Принципы работы беспроводных телефонов: частоты, системы связи и базовые станции

Частотное разделение и дуплексная связь. В большинстве моделей бесшнуровых телефонов для передачи и приема сигнала применяются две различные частоты в пределах одного диапазона. Использование одной частоты, за исключением случаев с мультиплексированием, обеспечивает лишь полудуплексный режим связи, при котором передача возможна только в одном направлении одновременно. Применение двух частот позволяет реализовать полнодуплексный режим, аналогичный обычным проводным телефонам, с одновременной передачей сигналов в обоих направлениях. Для минимизации радиопомех и предотвращения перехвата разговоров соседние аппараты используют различные участки разрешенного частотного диапазона.

Методы защиты и кодирования сигнала. Передача данных осуществляется с применением так называемых «защищенных тональных сигналов», представляющих собой комбинации частот. Эти последовательности постоянно варьируются по специальному алгоритму, что крайне снижает вероятность их случайного воспроизведения аппаратом соседа. Данный метод обеспечивает конфиденциальность связи и устойчивость к простым видам вмешательств. Таким образом, даже в рамках общего частотного диапазона достигается высокая степень защиты каждого отдельного канала связи.

Цифровые системы беспроводной связи. Система связи персонального доступа (PACS - Personal Access Communication System) является цифровым стандартом беспроводной связи, используемым в Северной Америке. Она функционирует в диапазоне 900 МГц, а ее отличительной особенностью являются аппараты с очень короткой гибкой антенной штыревого типа. Перед началом передачи система PACS выполняет алгоритм поиска незанятого частотного канала. Это позволяет эффективно использовать радиочастотный спектр и снижать уровень помех.

Глобальные стандарты цифровой связи. Аналогичные цифровые системы получили распространение по всему миру. В Великобритании используется стандарт CT2 (второе поколение беспроводной телефонии), пришедший на смену аналоговому CT1. В странах Европы, включая Великобританию, доминирует Система Европейского стандарта на беспроводную цифровую связь (DECT - Digital Enhanced Cordless Telecommunications). В Японии распространена Система всегда доступного телефона (PHS - Personal Handy-phone System). Все перечисленные системы используют кодирование речи на скорости 32 Кбит/с.

Контроль ошибок в цифровых системах. Методы обеспечения целостности данных различаются в зависимости от стандарта. В системах PACS и PHS применяется метод обнаружения ошибок с использованием циклического избыточного кода (CRC - Cyclic Redundancy Check). Этот алгоритм позволяет выявлять искажения в передаваемых по радиоканалу данных. В то же время в стандартах DECT и CT2 процедура проверки передаваемых данных на наличие ошибок не реализована, что предъявляет более высокие требования к качеству радиоканала.

Терминология мобильной связи. Важно различать терминологию, используемую в разных регионах. В Соединенных Штатах термин «мобильный телефон» традиционно относится к аппаратам, стационарно установленным в автомобиле или грузовике. Это понятие включает ранние системы Эксплуатационной компании радиотелефонной связи (RCC - Radio Common Carrier), а также телефоны сотовой связи и Системы Персональных услуг связи (PCS - Personal Communications Service). В большинстве же других стран, включая Великобританию, это понятие обозначает портативные аппараты систем сотовой связи или PCS.

Классификация портативных устройств. В США портативные носимые аппараты принято классифицировать как «портативные телефонные аппараты» (handheld phones). Для целей данного изложения далее будет использоваться классификация, принятая в Соединенном Королевстве. Согласно ей, все беспроводные телефоны, независимо от того, установлены они на транспортном средстве или переносятся владельцем, относятся к категории мобильных. Это объединяет устройства по принципу работы, а не по месту использования.

Ранние системы мобильной связи. Первые системы мобильной связи можно рассматривать как усовершенствованные аналоги бесшнуровых телефонов. Их ключевыми отличиями были мощные передатчики и высоко поднятые антенны базовых станций, обеспечивавшие покрытие в радиусе 50–80 км. Сложное мультиплексирование и детектирование позволяли одной базовой станции одновременно обслуживать до 60 абонентов. Эти технические решения и масштаб инфраструктуры были признаками, кардинально отличавшими мобильную связь от бытовой бесшнуровой телефонии.

Архитектура и функции базовой станции. На рис. 11.2 изображена общая схема системы связи с использованием мобильных телефонов. Базовая станция способна одновременно передавать и принимать множество сигналов на разных частотах, обеспечивая тем самым несколько независимых каналов связи. Мощность передатчика базовой станции типично составляет 200–250 Вт, а с учетом усиления антенны эффективная излучаемая мощность (ЭИМ) может достигать 500–700 Вт. Этого достаточно для покрытия территории среднего города.

Рис. 11.2. Система связи с использованием мобильных телефонов

Зона покрытия и частотное планирование. Радиус уверенной связи от одной базовой станции может достигать 48 километров. Однако из-за высокого риска взаимных помех передатчики, работающие на одной частоте, не могут располагаться ближе чем 96–160 километров друг от друга. Это правило является основой частотного планирования и необходимо для обеспечения качества связи и эффективного использования ограниченного радиочастотного спектра во всей сети.

Приемное оборудование и управляющий терминал. Приемное устройство базового блока оснащено фильтрами, усилителями высокой частоты и демодуляторами для преобразования радиосигнала в аудиосигнал высокого качества, пригодный для передачи по стандартной телефонной линии. Управляющий терминал выполняет функции интерфейса, обеспечивая передачу речевого сигнала и сигналов управления в проводную сеть общего пользования (ТфОП). В его состав входят детекторы, схемы синхронизации и логические схемы для управления сеансом связи.

Сопряжение с телефонными сетями. Специальные схемы сопряжения в управляющем терминале позволяют интегрировать мобильную связь с национальными и международными телефонными сетями. Разговор с мобильного абонента передается по этим сетям идентично вызову от любого абонента ТфОП. Техническая инфраструктура магистральных линий связи обычно принадлежит крупным телефонным компаниям. Это обеспечивает глобальную связность и универсальность услуг мобильной телефонии.

Модели ownership и бизнес-отношения. Базовые станции и сетевая инфраструктура могут принадлежать как традиционным телефонным компаниям, так и специализированным Эксплуатационным компаниям радиотелефонной связи (RCC). Если система принадлежит RCC, то телефонная компания выставляет ей счет за использование своей проводной инфраструктуры, как и любому другому абоненту. Эти затраты затем включаются в тарифы для конечных пользователей мобильной связи, формируя основу бизнес-модели.

Процедура подключения абонента. Для подключения к системе мобильной связи пользователь должен подать заявление и быть принятым на обслуживание эксплуатирующей компанией (RCC). После одобрения заявки абонент получает возможность либо арендовать, либо приобрести в собственность необходимое абонентское оборудование – мобильный телефон. Этот процесс знаменует заключение договора на предоставление услуг связи и предоставление доступа к сетевой инфраструктуре.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Шемякин А. Н., Прудыус А. С. и др.

Источник: Публикации представляет собой компиляцию из открытых источников, описывающих принципы работы ранних систем беспроводной связи (DECT, PACS, PHS). Устройство, монтаж и эксплуатация контактной сети и высоковольтных линий электропередачи

Публикации предназначены для подготовки и повышения квалификации специалистов, обслуживающих электроснабжение железных дорог, студентов и начинающих специалистов в области телекоммуникаций, радиотехники и электроники.