измеряемом канале передается на ЦС, где производится сравнение принятой информации с аналогичными данными соседних БС и, в случае необходимости, принимается решение о переключении.
Абонентский комплект включает три блока: приемопередатчик с синтезатором частоты на 666 каналов; блок управления, состоящий из наборного поля и панели индикации, и блок логики, построенный с использованием микропроцессора INTEL-8080.
5.3. Система ТАСS.
По принципу построения, сопряжению между станциями и организации управления почти полностью идентична системе AMPS. Отличие состоит в ширине каналов и пиковой девиации частоты: в системе АМРS ширина канала равна 30 кГц и пиковая девиация частоты 12 кГц, а в системе ТАСS - 25 и 9,5 кГц соответственно. В рассматриваемой системе используются 1000 дуплексных каналов, из которых 956 являются речевыми и две группы по 21 каналу используются как каналы сигнализации. В речевых каналах применяется ЧМ, а в канале сигнализации - двоичная частотная манипуляция.
В сельской местности радиусы рабочих зон (ячеек сотовой сети) достигает 30 км, в городе - 200 м. Используются ненаправленные антенны. Коэффициент повторения частот С=7. Предусмотрена автоматическая регулировка мощности: для автомобильного СРТ на 32 дБ, для портативного СРТ на 20 дБ.
Сигналы сигнализации служат для организации дуплексного канала связи между базовой и абонентской станциями. Сигналы сигнализации имеют коэффициент повторения Супр=7*3=21, причем используются частоты 5970, 6000, 6030 Гц. Сигнал сигнализации с частотой 800 Гц является ответным сигналом и передается абонентской станцией.
Ниже приведены эксплуатационные характеристики ССПС TACS фирмы Cellnet на март 1985г.
Число вызовов на одного абонента в день 2,5
Час наибольшей нагрузки (ЧНН) 16.00-17.00 ч
Число вызовов в ЧНН 2500
Доля исходящего вызова подвижного абонента, % 80
Среднее время разговора по местным линиям, с 120
Среднее время разговора по международным линиям, с 240
Время переключения, с 0,33
5.4. Система NMT.
Развернута в Скандинавских странах. В настоящее время является одной из наиболее разветвленных. Разработка ССС NMT 450 была закончена в 1978 г., а эксплуатация начата в 1981 г. К 1985 г. число абонентов системы достигло 180 тыс., а рост их числа составлял 5 тыс. в месяц.
Система работает в диапазоне 450-467 МГц, имеет 180 каналов шириной 25 кГц. За счет многократного использования эффективное число каналов составляло 5568. Среднее число каналов, выделяемое БС, равно 30. Мощность передатчика БС 50 Вт, а АС - 15 Вт. Время переключения каналов составляет примерно 500 мс. Ячейки с радиусом, выбираемым в пределах от 5 до 25 км, покрывают территорию всех четырех стран. В перспективе система будет содержать более 900 БС, а число пользователей превысит 200 тыс.
ЦС создана на базе типовой электронной коммуникационной системы АХЕ/10 с добавлением необходимых для функционирования ССПР узлов. На БС применяется модульная структура, позволяющая наращивать количество канальных блоков и тем самым число абонентов. К антенне станции подключаются, как правило, 10-12 приемопередатчиков.
АС выполняется с применением микропроцессоров. Наиболее совершенная из них MD 25-Combi имеет встроенную память на 50 номеров. Кроме того, предусмотрено ведение переговоров с помощью выносного переговорного устройства. В системе обеспечивается возможность переключения в процессе разговора при неизменном местоположении абонента на освободившийся канал, характеризуемый более низким уровнем помех.
В настоящее время осуществляется внедрение нового варианта системы, работающего на частоте 900 МГц - NMT-900. Функции ЦС в ней выполняет электронная АТС типа DX-210 или DX-220, обеспечивающая от 12 до 100 тыс. вызовов в час. Станции специально модернизированы с целью применения в ССПР, имеют программное управление, предназначенное для перевода АС подвижного объекта из одной ячейки в другую. Для этого по команде ЦС соответствующий БС выполняют измерение отношения сигнал/шум. По результатам измерений ЦС выбирает зону с лучшим качеством связи.
В системе применяются БС нового поколения, предназначенные для работы в ячейках малого радиуса (R = 2 км). Максимальная выходная мощность станций не превышает 15 Вт, при этом возможно ее оперативное уменьшение. В системе может использоваться также переносной абонентский аппарат с элементами питания напряжением 12 В, рассчитанным на работу в течение 8 - 10 ч. Выходная мощность аппарата заключена в пределах 3 - 7 Вт с числом уровней регулировки мощности, равным 8.
5.5. Система NEC
Система NEC стала использоваться в декабре 1979 г. Она содержит 13 ячеек, периферийные пригородные зоны содержат более 25 ячеек. Установлено, что предельное число обслуживаемых абонентов будет 100 тысяч ( около 6000 квадратных километров) с использованием в системе 1000 каналов, трафик в часы пик составил 0,01 Эрл на абонента.
Система NEC имеет девять уровней иерархии, включая абонентов городской АТС и ПО. Обслуживаемая территория делится на мелкие зоны низового уровня радиусом 5...10 км (дальность действия стационарного зонального ретранслятора) и большие зоны (зональные группы, полученные объединением нескольких соседних мелких зон) радиусом 10...20 км, в которых осуществляется управление зональными ретрансляторами с помощью стационарной коммутирующей станции более высокого уровня иерархии. Каждая такая станция обслуживает одновременно от 8 до 32 мелких зон, объединенных в зональную группу (в зависимости от плотности распределения абонентов), и обеспечивает коммутационную емкость соответственно 5000...20000 абонентов. Абонентам, находящимся в пределах одной мелкой зоны, одновременно может быть предоставлено от 12 до 32 каналов. Каждая зона имеет присвоенные радиоканалы, несколько групп радиозон образуют зону со станцией управления базовыми станциями. Несколько зон управления образуют зону, в пределах которой сигнал вызова абонента ПО передается от каждой базовой станции одновременно. Информация о переходе ПО границы вызывной зоны и факт его перемещения в другую зону передается на радиотелефонный коммутационный центр.
Многоступенчатое управление подключением радиостанции ПО к телефонной сети имеет следующую структуру: АТС - коммутационный центр - станция управления - базовая станция - абонент ПО.
Максимальное число объектов:
- Станции управления на один коммутационный центр.. 6
- Базовые станции на одну станцию управления....... 32
- Радиоканалы на одну базовую станцию.............. 128
- Обслуживаемые ПО................................. 1,6 млн
Автоматический поиск свободного канала осуществляется с помощью выделенных каналов управления, которые являются общими для всех радиоволн одной зоны управления. Для автоматизации процессов управления вызовом используются следующие линии передачи данных: коммутационный центр - станция управления (скорость передачи данных 1200 бит/с), станция управления базовая станция (300 бит/с), базовая станция - абонент ПО (радиоканалы).
Вызов от абонента ПО начинает формироваться, как только снята трубка телефона. Сигналы вызова поступают на ближайшую базовую станцию, где сравниваются их уровни по каналам управления от каждой базовой станции, определяется наиболее пригодная базовая станция для формирования ТЛФ канала, фиксируется ТЛФ канал для абонента ПО и коммутационного центра; радиотелефон абонента настраивается на частоту выделенного ТЛФ канала, а коммутационный центр подключает к АТС выделенный ТЛФ канал. При перемещении ПО из одной радиозоны в другую в процессе разговора абонента (т.е. при ухудшении отношения сигнал-шум на приемной стороне ТЛФ канала базовой станции) станция управления определяет из всех каналов базовых станций канал с наилучшим отношением сигнал-шум и передает абоненту на коммутационный центр информацию о переключении к новому ТЛФ каналу.
В состав радиотелефонного коммутационного центра входит электронная коммутационная система D/10ESS, модифицированная под радиотелефонную службу, которая например, коммутируется в соответствии с вызовом абонента, запоминает информацию о его расположении, обрабатывает и хранит информацию об абонентском счете.
В состав каждой базовой станции входит более 100 передатчиков и приемников для каналов управления ТЛФ каналов. В стандартной стойке габаритными размерами 2100 х 520 х 225 мм размещаются 4 передатчика или 32 приемника.
Автомобильная радиостанция состоит из приемопередатчика с цифровым радиотелефонным терминалом, блока управления и антенны.
Приемопередающая и коммутирующая аппаратура зональной стационарной станции системы выполнена полностью на полупроводниковых элементах. Основными составными элементами радиотракта станции являются мощный передатчик, высокочувствительный приемник и многоканальный автоматический коммутатор с синтезатором частоты, что принципиально отличает новую систему от систем аналогичного назначения предшествующих модификаций, использующих диапазон частот 150... 450 МГц. Мощность передатчика может быть 2,5; 5; 10 или 25 Вт в зависимости от предполагаемого радиуса обслуживаемой зоны, при этом уровень его шумов 70 дБ, а отношение сигнал-шум на его выходе 45 дБ при передаче как речевых сообщений, так и данных. Такое же отношение сигнал-шум на выходе приемника.
- Рабочий диапазон передающего тракта, МГц....... 800
- Число автоматически коммутируемых каналов...... 600
- Разнесение каналов по частоте, кГц............. 25
- Мощность излучаемых сигналов, Вт............... 5
- Отношение сигнал-шум, дБ....................... 40
- Рабочий диапазон приемного тракта, МГц......... 900
- Избирательность, дБ, в полосе ы 16 кГц, не менее 70
- Габаритные размеры блока приемопередатчика, мм. 90x230x320
- Масса, кг...................................... 8,5
- Диапазон рабочих температур, S0o TC
-60...+60
- Питание от источника постоянного тока
напряжением, В.................................. 13,8
- Ток потребления, А:
в режиме ожидания и приема................... 1
при работе на передачу....................... 4
Основные функции управления выполняют два блока управления: мобильной и базовой станции. Каждый из них состоит из нескольких субблоков в соответствии с имеющимися каналами управления и контроля, в которых используются восьмиразрядные микропроцессоры.
В системе предусмотрена связь с абонентами подвижного объекта, находящегося в туннеле. Для этого над входом в туннель устанавливается вспомогательная радиорелейная станция, обеспечивающая ретрансляцию сигналов от базовой станции к абоненту ПО и обратно. Связь внутри туннеля поддерживается двумя способами. В прямом туннеле используется 12-ти элементная антенна, и удовлетворительное качество связи обеспечивается без промежуточных переприемных устройств на расстоянии 300...400 м. Можно обеспечить связь с помощью проложенного внутри туннеля излучающего коаксиального кабеля, с простыми простыми промежуточными усилителями, компенсирующими потери в кабеле. Вспомогательная радиорелейная станция - необслуживаемая. Предусмотрен контроль как самой станции, так и промежуточных усилителей.
Для определения местоположения ПО в системе используется триангуляционный метод, сущность которого заключается в одновременном измерении уровней сигнала, излученного антенной автоматического передатчика, в трех точках - тремя ближайшими зональными стационарными станциями коммутации и связи данной системы с последующим автоматическим сравнением значений этих уровней. Каждому сочетанию измеренных таким образом трех уровней сигнала вблизи приемных антенн в трех пространственно-разнесенных точках соответствует определенная точка нахождения ПО при идеальных условиях распространения сигналов. Из-за замираний и других негативных факторов метод допускает погрешность, значение и характер которой зависят от условий распространения радиоволн.
Следует отметить, что благодаря использованию интегральных схем, микропроцессоров и другой современной элементной базы удалось не только создать сравнительно недорогое оборудование, но и обеспечить вычислительную мощность и способность к оперативному перепрограммированию функций для удовлетворения сложных требований по управлению и техническому обслуживанию сотовой системы в целом и отдельных ее составных частей.
5.6. Система NAMTS и NTT.
Разработана в Японии. NAМNS является дальнейшим развитием системы с зоновым обслуживанием фирмы NEC. Характерной особенностью NAMTS является высокая производительность электронной ЦС при емкости сети 10 тыс. абонентов. Система с одной ЦС работает в диапазонах 400 и 800 МГц и обслуживает до 30 малых радиозон с радиусами от 2 до 25 км. NAMTS содержит 240 каналов, использует для установления связи два служебных канала, обеспечивающих автоматическое соединение вызовов, и имеет чрезвычайно широкую номенклатуру сервиса. Однако рост числа абонентов потребовал разработки системы большей емкости.
В 1979 г. корпорацией NTT в районе Токио была внедрена ССС емкостью до 100 тыс. абонентов. Планирование системы основано на разделении территории обслуживания на ячейки радиусом 5 км (10 км для сельской местности), в центре которых расположены БС. Все абоненты распределены по категориям приоритета, в соответствии с которыми им предоставляется 600 или 1000 дуплексных каналов, поэтому при межканальном разносе 25 кГц общая ширина полосы частот составляет 2-25 МГц. Особенностью ССС NTT является территориально-частотное планирование системы управления, построенной по методу больших зон обслуживания. При этом несколько ячеек (обычно 12-16) образуют зону управления, в которой установлена промежуточная станция управления, подключенная к нескольким БС и ЦС кабельными линиями. Каждой зоне управления предоставлены общие для всех БС дуплексные служебные каналы - вызывной (ВК) и канал доступа (КД), информация по которым передается со скоростью 300 бит/с методом частотной манипуляции (ЧМн). С целью повышения достоверности приема сообщений в несинхронных управляющих каналах соседних БС использован метод разнесенной передачи со смещением несущей частоты на 500 Гц. Однако применение этого метода привело к необходимости разработки отдельного приемопередатчика каналов управления с повышенной стабильностью генератора несущих частот.
5.7. Система AURORA.
Одной из перспективных ССС считается система AURORA, разработанная канадской фирмой NOVATEL. Ее основным отличием от рассмотренных систем является отсутствие ЦС подвижной связи, т.е. предполагается переход к распределенному принципу коммутации и управления. Такой подход позволил на 40% сократить первоначальные затраты, а эксплуатационные расходы снизить на 60%. Подсчеты специалистов показали, что общая экономия составит около 22 млн. дол. В системе с распределенным управлением вызовы из каждой ячейки поступают на ближайшую АТС обычной телефонной сети. Это определяет функциональную гибкость ССС, а также возможность ее расширения в условиях городской и сельской местности. Система AURORA работает в диапазоне 400 МГц и может быть перестроена на 150 или 800 МГц. Для нее выделено 240 каналов, в которых используется узкополосная ЧМ-12,5 кГц для передачи речевых сообщений, в то же время служебная информация передается методом дифференциальной фазовой манипуляции. Распределенная коммутация и управление представлены многоуровневой иерархической структурой. Локальная станция подвижной службы, к которой подключены БС, представляет собой микропроцессорную систему, выполняющую функции распределения каналов связи и сопряжения с БС по цепям сигнализации. Региональная станция подвижной службы работает как концентратор связи, к которому может быть подключено 27 локальных станций, и имеет выход в телефонную сеть. Главная станция подвижной службы выполняет функции статистического и координационного центра системы. Абонентская станция оснащена мощным микропроцессорным устройством, что дало возможность использовать подобную АС как в ССС, так и в централизованных системах подвижной связи.
5.8. Система ARTS.
Разработка фирмы Motorola (США). ССС с расширенной коммутацией, совместима с AMPS с точки зрения использования АС, разработанных в переносном варианте с выходной мощностью 1 Вт. С целью сохранения баланса уровней принимаемых сигналов в ARTS предусмотрена регулировка выходной мощности АС, которая выполняется автоматически по командам БС. В радиотракте использованы направленные 60-градусные антенны, обеспечивающие хорошее качество связи.
5.9. Стационарная сотовая радиотелефонная сеть RSS.
Одним из наиболее интересных направлений в развитии систем с сотовой структурой является построение стационарных радиотелефонных сетей для связи с удаленными абонентами. Важным преимуществом таких систем является использование радиоканала для обмена сообщениями между ячейками и коммутационной станцией. При таком подходе достигается существенное снижение удельных затрат на одного абонента и быстрый ввод всей системы в эксплуатацию. Фирма NEC разработала цифровой вариант сотовой системы связи RSS для радиотелефонной связи абонентов, рассредоточенных на площади радиусом 600 км. Территория обслуживания разделена на ячейки радиусом 30 км, в центре каждой установлен приемопередатчик, который работает не только как БС, но и как ретранслятор, передающий сообщения с соседнюю ячейку. Для передачи речевых сообщений используется адаптивная дифференциальная ИКМ с временным уплотнением каналов и скоростью передачи 32 кбит/с. В одной из ячеек располагается ЦС, от которой передается цифровой поток информации в виде последовательности кадров. Каждый кадр длительностью 4 мс (2816 бит) содержит 16 временных каналов, один из которых служебный. Одна БС обслуживает до 21 абонента, непосредственно подключенных к ней с помощью средств проводной связи, и, кроме того, осуществляет радиосвязь в своей ячейке с удаленными АС, к каждой из которой можно подключить до 21 абонентского комплекта. Приняв информацию из соседней ячейки, БС выделяет необходимые сведения для своих абонентов, регенерирует оставшуюся часть и транслирует на другой частоте в следующую ячейку. В случае, когда временные каналы свободны, в RSS предусмотрена возможность выключения передатчиков на определенный промежуток времени, что дает заметную экономию потребляемой мощности. Таким образом, система RSS является универсальной с точки зрения структуры разветвления, обладает высокой экономической и спектральной эффективностью.
5.10. Перспективы развития ССС.
5.10.1. Цифровые ССПС с шумоподобными сигналами.
Следующее поколение сотовых систем предусматривает использование цифровых ССПС, обладающих большим числом абонентов и высоким качеством передачи речевых сообщений и данных в цифровой форме. Цифровая ССПС (Cellular Digital Radio Communication System CD900), предназначенная для работы в диапазоне 900 МГц, использует широкую полосу частот, несколько алгоритмов доступа и аппаратуру цифровой обработки сигналов. Для повышения помехоустойчивости используются многопозиционное кодирование и шумоподобные сигналы (ШПС). Система CD900 используется как составная часть интегральной цифровой сети связи.
К системе CD900 на этапе разработки были предъявлены следующие требования:
- высокая пропускная способность для обслуживания большого числа подвижных абонентов (порядка 10 S06 T на сеть);
- высокая частотная эффективность использования отведенного диапазона частот;
- высокое качество передачи при высокой помехоустойчивости;
- большие функциональные возможности, в том числе полное дуплексное обслуживание, автоматический перевод абонентов с одной базовой станции на другую, автоматический поиск абонентов на всей территории обслуживания, меры по защите информации и предотвращение несанкционированного доступа в систему;
- обмен речевыми сообщениями и различного рода данными, а также дополнительные сервисные возможности, в том числе передача сигналов бедствия, персональный радиовызов и т.п.
В 1979 г. ВАКР выделила диапазон частот 860..960 МГц (сокращенно: диапазон 900 МГц) для разрабатываемых систем подвижной связи. Для дуплексной связи в Европе выделяются две полосы частот 2 x 25 МГц в этом диапазоне.
В 1983 г. группа GSM (Group Service Mobile) в составе СЕРТ начала разрабатывать общеевропейский стандарт для будущих ССПС в диапазоне 900 МГц. В начале 1985 г. эта группа приняла решение о концентрации усилий на разработке цифровых систем передачи информации. Именно поэтому для будущей системы был выбран диапазон 900 МГц.
Описываемая система CD900 является полностью цифровой, что позволяет обеспечить высокое качество передачи информации между подвижным и стационарным абонентами. Использование цифровой коммутации и цифровой обработки соответствует идеологии интегральной цифровой сети связи. Для передачи телефонных, телексных и факсимильных сообщений рекомендуется использовать скорость передачи 64 кбит/с и применять соответствующие модемы. Переход к широкополосной цифровой радиосвязи позволяет применить многостанционный доступ с временным разделением каналов (МДВР). Для борьбы с многолучевостью и взаимными помехами рекомендуется использовать цифровую обработку широкополосных ШПС. В широкополосной цифровой ССПС помимо МДВР используется частотное (на основе сотовой структуры) и кодовое (на основе применения ШПС) разделения каналов. Для реализации всех перечисленных методов необходимо широко использовать СБИС и микропроцессоры.
При проектировании системы CD900 предусматривалась ее совместимость с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ), используемой в ТФОП. Предполагается, что эта система будет обслуживать 1 млн. абонентов на площади ФРГ (250 тыс. км S02 T). Ожидаемая интенсивность трафика в ЧНН составит 0,015 Эрл/абон., что соответствует 15 тыс. одновременных вызовов. При упомянутой интенсивности трафика (0,015 Эрл/абон. + 100%-ный резерв) и среднем радиусе зоны 10 км необходимо иметь 38 информационных каналов на одну базовую станцию (БС). В центре каждой ячейки шестиугольной формы расположена БС с тремя секторами обслуживания. Каждая БС работает ка концентратор, обеспечивая доступ в систему нескольким абонентам. Кадр МДВР изображен на рис.12.
Длительность кадра равна 31,5 мс, это время делится на 63 временных интервала по трем группам, каждая из которых принадлежит одному из трех секторов БС. Каждый временной интервал используется как временной канал в МДВР. Из 63 каналов три являются каналами сигнализации (КС), т.е. служат для управления системой, а остальные 60 - информационными каналами (ИК). Периодически каждый информационный временной канал просматривается на занятость. Скорость передачи составляет примерно 1,5 Мбит/с. При равномерном распределении трафика каждой из трех антенн БС последовательно выделяется временной интервал, содержащий 20 информационных каналов и один канал сигнализации, который выполняет функции управляющего канала. Каждый временной (канальный) интервал делится на четыре части: синхросигнал (преамбула); стартовый сигнал, определяющий начало передачи информации (флажок); информационная часть (504 бит) и защитный интервал.
Базовые станции (рис.13) через узловые АТС-П подключаются к телефонной сети общего пользования (ТФОП). Управляет ССПС СD900 центральная станция (ЦС).
Предполагается, что в системе СD900 будут приняты меры для борьбы с многолучевостью, затенениями, межканальными и взаимными помехами, организованными помехами и шумами. Результирующая скорость передачи 1,5 Мбит/с. Для борьбы с многолучевостью используется разделение лучей при передаче широкополосных ШПС с их последующим накоплением. При расширении спектра применяются 32 кодовых слова по 32 бита, каждое из них первоначально содержит 5 бит информации. При переходе к биортогональным словам, а затем к квадратурному кодированию каждое слово содержит уже 12 бит, которые переносятся 32 двоичными единицами, т. е. расширение спектра равно 2,67.
На рисунке 14 приведена структурная схема передатчика, а на рис. 15 - структурная схема приемника системы CD900. На схемах приведены блоки, характерные для БС и АС. Мощность передатчика БС 25 Вт, мощность передатчика мобильной АС 4 Вт и мощность передатчика портативной АС 0,1 Вт. Приемник имеет три блока обработки: согласованный фильтр, многоканальный коррелятор и решающее устройство. В качестве синхросигнала используется псевдослучайная последовательность из 127 двоичных единиц, дающая выигрыш 20 дБ. Обработка 32 кодовых последовательностей дает выигрыш 15 дБ. Используется также кодовое разделение и частотное разделение с коэффициентом повторения частот, равным 3. В полосе 6 МГц располагается 60 каналов, а весь диапазон шириной 24 МГц делится на четыре поддиапазона по 6 МГц, в каждом из которых содержится 60 каналов БС. В системе CD900 спектр частот используется в 1,7...2,4 раза эффективнее, чем в системах с ЧМ и частотными каналами шириной 25 кГц.
Описанная система CD900 (рис. 13) имеет четырехуровневую структуру:
- телефонная сеть общего пользования (ТФОП);
- узловые АТС-П;
- базовые станции;
- абонентские станции.
Для управления используется система сигнализации МККТТ N 7, а в ТФОП для передачи информации применяется ИКМ 30. Для повышения надежности к каждой БС подходят две линии связи с ИКМ 30. В каналах сигнализации используются корректирующие коды Рида - Соломона. Отмечено, что применение вокодеров позволит снизить скорость передачи до 16 кбит/с и тем самым повысить помехоустойчивость. Система CD900 является перспективной системой ближайшего будущего.
5.10.2. Локальная сотовая система LCRN.
Принципы построения, методы модуляции и кодирования, применяемые в ССПС СD900, положены в основу разработки локальной сотовой системы (ЛСРС; Local Cellular Radio Network - LCRN) в диапазоне 60 ГГц. Ее назначение - организация радиосвязи между базовыми станциями, размещенными на подвижных базовых объектах. В свою очередь, каждая базовая станция может обслуживать подвижные абонентские станции в своей рабочей зоне (ячейке). Таким образом, ЛСРС отличается от ССПС тем, что в ЛСРС базовые станции являются подвижными и связь между ними в стационарном состоянии обеспечивается по радиоканалам. Для передачи речевой информации и данных в цифровой форме используется многостанционный доступ с временным разделением каналов (МДВР).
Сотовая организация ЛСРС позволяет эффективно использовать отведенную полосу частот. Так как система работает в диапазоне 60 ГГц, где велико затухание радиоволн в атмосфере, то поэтому максимальное расстояние между базовыми станциями не превышает 500 м. ЛСРС должна быть совместимой с ССПС CD900, разрабатываемой ФРГ. Поэтому модем ЛСРС и каналообразующая аппаратура совместимы с аппаратурой системы CD900.
Предполагается, что усилитель мощности передатчика выполнен на транзисторе с выходной мощностью 1 Вт. Для уплотнения и разделения каналов используется МДВР, а для борьбы с многолучевостью предполагается применять шумоподобные сигналы в виде фазоманипулированных сигналов или сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. Отмечаются следующие особенности системы CD900, которые надо учитывать при проектировании в ЛСРС:
- испытательная проверка многолучевого канала с изменением запаздывания и интенсивности лучей и запоминанием их в корреляторе при каждом интервале передачи;
- корреляционное обнаружение сигналов, следующих за синхросигналом;
- некогерентное суммирование наиболее мощных лучей и когерентное суммирование разделяющихся лучей;
- использование m - ичного кодирования.
На рис. 16 представлена структурная схема ЛСРС. Все станции системы находятся в синхронном режиме, что не является проблемой для локальных систем. Скорость передачи информации в канале 16 кбит/с в соответствии с рекомендациями EUROCOM D/1 и МККТТ G.700. В ЛСРС с МДВР кадр имеет длительность 10 мс и содержит 20 дуплексных каналов. В течение каждого канального интервала передается сначала синхроимпульс (преамбула), а затем информационная часть (162 бита), закодированная в 864 символа. В целом для системы ЛСРС с 20 базовыми станциями достаточно 64 дуплексных канала. Характеристики ЛСРС приведены ниже.
Если допуск на замирание 8 дБ недостаточен, то необходимо применять кодирование и ШПС. Целесообразно использовать ФТ или m-ичное кодирование вместо ЧТ. Для обеспечения дополнительного усиления применяется:
"веерная" или многолучевая антенная система с шириной диаграммы направленности 10 градусов по вертикали и 30 градусов по азимуту, обеспечивающая увеличение усиления для каждой базовой станции на 13 - 16 дБ;
повторное использование частотных каналов; при ожидающейся интенсивности трафика коэффициент повторения частот равен 3, что обеспечивает дополнительное усиление в 5 дБ.
Параметры ЛСРС
Частота, ГГЦ....................................... 60
Мощность передатчика, Вт........................... 1
Усиление антенны передатчика, дБ................... 10
Усиление антенны приемника, дБ..................... 10
Шум-фактор, дБ..................................... 12
Полоса УПЧ (64 дуплексных канала, 16 кбит/с), МГц.. 3
Требуемое отношение сигнал-шум в полосе УПЧ........ 9
Вероятность ошибки................................. 0,18
Допуск замирания и затенения, дБ................... 8
Общее усиление, дБ................................. 138
В предлагаемой ЛСРС нет центральной станции, поэтому возникает проблема эффективного распределения потоков информации при обмене данными между БС. При этом в системе необходимо решать следующие задачи: управление лучами антенн станций; установление соединений между абонентами; ввод и вывод станций в ЛСРС; выход БС в телефонную сеть общего пользования; операционный контроль и управление конфигурацией ЛСРС. При необходимости антенны переключаются с интервалом 0,25 мс в соответствии с параметрами кадра.
При установлении соединений между абонентами возможны следующие случаи: оба абонента соединяются через одну БС; две соседние БС соединены в линию; одна или более БС используются в качестве радиорелейных станций.
Соединение БС, дискретное по своей природе, обеспечивается на основе пакетного режима работы с использованием протокола таксированной системы ALOHA (S-ALOHA). Ввод и вывод новой БС в ЛСРС осуществляется через ближайшую БС, которая опознает ее и разрешает ей войти в связь. Однако остаются нерешенными ряд вопросов, в том числе:
неизвестна интенсивность трафика, которую можно получить при заданном числе частотных каналов;
не определена внутренняя структура системы обработки сигналов, т.е. не определены ее функциональные схемы и элементная база. В общем случае ЛСРС отличается от ССПС, так как ЛСРС не имеет четко выраженной сотовой структуры .
5.10.3. Системы персонального радиовызова.
Системы персонального радиовызова являются разновидностью систем радиосвязи. Они предназначены для передачи информационных сообщений абонентам, находящимся на подвижных объектах.
В целях обеспечения возможности эффективного использования системы персонального вызова территория страны разделяется на условные зоны. Так, в Великобритании имеется 340 зон радиовызова. Подобная структура принята и в других странах. Наибольшим спросом пользуются малогабаритные приемники, например портативные приемники фирмы NEC (Япония) с дисплеями и бегущей строкой, работающие с использованием цифровой и буквенной информации.
Активно решается проблема задействования в системах персонального вызова спутников связи. Планируется для организации международной системы персонального вызова задействовать как геостационарные спутники, так и спутники, расположенные и на любых других орбитах. Такие работы активно проводятся в США в диапазоне 800...900 МГц, и в Японии 20/30 ГГц.
Системы персонального вызова в зарубежных странах организуются по зонам, секторам, в городской черте. В каждую сеть входит свой радиоцентр с несколькими передатчиками. Вызов осуществляется по любому телефонному аппарату путем набора номера радиоцентра и 6-значного номера вызова приемника вызываемого абонента. Любой приемник имеет один или четыре номера вызова, которые отличаются только последней цифрой. Каждому номеру вызова соответствует определенная комбинация НЧ импульсов в диапазоне 470,8...979,8 Гц. В приемнике при поступлении сигнала вызова включается зуммер и зажигается одна из четырех сигнальных лампочек, каждой из которых соответствует определенная сообщение, например "Вызов учреждения", "Вернитесь в главную контору фирмы" и т.д. Особенностью приемника является способность автоматически контролировать напряженность поля сигнала. Когда уровень входного сигнала падает ниже установленного предела, приемник посылает аварийный сигнал.
Одной из проблем при создании масштабных систем персонального вызова (более 100 - 150 тыс. абонентов) была необходимость стандартизации сигнальной системы и формата кода для обеспечения совместимости приемников, изготовленных различными фирмами.
Для устойчивой работы в каждой зоне системы установлены 8 10 одноканальных передатчиков, управляемых ЭВМ. Пропускная способность системы около 14 тыс.выз./ч. Если не хватает емкости (занят передатчик), принятый номер вызова приемника автоматически ставится на очередь.
На центральном радиоузле все входящие в течение 2 мин сигналы тонального вызова записываются в ЗУ ЭВМ, затем преобразуются в ВЧ импульсы и передаются в эфир импульсами длительностью 10 с. Перед передачей сигналов вызовов излучается предварительный сигнал длительностью 1 с, который включает все индивидуальные приемники системы персонального вызова данной зоны. После этого сигнала приемники остаются включенными в течение 9 с. Благодаря такому режиму работы обеспечивается экономичное использование источников питания приемников.
5.11. Выводы.
Современные ССС совмещают преимущества радиосвязи и телефонии, обеспечивая подвижные и стационарные объекты возможностью ведения телефонных переговоров и передачи данных. Цифровые системы позволяют, кроме этих услуг, передавать на ПО и принимать от них телексные и факсимильные сообщения, графическую, медицинскую и др. виды информации. Доступ через ССПР к базам данных и сетям ЭВМ еще в большей степени расширяет возможности ПА в получении самой разнообразной информации.
Одним из основных достоинств ССПР является способность обеспечить высококачественной связью большое количество абонентов в условиях ограниченного частотного спектра. Решение этой проблемы основано на повторном использовании одних и тех же частот, разнесенных в пространстве. Таким образом, благодаря сотовому принципу построения систем связи в сочетании с цифровыми методами передачи информации достигаются высокая пропускная способность и частотная эффективность.
Кроме того, сотовые системы могут найти применение для обеспечения связью в короткие сроки новых районов застройки, а также абонентов, находящихся в труднодоступных районах.
Эффективным дополнением к существующим и перспективным ССПР являются спутниковые системы с сотовой структурой зон обслуживания.
Раздел VI. Поставки ССС зарубежными компаниями.
6.1. Экономические аспекты.
Предлагаемые зарубежными фирмами ССС экономически оправданы. Удельные затраты на одного абонента в них составляют 1000 - 2000 дол., т.е. по этому показателю они не уступают централизованным системам, но у последних существенно меньше пропускная способность.
По прогнозам на ближайшее десятилетие ожидается значительное падение цен на абонентское оборудование (до 350 дол. к 1993 г.), что вызывает массовое увеличение числа пользователей.
Оценивая обстановку на мировом рынке по сбыту ССПС, можно отметить ожесточенную конкуренцию между различными фирмами. Причиной этому служит возможность получения значительных прибылей от внедрения ССС, которые по прогнозам в США превысят в 1992 г. 2200 млн. дол.
Ряд фирм заключил соглашения о совместных разработках системного оборудования. Так, в системе AURORA оборудование БС будет изготавливаться по проектам фирмы Ericsson (Швеция). В настоящее время ведутся переговоры о совместной разработке ССС с большой пропускной способностью между концернами ФРГ и Франции. Фирма OKI (Япония) поставляет АС для системы AMPS. Образованы фирмы, которые предлагают свои услуги исключительно в части развертывания систем и контроля за их эксплуатацией. Системы типа NMT запущены в малых европейских странах и Саудовской Аравии.
6.2. Фирмы производители и поставщики ССС.
Основными фирмами производителями и поставщиками ССС и их компонентов являются Motorola (США), Ericsson (Швеция), АТ&Т (США), NEC (Япония), NT (Америка), Siemens (ФРГ), Nokia (Финляндия), ALCATEL-SEL (ФРГ), TRT (Франция), INTRA-COM (Греция).
В таблице 8 представлено количество абонентов различных стран, объединенных в единую мировую сотовую систему телефонной связи по состоянию на январь 1991 г.
Адреса фирм производителей представлены в Приложении D.
6.3. Эрикссон в мире сотовых систем телефонной
связи с подвижными объектами.
Сотовые системы телефонной связи с подвижными объектами это направление деятельности фирмы Эрикссон с наибыстрыми темпами роста. Кроме того, оно отличается самой интересной технической базой!
Абоненты подвижных систем устанавливают связь через системы производства фирмы Эрикссон чаще, чем через систему какого-либо другого изготовителя. Наши системы расположены в Скандинавии, Европе, Канаде, США, Латинской Америке, на Ближнем Востоке, Дальнем Востоке и и Австралии. Они представляют собой международные стандарты на системы подвижной связи всего мира NMT, AMPS, TACS, ADC и GSM.
Причины телефонной компании для выбора именно предлагаемого фирмы Эрикссон решения заключаются в нашей уникальной способности поставлять комплексную аппаратуру сотовой системы на базе развитой цифровой коммутационной технологии АХЕ Эрикссон, в наших базовых станциях и подвижных станциях. Мы принимаем на себя ответственность за всю систему от планирования ячеек и монтажа аппаратуры до обучения и технического обслуживания.
А/О Эрикссон Радио Системс является одним из 6-ти направлений (секторов) международного концерна Эрикссон с 70 тыс. сотрудников в 80-ти странах.
В остальные секторы концерна входят: системы и услуги для передачи речевых, информационных, текстовых и графических данных в сетях телесвязи общего пользования; системы связи с подвижными объектами для передачи речевых и информационных данных, также как и системы персонального поиска и беспроволочные системы телефонной связи; системы связи для передачи речевых и информационных данных в частных сетях; кабели, включая оптическое волокно, и проектирование и строительство сетей; компоненты и устройства электропитания; системы оборонного назначения.
Концерн Эрикссон завоевал свои восходящие позиции благодаря развитой технологии, компетенции в области сетей, и ориентации на заказчика на базе более, чем 100-летнего опыта в мире телесвязи.
В таблице 9 приведем поставки и внедрения фирмы Эрикссон ССС и их оборудование в различные мира.
6.4. Объем продажи фирмы Эрикссон.
Главным конкурентом фирмы Эрикссон на мировом рынке систем мобильной телефонии является фирма Моторола. Эриксон обеспечивает 40% объема на мировом рынке, Моторола - 26%, если считать по количеству обслуживаемых абонентов. В начале 1991 г. 4,2 млн. абонентов (из общего числа 10,5 млн. в мире) были подключены к системам Эрикссон.
Среди крупных американских фирм следует выделить АТ&Т и Northern Telecom. Эрикссон располагает 27% общего объема и является третьей по величине компанией после фирм Моторола и АТ&Т.
В Европе Эрикссон занимает доминирующее положение, располагая 69% рынка. Моторола находится на втором месте (19%) и Сименс - на третьем. Фирма Сименс установила единственную крупную систему в Германии, использующую собственный стандарт.
В странах Дальнего Востока господствуют, в основном, Эрикссон, Моторола и NEC (Nippon Electronic Company). Из этих трех компаний NEC устанавливает свое оборудование, главным образом в Японии. Кроме Японии, где имеются установки NEC и Моторола, фирма Эрикссон располагает 50% общего рыночного объема в дальневосточных странах.