Мобильные системы электросвязи

Классификация решений профессиональной мобильной радиосвязи (ПМР) определяется различием потребностей заказчиков, а также их отраслевой спецификой. Как и вся коммуникационная инфраструктура предприятия, ПМР служит для передачи информации в интересах обеспечения управления и безопасности и обслуживает сегмент оперативной связи с мобильными абонентами.
Специфическими особенностями ПМР являются:

· скорость (до 0,5 с) и простота (нажатием 1 кнопки) установления связи;

· обеспечение групповой связи (организация групп, подгрупп);

· надежность оборудования для работы в тяжелых условиях (пыле-, влаго-, вибро-, ударо-, взывозащищенность и т. п.).

Следующий уровень детализации определяет деление на конкретные решения ПМР, исходя из различных удовлетворяемых потребностей пользователей.
Основными параметрами, определяющими разделение на различные классы продуктов внутри ПМР, являются:

1. требуемая плотность абонентов в обслуживаемой зоне;

2. требуемая площадь покрытия (определяющая масштаб системы);

3. требуемый уровень сервиса;

4. автоматический или ручной выбор канала, т. е. способ управления системой;

5. возможности и глубина группообразования;

6. наличие индивидуальных и аварийных вызовов;

7. идентификация абонентов;

8. выход в телефонную сеть, полный дуплекс на уровне абонентского терминала;

9. передача коротких сообщений;

10. передача данных и др.

На основании представленных выше специфических особенностей и требований к решениям ПМР, все системы можно разделить на подклассы:

1. системы с закрепленными каналами или конвенциональные (невысокая плотность абонентов, ручной выбор каналов);

2. локальные (малого радиуса действия, без использования базовых станций);

3. диспетчерские на базе симплексной радиостанции;

4. диспетчерские на базе ретранслятора;

5. многозоновые сложные диспетчерские системы;

6. системы c распределенными каналами или транкинговые (высокая плотность абонентов, централизованное управление системой);

7. аналоговые (оперативная речевая связь, статусные сообщения);

8. цифровые интегрированные системы (оперативная речевая связь, дуплексная беспроводная телефония, все виды передачи данных).

Использование радиоканала для передачи информации подразумевает необходимость использования частотного ресурса. В ПМР используется несколько основных диапазонов частот, приведённых в таблице 2.6.

Таблица 2.6.

РЧС – радиочастотная служба;

Выбор конкретного решения требует обязательного привлечения квалифицированного подрядчика, предлагающего комплексное решение, который должен начать свою работу с уточнения потребностей заказчика, определения специфических особенностей, выверки постановки задачи. Только после этого возможна проработка вариантов решения, их оценка и обоснование выбора.

Ближняя связь в диапазоне 27 мегагерц.В настоящее время часто используются средства ближней радиосвязи. Это переговорные устройства, которые позволяют общаться водителям между собой, в некоторых местах связываться с полицией и другими дорожными службами. Данное средство связи очень удобно для обмена информацией между водителями при движении в колонне или группой.

Средства ближней связи работают, как правило, в разрешённом диапазоне 27 мегагерц и имеют мощность до 10 ватт. При этом не требуется получение каких-либо разрешений на их использование от частотных органов. Данные средства позволяют связываться в пределах прямой видимости. Рации достаточно надежны и просты в эксплуатации. Однако, из-за малой дальности действия они не обеспечивают связи водителей со своими диспетчерами.

Иногда, для того, чтобы увеличить дальность связи применяют усилители, которые поднимают мощность передаваемого сигнала до 100 и более ватт. Необходимо, также, иметь в виду, что применение усилителя на рации является нарушением, и такие рации могут быть изъяты контрольными службами (такие случаи нередки в Польше и Германии) и что большая мощность передатчика вредит здоровью водителя.

Связь в КВ диапазоне.Использование КВ-радиостанций позволяет связываться на большем расстоянии, чем при применении раций 27 мегагерцового диапазона, но имеет ряд недостатков:

· КВ-связь не может гарантировать надежную связь на большом расстоянии (более 50 километров);

· связь зависит от времени суток, погодных условий, мощности и взаимного расположения передатчика и приемника;

· большая загруженность КВ-диапазона и, как следствие обилие помех и низкое качество связи.

Даже многокиловаттные передатчики и большие антенные поля не могут обеспечить надежной круглосуточной связи. Никакое транспортное предприятие не может позволить себе строительство такого радиоцентра. Уменьшение же мощности передатчиков и размеров антенн ведет к падению надежности связи.

При применении КВ-радиосредств, которые проводят анализ условий связи по наличию помех, уровню сигнала и автоматически используют резервные частоты, оптимальные в данных конкретных условиях, можно несколько увеличить качество и надежность связи при меньшей мощности и площади, антенных полей. Платой за это является довольно высокая цена оборудования.

Но и это оборудование не способно обеспечить надежную круглосуточную связь диспетчера со своими автомашинами. В то же время оно имеет достаточно большие габариты и энергопотребление, что затрудняет размещение его на транспортном средстве.

Серьёзной проблемой является получение разрешения на использование радиочастот в КВ-диапазоне, поставщики КВ-оборудования этим не занимаются. Следует отметить, что радиопередачи в КВ-диапазоне тщательно контролируются службами радионаблюдения.

Также следует иметь в виду, что водитель, работая с КВ-радиостанцией, находится в непосредственной близости от антенны и подвергается воздействию относительно мощного радиоизлучения, что может отрицательно сказаться на его здоровье.

УКВ радиосвязь.Радиоволны УКВ-диапазона распространяются на небольшие расстояния, практически в пределах прямой видимости. Поэтому их использование для целей связи с транспортными средствами и контроль их движения возможно только для местной связи. Даже при поднятии базовой радиостанции на высокую башню радиус связи не превышает 50 км. Можно несколько увеличить дальность связи, используя ретрансляторы на таких же башнях. Но строительство каждой такой башни высотой порядка 70 метров и оборудование её необходимой аппаратурой потребует свыше 50 тысяч долларов.

При применении простых базовых УКВ-радиостанций или ретрансляторов, невозможна связь нескольких машин и абонентов одновременно. Такая система может работать только для очень ограниченного числа пользователей.

В то же время, использование УКВ радиостанций для локальной связи имеет некоторые преимущества:

· относительно невысокая стоимость аппаратуры;

· фактически бесплатный трафик.

В системах радиальной или радиально-зоновой УКВ-связи, характерными представителями которых, в частности, являются широко известная система «Алтай» и ее модификации, максимальная дальность действия зависит от мощности передатчика, чувствительности приемника и уровня шума и ограничивается необходимостью прямой видимости между антеннами станций. Передатчики таких (и им подобных) систем для обеспечения максимальной дальности связи имеют достаточно большую мощность. Количество передатчиков, работающих в отведенной полосе частот, ограничено, потому что разнос частот между соседними каналами должен составлять не менее 12, 5 кГц (для передачи сообщений одного абонента требуется один частотный канал).

Радиорелейная связь. При сравнении методов использования радиорелейных и волоконно-оптических линий связи становятся очевидны преимущества беспроводных технологий, которые, с одной стороны, требуют гораздо меньших затрат и времени на развертывание, чем ВОЛС, а с другой - могут быть проложены оперативно в сложных географических условиях. Радиорелейные линии (РРЛ) наиболее эффективны при развертывании разветвленных цифровых сетей в больших городах и индустриальных зонах, где прокладка ВОЛС слишком дорога или вовсе невозможна, а качество передачи информации по современным РРЛ практически не уступает ВОЛС.

В пользу применения РРЛ систем для построения территориально-распределенных сетей связи говорит и тот факт, что в мире большинство междугородних каналов связи образовано на таких системах (в США - 60-70%, в странах Западной Европы свыше 50%, в Японии порядка 50%).

Это обусловлено прежде всего относительной простотой сооружения линии при незначительных затратах на строительство и эксплуатацию, а также возможностью оперативного разрешения вопросов развития и реконструкции сети без дополнительных капитальных затрат.

На российском рынке в последнее время появились отечественные РРС нового поколения, которые, не уступая зарубежным аналогам по основным техническим характеристикам, имеют значительно более низкую цену и неоспоримые преимущества:

· в части обеспечения их монтажа и ввода в эксплуатацию;

· организации гарантийного и послегарантийного обслуживания;

· расширенного рабочего температурного диапазона (от - 50 до + 50 °С).

РРЛ могут по необходимости быть развёрнуты за считанные часы, с использованием специальных телескопических антенн («Берёза») и аппаратных, выполненных на базе военных автомобилей.

Решением ГКРЧ РФ от апреля 1996 г. для новых РРЛ определены следующие диапазоны:

· 7 ГГц (7,25-7,55); · 8 ГГц (7,9-8,4); · 11 ГГц (10,7-11,7); · 13 ГГц (12,75-13,25); · 15 ГГц (14,4-15,35); · 18 ГГц (17,7-19.7); · 23 ГГц (21,2-23,6); · 38 ГГц (36-40,5). Однако надо отметить, что еще длительное время будут использоваться уже построенные и эксплуатируемые сегодня в России линии в диапазонах 1,5-2,1; 3,4-3,9; 5,6-6,4 ГГц, причем возможна замена устаревшей оконечной аппаратуры на современное оборудование.

При выборе используемого диапазона необходимо учесть реальные возможности получить разрешение на строительство РРЛ в России. В соответствии с законом "О связи", принятом в 1995г., действующими постановлениями Правительства РФ и ведомственными нормативными актами на их основе разрешение на строительство РРЛ на территории РФ выдается органами Главсвязьнадзора.

Одним из ведущих российских производителей радиорелейного оборудования является ЗАО "Радиан" (Санкт-Петербург), которое выпускает радиорелейные станции в диапазонах 8, 15 и 23 ГГц, приведённые в таблице 2.7.

Каждая станция обеспечивает передачу потоков со скоростью 2 Мбит/с (Е1), 8 Мбит/с (4 х Е1), 17 Мбит/с (8 х Е1) и 34 Мбит/с (16 х Е1), кроме того, в организуемых стволах можно передавать ТВ-программы как в аналоговом, так и в цифровом (со сжатием MPEG-2) виде. Сжатый цифровой канал ТВ вещательного качества с двумя каналами звукового сопровождения занимает 8 Мбит/с или 4 потока Е1.

Таблица 2.7.

Сотовая связь это система подвижной связи, которая образуется с помощью сети приемо­передающих станций, устанавливаемых в городах или вдоль автострад. Каждая приемо­передающая станция охватывает свой кусок территории. Город поделен на участки таких территорий как на соты. Когда водитель машины поднимает трубку, его слушает ближайшая приемо-передающая станция, через нее он связывается со своим абонентом. Когда машина выезжает из зоны данной приемо-передающей станции она передает сопровождение соседней станции и так от соты к соте.

Сотовая связь - достаточно удобный и быстро развивающийся вид связи. Бывшая вначале элитной из-за высоких цен сотовых телефонных аппаратов и, особенно, из-за высокой платы за связь, сейчас, после значительного снижения цен, она становится достаточно массовой.

Нередко и транспортные предприятия оснащают своих водителей сотовыми телефонами и используют их для управления перевозками.

Однако, при применении сотовой связи для этих целей выявляется ряд недостатков:

· недостаточные зоны покрытия. Даже в Западной Европе, где построено большое количество базовых станций, сотовая связь не покрывает всю территорию. В России сотовой связью охвачены лишь крупные города и основные магистральные дороги Европейской части;

· существует несколько стандартов сотовой связи, несовместимых друг с другом. Проблемы же роуминга до конца не решены, причём не только межсистемного роуминга, но порой и роуминга внутрисистемного при переезде из одного региона в другой;

· ещё довольно высокая плата за трафик. По опыту некоторых автотранспортных компаний плата за телефон 1 водителя превышает 150 долларов в месяц;

· отсутствие объективного контроля фактического местонахождения транспортного средства. Диспетчер, специально запросив водителя, судит об этом с его слов. А если машин на предприятии много, то такие запросы и ручная регистрация местоположения потребуют немало времени, внимания и денег;

· отсутствие документирования переговоров с водителем (в результате чего нередко возникают недоразумения между диспетчером и водителем) и документирования фактических маршрутов движения автомашин;

· получение информации по голосовой связи затрудняет создание автоматизированных систем управления автотранспортным предприятием.

Разделить обслуживаемую территорию на ячейки (соты) можно двумя способами, которые основаны на измерении:

· статистических характеристик распространения сигналов в системах связи;

· параметров распространения сигнала для конкретного района.

При реализации первого способа вся обслуживаемая территория разделяется на одинаковые по форме зоны и с помощью закона статистической радиофизики определяются их допустимые размеры и расстояния до других зон, в пределах которых выполняются условия допустимого взаимного влияния. Для оптимального, то есть без перекрытия или пропусков участков, разделения территории на соты могут быть использованы только три геометрические фигуры: треугольник, квадрат и шестиугольник. Наиболее подходящей фигурой является шестиугольник, так как, если антенну с круговой диаграммой направленности устанавливать в его центре, то будет обеспечен доступ почти ко всем участкам соты. При использовании первого способа интервал между зонами, в которых используются одинаковые рабочие каналы, обычно получается больше требуемого для поддержания взаимных помех на допустимом уровне.
Более приемлем второй способ разделения на зоны - в этом случае тщательно измеряют или рассчитывают параметры системы для определения минимального числа базовых станций, обеспечивающих удовлетворительное обслуживание абонентов по всей территории. Далее определяют оптимальное место расположения базовой станции с учетом рельефа местности, рассматривают возможность использования направленных антенн, пассивных ретрансляторов, смежных центральных станций в момент пиковой нагрузки.

Каждая из ячеек обслуживается своим передатчиком с невысокой выходной мощностью и ограниченным числом каналов связи. Это позволяет без помех использовать повторно частоты каналов этого передатчика в другой, удаленной на значительное расстояние, ячейке.

Основной идеей, на которой базируется принцип сотовой связи, является повторное использование частот в несмежных сотах. Первым способом организации повторного использования частот, который применялся в аналоговых системах сотовой подвижной связи первого поколения, был способ, использующий антенны базовых станций с круговыми диаграммами направленности . Он предполагает передачу сигнала одинаковой мощности по всем направлениям, что для абонентских станций эквивалентно приему помех от всех базовых станций со всех направлений.

Теоретически такие передатчики можно использовать и в соседних ячейках. Но на практике зоны обслуживания сот могут перекрываться под действием различных факторов, например, вследствие изменения условий распространения радиоволн. Поэтому в соседних ячейках используются различные частоты. Пример построения сот при использовании трех частот Fl —F3 представлен на рисунке 2.22. Группа сот с различными наборами частот называется кластером. Определяющим его параметром является количество используемых в соседних сотах частот. На практике это число может достигать пятнадцати.

Рис. 2.22. Построение сот при использовании 3 несущих частот

Базовые станции, на которых допускается повторное использование выделенного набора частот, удалены друг от друга на расстояние D, называемое «защитным интервалом». Именно возможность повторного применения одних и тех же частот определяет высокую эффективность использования частотного спектра в сотовых системах связи.
Смежные базовые станции, использующие различные наборы частотных каналов, образуют группу изС станций. Если каждой базовой станции выделяется набор из mканалов с шириной полосы каждогоFk, то общая ширина полосы, занимаемая системой сотовой связи, составит:

Fc = Fk mС.

Таким образом, величинаС определяет минимально возможное число каналов в системе, поэтому ее часто называют частотным параметром системы, ила коэффициентом повторения частот. Коэффициент С не зависит от числа каналов в наборе и увеличивается по мере уменьшения радиуса ячейки. При использовании ячеек меньших радиусов имеется возможность увеличения повторяемости частот.
Применение шестиугольных ячеек позволяет минимизировать ширину необходимого частотного диапазона, поскольку такая форма обеспечивает оптимальное соотношение между величинами С и D. Кроме того, шестиугольная форма наилучшим образом вписывается в круговую диаграмму направленности антенны базовой станции, установленной в центре ячейки.
Остановимся более подробно на вопросе выбора размера ячейки (радиусаR). Эти размеры определяют защитный интервал D между ячейками, в которых одни и те же частоты могут быть использованы повторно. Заметим, что величина защитного интервала D, кроме уже перечисленных факторов, зависит также от допустимого уровня помех и условий распространения радиоволн. В предположении, что интенсивность вызовов в пределах всей зоны одинакова, ячейки выбираются одного размера (рис. 2.23). Размер зоны обслуживания базовой станции, выражаемый через радиус ячейки R, определяет также число абонентовN, способных одновременно вести переговоры на всей территории обслуживания.

Следовательно, уменьшение радиуса ячейки позволяет не только повысить эффективность использования выделенной полосы частот и увеличить абонентскую емкость системы, но и уменьшить мощность передатчиков и чувствительность приемников базовых и подвижных станций. Это, в свою очередь, улучшает условия электромагнитной совместимости средств сотовой связи с другими радиоэлектронными средствами и системами. Эффективным способом снижения уровня помех может быть использование направленных секторных антенн с узкими диаграммами направленности. В секторе такой направленной антенны сигнал излучается преимущественно в одну сторону, а уровень излучения в противоположном направлении сокращается до минимума. Деление сот на секторы позволяет чаще применять частоты в сотах повторно. Общеизвестный способ повторного использования частот в организованных таким образом сотах основан на применении 3-секторных антенн для каждой базовой станции и трех соседних базовых станций с формированием ими девяти групп частот.

Каждая из сот обслуживается многоканальным приемопередатчиком, называемым базовой станцией. Она служит своеобразным интерфейсом между сотовым телефоном и центром коммутации подвижной связи, где роль проводов обычной телефонной сети выполняют радиоволны.

Число каналов базовой станции обычно кратно 8, например, 8, 16, 32... Один из каналов является управляющим (control channel). В некоторых ситуациях он может называться также каналом вызова (calling channel), на котором происходит непосредственное установление соединения при вызове подвижного абонента сети, а сам разговор начинается только после того, как будет найден свободный в данный момент канал и произойдет переключение на него. Все эти процессы происходят очень быстро и потому незаметно для абонента. Он лишь набирает нужный ему телефонный номер и разговаривает, как по обычному телефону.
Любой из каналов сотовой связи представляет собой пару частот для дуплексной связи, т. е. частоты базовой и подвижной станций разнесены. Это делается для того, чтобы улучшить фильтрацию сигналов и исключить взаимное влияние передатчика на приемник одного и того же устройства при их одновременной работе. Все базовые станции соединены с центром коммутации подвижной связи (коммутатором) по выделенным проводным или радиорелейным каналам связи . Центр коммутации MSC—это автоматическая телефонная станция системы сотовой связи, обеспечивающая все функции управления сетью и осуществляет постоянное слежение за подвижными станциями, организует их эстафетную передачу, в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении подвижной станции из соты в соту и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностей, производит соединение подвижного абонента с тем, кто ему необходим в обычной телефонной сети и др. Общая структура сотовой связи приведена на рисунке 2.24.

Несмотря на разнообразие стандартов сотовой связи, алгоритмы их функционирования, независимо от имеющихся особенностей, в основном сходны. Для абонента практически нет никакой разницы, в каком стандарте осуществляется связь. Если ему нужно позвонить, то он просто нажимает клавишу на своем радиотелефоне (это может быть любой сотовый радиотелефон), что соответствует снятию трубки обычного телефона. Когда же радиотелефон находится в режиме ожидания (состояние «трубка положена» обычного телефона), его приемное устройство постоянно сканирует (просматривает) либо все каналы системы, либо только управляющие. Для вызова соответствующего абонента всеми базовыми станциями сотовой системы связи по управляющим каналам передается сигнал вызова. Сотовый телефон вызываемого абонента при получении этого сигнала отвечает по одному из свободных каналов управления. Базовые станции, принявшие ответный сигнал, передают информацию об его параметрах в центр коммутации, который, в свою очередь, переключает разговор на ту базовую станцию, где зафиксирован максимальный уровень сигнала сотового радиотелефона вызываемого абонента.

Рис. 2.24. Общая структура сотовой связи

Во время набора номера радиотелефон занимает один из свободных каналов, уровень сигнала базовой станции в котором в данный момент максимален. По мере удаления абонента от базовой станции или в связи с ухудшением условий распространения радиоволн уровень сигнала уменьшается, что ведет к ухудшению качества связи. Улучшение качества разговора достигается путем автоматического переключения абонента на другой канал связи. Это происходит следующим образом. Специальная процедура, называемая передачей управления вызовом или эстафетной передачей (в иностранной технической литературе — handover, или handoff), позволяет переключить разговор на свободный канал другой базовой станции, в зоне действия которой оказался в это время абонент.

Аналогичные действия предпринимаются при снижении качества связи из-за влияния помех или при возникновении неисправностей коммутационного оборудования. Для контроля таких ситуаций базовая станция снабжена специальным приемником, периодически измеряющим уровень сигнала сотового телефона разговаривающего абонента и сравнивающим его с допустимым пределом. Если уровень сигнала меньше этого предела, то информация об этом автоматически передается в центр коммутации по служебному каналу связи.

Центр коммутации выдает команду об измерении уровня сигнала сотового радиотелефона абонента на ближайшие к нему базовые станции. После получения информации от базовых станций об уровне этого сигнала центр коммутации переключает радиотелефон на ту из них, где уровень сигнала оказался наибольшим. Это происходит так быстро, что абонент совершенно не замечает этих переключении.
Иногда возникает ситуация, когда поток заявок на обслуживание, поступающий от абонентов сотовой сети, превышает количество каналов, имеющихся на всех близко расположенных базовых станциях. Это происходит тогда, когда все каналы станций заняты обслуживанием абонентов и нет ни одного свободного, и поступает очередная заявка на обслуживание от подвижного абонента. В этом случае как временная мера (до освобождения одного из каналов) используется принцип эстафетной передачи внутри соты. При этом происходит поочередное переключение каналов в пределах одной и той же базовой станции для обеспечения связью всех абонентов.
Одна из важных услуг сети сотовой связи — предоставление возможности использования одного и того же радиотелефона при поездке в другой город, область или даже страну, причем сотовая сеть позволяет не только самому абоненту звонить из другого города или страны, но и получать звонки от тех, кто не успел застать его дома.

В сотовой радиосвязи такая возможность называется роуминг (от англ. roam — скитаться, блуждать). Для организации роуминга сотовые сети должны быть одного стандарта (телефон стандарта GSM не будет работать в сети стандарта CDMA и т. п.), а центры коммутации подвижной связи этого стандарта должны быть соединены специальными каналами связи для обмена данными о местонахождении абонента. Иными словами, применительно к сотовым системам для обеспечения роуминга необходимо выполнение трех условий:

· наличие в требуемых регионах сотовых систем стандарта, совместимого со стандартом компании, у которой был приобретен радиотелефон;

· наличие соответствующих организационных и экономических соглашений о роуминговом обслуживании абонентов;

· наличие каналов связи между системами, обеспечивающих передачу звуковой и другой информации для роуминговых абонентов.
При перемещении абонента в другую сеть ее центр коммутации запрашивает информацию в первоначальной сети и при наличии подтверждения полномочий абонента регистрирует его. Данные о местоположении абонента постоянно обновляются в центре коммутации первоначальной сети, и все поступающие туда вызовы автоматически переадресовываются в ту сеть, где в данный момент находится абонент.
При организации роуминга недостаточно провести только технические мероприятия по соединению различных сетей сотовой связи. Очень важно еще решить проблему взаиморасчетов между операторами этих сетей.
Различают три вида роуминга:

· Автоматический (именно с этой формой за рубежом обычно и связывают понятие роуминга), то есть предоставление абоненту возможности выйти на связь «в любое время в любом месте»;

· Полуавтоматический, когда абоненту, для пользования данной услугой в каком-либо регионе, необходимо предварительно поставить об этом в известность своего оператора;

· Ручной, то есть простой обмен одного радиотелефона на другой, подключенный к сотовой системе другого оператора.
Существующий объем услуг роуминга во многом определяется активностью деятельности конкретных компаний, так как возникающие при этом технические проблемы у всех приблизительно одинаковы (хотя здесь и можно отметить стандарт GSM, в который возможность роуминга была заложена изначально).

Перспективы развития этой сферы услуг зависят уже от распространенности стандартов. Например, для создания единой сети стандарта GSM в России, предлагающей услуги роуминга в национальном масштабе, требуется организация связи с каждым региональным оператором. Кроме того, для передачи служебных сообщений необходим, как минимум, выделенный цифровой канал со скоростью передачи информации 64 Кбит/с.

Стандарты сотовых систем связи.

- GSM-900 (Global System for MobileСommunications) - глобальная система подвижной связи. Панъевропейский цифровой стандарт, диапазон частот 890 - 960 МГц.

3. Доступ к WAP посредством GPRS. -Для просмотра на экране вашего мобильного телефона WAP-сайтов, общения с друзьями по WAP-электронной почте посредством G