Цифровые системы мобильной связи: технологии TDMA, GSM и рост пропускной способности

Переход от аналоговой к цифровой связи. В настоящее время цифровые системы мобильной связи практически полностью вытеснили аналоговые стандарты с большинства рынков, однако на некоторых из них до сих пор наблюдается их сосуществование. Значительные преимущества цифровых технологий обусловили появление многодиапазонных телефонов, способных работать как в цифровых, так и в аналоговых сетях. Такая универсальность была широко востребована в переходный период, обеспечивая непрерывность связи при перемещении между зонами с разным типом покрытия. Фундаментальной причиной перехода к цифре стала необходимость радикального увеличения пропускной способности (емкости) сетей для удовлетворения растущего спроса.

Проблема пропускной способности и блокирования вызовов. Эффективность ранних систем мобильной связи ограничивалась явлением «вероятности блокирования вызова». Статистика показывает, что средняя продолжительность разговора по мобильному телефону составляет около 90 секунд, что значительно короче бесед по проводной связи. При попытке закрепить 50 и более абонентов за одним радиоканалом операторы столкнулись с резким увеличением вероятности, что абонент не получит сигнал готовности сети при попытке установить соединение. Это происходило из-за занятости всех доступных каналов, что значительно ухудшало качество обслуживания. Решением данной проблемы стал переход к передовым цифровым технологиям множественного доступа.

Технологии множественного доступа как решение. Ключевым решением проблемы низкой емкости стало внедрение цифровых систем, использующих принципы множественного доступа. К ним относятся множественный доступ с разделением по времени (TDMA), множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA), а также стандарты типа Глобальной системы мобильной связи (GSM). Учитывая огромные инвестиции в развитие инфраструктуры Прогрессивной системы мобильной связи (AMPS), операторы изначально стремились к поэтапной миграции. Например, была разработана цифро-аналоговая система, позволяющая совместить существующую сеть AMPS с технологией TDMA, что обеспечило плавный переход на новые стандарты без необходимости полной замены оборудования.

Принцип работы технологии TDMA. Множественный доступ с разделением по времени (TDMA) является одним из наиболее распространенных методов в цифровых сотовых сетях. Эта технология применяется в североамериканском Промежуточном стандарте 54 (IS-54), в европейском стандарте GSM и в Персональной коммуникационной сети (PCN). В системах TDMA узкая полоса частот (одна несущая) используется для передачи цифрового сигнала, который делится на несколько временных слотов (тайм-слотов). Каждый такой слот представляет собой отдельный канал, который на строго определенный промежуток времени закрепляется за одним мобильным телефоном. Ни одно другое устройство не может использовать этот канал до завершения разговора или до момента хэндовера (передачи абонента на другую базовую станцию).

Сравнение реализаций TDMA в различных стандартах. Конкретные реализации TDMA различаются параметрами. Например, стандарт IS-54, разработанный для сосуществования с AMPS, использует полосу шириной 30 кГц, которая делится на три временных канала. В отличие от него, стандарт GSM использует более широкую полосу в 200 кГц, которая разделяется уже на восемь временных слотов, что повышает эффективность использования спектра. Географически стандарты на основе TDMA используют разные частотные диапазоны: в Европе это 900 МГц (GSM 900) и 1800 МГц (DCS-1800), а в Северной Америке — 1900 МГц для PCS (Personal Communications Services). Сравнительные характеристики этих и других беспроводных систем приведены в Таблице 11.1 в конце главы.

Таблица 11.1. Сводная таблица параметров беспроводных систем связи

Эволюция TDMA: расширенная версия E-TDMA. Дальнейшим развитием технологии стала Расширенная система множественного доступа с разделением по времени (E-TDMA). Ее ключевое преимущество — повышение пропускной способности системы в 15 раз по сравнению с аналоговыми предшественниками. Этот впечатляющий результат достигается за счет интеллектуального управления каналом. Во время естественных пауз в разговоре пользователя, когда речевые данные не передаются, система временно перераспределяет освободившийся временной слот для передачи данных другого активного разговора. Такой адаптивный подход позволяет использовать радиочастотный спектр с максимальной эффективностью, минимизируя простои каналов связи.

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.