Радиотехнологии и стандарты подвижной связи
Тел.: (095) 258-7878 Факс: (095) 258-7870 E-mail: leonora@mtu.ru
1. Системы беспроводного доступа абонентских линий
По классификации Международного Союза Электросвязи (МСЭ) системы подвижной связи относятся к системам беспроводного доступа абонентских линий. Характерным признаком любых систем беспроводного доступа абонентских линий является наличие радиоканала на абонентском участке.
В сетях, построенных на базе систем беспроводного доступа абонентских линий, деление абонентов на фиксированных и подвижных может быть обусловлено как техническими возможностями оборудования, так и быть чисто условным.
Оборудование фиксированной связи не способно обеспечить абонентам возможность иметь услуги в мобильном варианте. Это связано с тем, что:
— в этих системах отсутствует автоматическая эстафетная передача абонента при его перемещении по обслуживаемой территории (т.е. такие системно-сетевые функции, как hand-off и роуминг);
— оборудованием не обеспечивается сплошное радиопокрытие территории (часто используются направленные антенны);
— габариты и вес терминалов могут быть значительными, так как они не имеют принципиального значения из-за условий их работы в сетях фиксированной связи.
К оборудованию, ориентированному на обслуживание фиксированных абонентов, относятся радиоудлинители телефонных линий, радиомодемы и другие подобные технические средства.
В случае организации связи для подвижных абонентов (подвижная связь) обязательными являются следующие условия:
— в системе должны присутствовать hand-off и роуминг;
— сеть обязана обеспечивать сплошное радиопокрытие практически всей территории, закрепленной за конкретным оператором подвижной связи;
— используемые терминалы должны быть миниатюрными до такой степени, чтобы абоненты имели физическую возможность перемещаться вместе с ними.
Т.е. в сетях подвижной связи должна быть обеспечена техническая возможность работы каждого терминала по всей обслуживаемой территории, а абоненты должны иметь возможность получать услуги связи и в случае их движения, т.е. в мобильном варианте.
Обслуживание фиксированных абонентов сетями подвижной связи является частным случаем. Такие варианты возможны, когда абонент, например: в данный момент времени не двигается; терминал имеет сетевое электропитание, и его хотят использовать по конкретному адресу; существует потребность иметь связь в зоне неуверенного приема радиосигналов, для чего используется антенна специальной конструкции и т.п.
2. Архитектура систем подвижной радиотелефонной связи
Первые системы подвижной радиотелефонной связи, т.е. предназначенные для организации телефонной связи, имели радиальный принцип построения. Это центральная станция, куда входили коммутатор и комплект приемопередатчиков с круговой диаграммой направленности, и станции абонентов (абонентские станции). С целью обеспечения значительного радиуса действия приемопередатчики устанавливались на большой высоте. Примером оборудования данного типа была отечественная система «Алтай», где в качестве антенной опоры использовалась Останкинская телевизионная башня. Через свой коммутатор система подключалась к местной телефонной сети общего пользования. До настоящего времени существуют отдельные радиальные системы подвижной радиотелефонной связи, используемые, как правило, при организации сетей связи производственно-технологического назначения.
Затем была попытка перейти на более сложную систему с радиально-зоновой топологией: имеется нескольких зон, организованных по радиальному принципу, но объединенных единым коммутационным устройством. Абонент мог обслуживаться в каждой отдельной зоне, но при пересечении границ зон, из-за отсутствия функции hand-off, связь прерывалась. В этих системах также отсутствовал роуминг, т.е. возможность обслуживания визитного пользователя, являющегося абонентом другой такой же сети.
Однако радиально-зоновые сети не получили массового распространения, так как появились системы с сотовой архитектурой построения. Сети, созданные на базе систем сотовой связи, отвечают всем требованиям мобильной связи. При своем перемещении абоненты сетей сотовой связи не имеют проблем, так как все вопросы их сервисного сопровождения система отрабатывает автоматически. При этом абоненты имеют договора на обслуживание только с одним постоянным оператором. Перспективная для электросвязи идея использования идентификационных карт (SIM-card) впервые нашла реальное воплощение в оборудовании сотовой связи (системы стандарта GSM).
3. Радиотехнологии и стандарты
В настоящее время известны следующие способы организации радиоканалов (радиотехнологии): FDMA, TDMA, CDMA, FH-CDMA. Возможны их сочетания (например, FDMA/TDMA). Временные сроки применения этих технологий во многом совпадают с этапами развития систем подвижной связи.
В оборудовании подвижной радиотелефонной связи первого поколения использовалась технология многостанционного доступа с частотным разделением каналов (FDMA). Радиотехнология FDMA до настоящего времени успешно применяется в усовершенствованном оборудовании сотовой связи первого поколения, а также в более простых системах подвижной радиотелефонной связи с не сотовой структурой.
Что касается стандартов подвижной связи первого этапа, то для первых радиальных систем понятие стандартов не использовалось, и оборудование различалось по названиям систем (Алтай, Волемот, Actionet и т.д.). Системы сотовой связи стали различаться по стандартам. На технологии FDMA базируются такие стандарты систем сотовой связи первого поколения, как
NMT-450, NMT-900, AMPS, TACS.
В системах сотовой подвижной связи второго поколения был сделан переход к цифровой обработке передаваемых голосовых сообщений, для чего стала использоваться радиотехнология многостанционного доступа с временным разделением каналов (TDMA). В результате перехода к TDMA: повысилась помехоустойчивость радиотракта, стала лучше его защищенность от прослушивания и т.д. TDMA применяется в системах таких стандартов, как GSM, D-AMPS (последний в американской версии часто именуется просто TDMA).
Радиотехнология многостанционного доступа с кодовым разделением каналов МДКР, или в английской версии CDMA, активно стала внедряться на сетях радиотелефонной связи общего пользования только последние пять лет. Эта радиотехнология имеет свои преимущества, т.к. в оборудовании CDMA:
— эффективность использования радиочастотного спектра в 20 раз выше по сравнению с радиооборудованием стандарта AMPS (технология FDMA) и в 3 раза – по отношению GSM (технология TDMA);
— значительно лучше, чем в других системах 2-ого поколения TDMA, качество, надежность и конфиденциальность связи;
— имеется возможность использовать малогабаритные маломощные терминалы с длительным сроком работы;
— при одинаковом расстоянии от базовой станции мощность излучения абонентских терминалов CDMA ниже более, чем в 5 раз относительно этого же показателя в сетях стандартов, базирующихся на других радиотехнологиях;
— имеется возможность оптимизации топологии сетей при расчете зон покрытия.
Технология CDMA впервые была реализована в оборудовании сотовой связи стандарта IS-95. По своим сервисным возможностям существующие системы CDMA относятся к системам сотовой связи второго поколения.
По статистическим данным Национального института телекоммуникаций (ETRI), число абонентов сетей CDMA ежедневно возрастает на 2000 человек. По темпам роста числа абонентов эти сети превосходят сети других существующих стандартов сотовой связи, опережая развитие сетей сотовой связи даже такого популярного стандарта, как GSM. В настоящее время в сетях CDMA насчитывается не менее 30 млн. абонентов.
Мировое телекоммуникационное сообщество склоняется к тому, что в будущих системах беспроводного доступа абонентских линий (системах персональной связи третьего поколения) CDMA будет занимать лидирующее положение. Такой вывод был сделан в связи с тем, что технология CDMA в наибольшей степени способна обеспечить выполнение требований, предъявляемых к оборудованию третьего поколения IMT-2000, в частности, по обеспечению обмена информацией с высокими скоростями передачи. Однако в будущих системах беспроводного доступа предполагается использовать так называемые широкополосные системы CDMA, где частотная полоса на канал будет не менее 5 МГц (в современных системах CDMA второго поколения полоса на канал составляет 1,23 МГц).
В последние несколько лет стали появляться средства беспроводной связи, в основу которых положена технология расширенного спектра частот с частотными скачками (FH-CDMA). Эта технология сочетает специфику TDMA, где имеет место деление каждой частоты на несколько временных интервалов, и CDMA, где каждый передатчик использует определенную последовательность шумоподобных сигналов. Эта технология нашла свое применение в системах, предназначенных для организации фиксированной связи.
4. Частотные вопросы
Стандарты сотовой связи имеют однозначную привязку к определенным полосам частот, соответствующим требованиям международного и национального Регламентов радиосвязи. Именно этим обусловлено достаточно жесткое государственное регламентирование деятельности операторов сетей сотовой связи.
На этапе разработки оборудования сотовой связи первого и второго поколений используемые в системах полосы частот имели ориентацию на соответствующие районы, оговоренные международным Регламентом радиосвязи МСЭ: Район 1 — Европа, включая всю территорию бывшего СССР, и Африка; Район 2- Северная и Южная Америка; Район 3 – Азия (кроме территории бывшего СССР) и Австралия. По этой причине появились европейские и американские стандарты.
Исторически сложилось так, что наша национальная таблица распределения полос частот во многом не соответствует требованиям, предъявляемым Регламентом радиосвязи МСЭ к Району 1. В результате, полосы частот, по Регламенту предназначенные для сетей общего пользования, оказались заняты другими радиоэлектронными средствами. По этой причине все отечественные сети сотовой связи функционируют на вторичной основе (т.е. должны соблюдать условия обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) с уже действующими радиоэлектронными средствами). Несоответствие Регламента радиосвязи Российской Федерации международному Регламенту радиосвязи МСЭ выражается и в том, что в нашей стране, кроме европейских стандартов сотовой связи первого и второго поколений (NMT-450 – диапазон 450 МГц и GSM900/1800 – 900 МГц и 1800 МГц, соответственно), работают системы сотовой связи американских стандартов AMPS/D-AMPS и IS-95 (оба используют диапазон 800 МГц). Присутствие в России систем американского происхождения в определенной степени позволяет упростить ситуацию, вызванную дефицитом частотного ресурса для отечественных сетей сотовой связи.
Не менее остро для России стоит вопрос о выделении частотного ресурса для систем подвижной связи следующего, третьего поколения семейства FPLMTS/IMT-2000. В соответствии с положением № S5.388 Регламента радиосвязи МСЭ для этого оборудования предусмотрены полосы частот 1885- 2025 МГц и 2110-2200 МГц (спутниковый сегмент 1980-2022 МГц и 2170 –2200 МГц), которые решением Всемирной радиоконференции ВРК-92 были рекомендованы к высвобождению от других видов радиосредств к 2000 году. В настоящее время ведется научно-исследовательская работа «Спектр-2000», целью которой является нахождение для нашей страны решений по выделению поколения полос частот диапазона 1,9-2,2 ГГц для систем третьего поколения IMT-2000. Однако эта работа еще далека от завершения.
5. Отечественные подходы к развитию подвижной связи
В Концепции развития в России до 2022 года сетей сухопутной подвижной радиосвязи общего пользования (в части сотовых, радиально-зоновых и радиальных сетей), которая была одобрена решением ГКЭС России 23 февраля 1994 г., были изложены основные организационно-технические подходы к развитию подвижной связи. На положениях этого документа многие годы базировалась политика Администрации связи Российской Федерации в области подвижной связи.
Совершенствование механизма организационно-правового регулирования в телекоммуникационной отрасли рассматривается МСЭ, как одно из условий, благоприятствующих успешному развитию отрасли. Благодаря научно-техническому прогрессу технические средства постоянно развиваются, что влечет за собой необходимость приведения в соответствие административных подходов и возможностей новых типов оборудования. В связи с этим указанная Концепция несколько раз корректировалась. В настоящее время разрабатывается ее новая редакция, в которой предполагается отразить основные аспекты развития сетей подвижной связи.
6. Состояние российских сетей подвижной связи и перспективы их развития с учетом мировых тенденций
В настоящее время среди сетей подвижной связи преобладают сети сотовой связи. Лидером по проникновению услуг этого вида связи является Финляндия, где 65% населения имеют сотовые телефоны. Еще в конце 1998 года в этой стране емкость сетей сотовой связи превысила емкость традиционных сетей телефонной связи. В России успехи в области сотовой связи значительно скромнее — проникновение услуг этого вида связи сегодня составляет около 1% от населения. ( По статистическим данным, на начало 1999 года в России: радиальные сети подвижной связи обслуживали 16 тыс., NMT-450 – 200 тыс., GSM 900 – 301 тыс., GSM 1800 – 20 тыс., AMPS/D-AMPS – 230 тыс. абонентов, и ежегодно их число увеличивается не менее чем в два раза).
Базовой услугой для сетей подвижной радиотелефонной связи всегда была услуга телефонной связи. Однако уже в настоящее время появилась техническая возможность предлагать мобильным абонентам услуги передачи данных, телематических служб, обеспечивать доступ в Интернет. Наметившаяся в сетях подвижной связи тенденция к расширению сервисных возможностей и конвергенция с сетями передачи данных были учтены МСЭ при разработке требований к перспективным системам подвижной связи следующих поколений.
Разработанная МСЭ Концепция международной подвижной связи — IMT-2000, ранее известная под названием FPLMTS, имеет следующие характерные признаки:
— возможность гибкого комплектования набора услуг в зависимости от потребностей клиентов. Для этого наравне с услугами подвижной радиотелефонной связи пользователям необходимо гарантировать полный доступ к цифровым сетям с интеграцией служб (PSTN/ISDN), а также обеспечить возможность свободного взаимодействия с сетями передачи данных. В связи с этим, внедряемые системы третьего поколения должны иметь среду распространения информации со скоростью не ниже 64 Кбит/с или 144 Кбит/с, в зависимости от типа оборудования. При этом для помещений желательно иметь скорость передачи 384 Кбит/с, а впоследствии — довести ее до 2048 Кбит/с и выше;
— системно-сетевые решения IMT-2000 должны предусматривать организацию роуминга во всемирном масштабе. То есть необходимо реализовать идею обслуживания абонентов «в любом месте в любое время» («Anywhere — Anytime»). Данная задача может быть выполнена при достижении высокого уровня взаимодействия между сетями различных типов (стандартов) и в условиях унификации терминального оборудования.
Обеспечение подвижных абонентов услугами связи является обязательным условием существования человека будущего в электронной среде обитания. Двигаясь по пути создания информационного общества, наша страна должна гарантировать своим гражданам самые современные услуги связи.
Литература:
1. Регламент радиосвязи (МСЭ) и Регламент радиосвязи Российской Федерации
2. Беспроводный доступ абонентских линий, Том 1, Справочник по подвижной связи (включая беспроводный доступ), МСЭ
3. Подходы и принципы эволюции к системам IMT-2000/FPLMTS,
Том 2, Справочник по подвижной наземной связи (включая беспроводный доступ), составленный Сектором радиосвязи МСЭ 28 февраля 1997 г.
4. Концепция развития в России до 2022 года сетей сухопутной подвижной радиосвязи общего пользования (в части сотовых, радиально-зоновых и радиальных сетей), одобренная решением ГКЭС России от 23 февраля 1994г., Вестник связи № 4 , 1994 г.
Сети подвижной радиотелефонной связи
Современные СПРС (сети подвижной радиотелефонной связи (или мобильной связи)) имеют несколько разновидностей. Так, разделяют наземные СПРС и спутниковые. К первому типу относятся:
- Сети подвижной радиосвязи личного пользования
- Сотовые СПСР, которые позволяют пользователям подключаться к любым внешним открытым территориальным ресурсам
Архитектура, которая строится вокруг СПРС – радиальная. То есть, в центре сети располагается БС (базовая станция), «раздающая» радиосигнал всем остальным приемопередатчикам сети (как автономным, так и мобильным). При этом, мобильные приемопередатчики и коммутаторы имеют круговую диаграмму направленности.
Есть еще один тип архитектуры СПРС – транкинговая. В таком случае в системе будут применены ретрансляторы, а наилучший канал для каждого конкретного вызова будет подбираться автоматически.
Спутниковые СПРС включают такие системы, как:
- Низкоорбитальные
- Среднеорбитальные
- Высокоэллиптические
- Геостационарные
Геостационарные предполагают расположение спутника на высоте около 35 000 м, а высокоэллиптические – спутник находится в самой высшей точке – апогее.
Мы предлагаем вам подробное консультирование на счет телефонной радиосвязи любого типа. Чтобы воспользоваться этой услугой – позвоните в нашу Компанию по телефону, указанному вверху.
Для того чтобы пользоваться радиотелефонной спутниковой связью, абонент должен заключить договор с компанией-оператором, который предоставляет такую услугу.
Также необходимо приобрести мобильный спутниковый радиотелефон. Это обычно двухстандартный телефон, кроме стандарта спутниковой связи поддерживает еще какой-то из стандартов сотовой связи, например GSM-900/Globalstar.
Абоненту услуги мобильной спутниковой связи обеспечивается качественная телефонная связь (а с недавних пор и видеосвязь) практически с любого участка земного шара. Это достигается непосредственной передачей радиосигнала с телефонного аппарата на один из спутников той или иной глобальной системы связи.
Кроме передачи голоса абонентам предоставляются дополнительные услуги: отправка коротких сообщений, голосовой почты и переадресации, местоопределения, ожидания и удержания вызова, глобальный роуминг и закрытые абонентские группы.
Однако использование технологии спутниковой связи накладывает ряд ограничений. В частности, в спутниковом режиме телефон не работает внутри дома, не отвечает на входящие вызовы при сложенной спутниковой антенне, нестабильно работает тогда, когда есть высокие препятствия (например, на узких улицах с высокими домами, в плотном лесу и т.п.).
Поэтому у абонентов на сегодня пользуются большим спросом двухстандартные телефоны. Когда абонент находится в зоне действия сотовой сети, телефон работает по стандарту сотовой связи, а при отсутствии сети или плохого качества связи можно переключиться в спутниковый режим работы (если абонент находится под открытым небом).
Отличительными чертами современных систем спутникового радиотелефонной связи являются:
- применение цифровых технологий для передачи речи и данных, повышение качества и надежности связи, расширение спектра услуг;
- интеграция с традиционными наземными системами мобильной связи (прежде всего с цифровыми сотовыми);
- совместимость и взаимодействие сетей мобильной спутниковой радиосвязи с телефонной сетью общего пользования на любом иерархическом уровне (местной, внутризоновой, междугородней);
- многообразие типов абонентских терминалов: стационарные, передвижные, портативные и т.д..
На сегодняшний день в мире насчитывается более 30 национальных и международных (региональных и глобальных) проектов, предоставляющих услуги радиотелефонной спутниковой связи (как удачных, так и не очень). Среди них самые известные: Globalstar, Iridium, ICO (Айко)
Рассмотрим некоторые из них.
Система globalstar
Globalstar («Глобалстар») представляет собой консорциум из международных телекоммуникационных компаний, основанный в 1991 году. Система Globalstar разработана для предоставления высококачественных спутниковых услуг широкому кругу пользователей, включающих голосовую связь, службу коротких сообщений, роуминг, позиционирование, факсимильную связь, передачу данных, а также определения местонахождения и асинхронную передачу факсимильных сообщений и данных со скоростью до 9,6 кбит/с.
Спутниковая группировка Globalstar состоит из 48 основных и 4 запасных спутников, располагающихся на низкой орбите на высоте 1414 км от поверхности Земли.
В системе Globalstar применяются абонентские терминалы нескольких типов:
- портативные (трубка в руке), аналогичные сотовым телефонам (например, Telit SAT550);
- мобильные (устанавливаемые на подвижных средствах);
- стационарные телефонные аппараты, концентраторы, таксофоны.
Портативные и мобильные абонентские терминалы могут поддерживать несколько стандартов — для работы не только в системе Globalstar, но и в сотовых сетях. Так, существуют:
- Globalstar / AMPS / CDMA — трехрежимные терминалы;
- Globalstar / GSM — двухрежимные терминалы;
- Globalstar — одномодовые терминалы.
Портативные спутниковые телефоны Globalstar лишь ненамного крупнее существующих сотовых телефонов и изготавливаются тремя ведущими производителями: Ericsson, Qualcomm и Telital.
Система iridium
Данная система обеспечивает 100% покрытие поверхности Земли, включая оба полюса. Благодаря 6 орбитальным плоскостям и полярным орбитам связь обеспечивается даже в полярных областях с равным качеством, как и на экваторе. Каждая орбита содержит по 11 спутников.
Спутники находятся на низких околоземных орбитах с наклонением 86,5° на высоте примерно 780 км. Спутники имеют связь друг с другом по радиоканалу работающему в диапазоне Ка. Межспутниковая связь позволяет иметь минимум наземных станций сопряжения, поскольку информацию собранную с других спутников на наземную станцию передает спутник пролетающий над ней в данный момент времени.
Связь между спутниками и абонентскими терминалами осуществляется с помощью TDMA и FDMA систем доступа к радиочастоте, использующих спектр диапазона L с 1616 и до 1626,5 МГц. В данном диапазоне Iridium использует полосу спектра шириной 7,775 МГц.
В качестве внешних антенн абонентских терминалов используется низкопрофильная антенна типа «шайба» с усилением 3 дБ, волновым сопротивлением 50 Ом, с правой круговой поляризацией и КСВ 1.5:1. По своим характеристикам такие антенны очень близки к антеннам разработанным для приема сигналов GPS, таким образом, одна антенна может быть использована одновременно и для передатчика Iridium и приема GPS.
Тип модуляции используемый для связи, как правило, DE-QPSK, хотя DE-BPSK используется по восходящей линии связи (абонент — спутник) для занятия частотного ресурса и синхронизации. Длительность каждого тайм-слота равна 8,28 мс, длительность кадра — 90 мс.
Внутри каждого канала FDMA есть четыре временных интервалов TDMA в каждом направлении. Этот метод известен как мультиплексирование с разделением по времени. Независимо от метода используемой модуляции, связь между мобильными терминалами и спутниками осуществляется на скорости 25 килобод.
Каналы отстоят друг от друга на 41,666 КГц, каждый канал занимает полосу в 31,5 КГц — это дает пространство в частотном диапазоне для сдвига частоты из-за эффекта Доплера.
Система спутниковой связи Iridium давно используется в России, несмотря на то, что все необходимые разрешения от российских властей система получила лишь в сентябре 2022 года. С технической точки зрения наличие разрешений и локальная станция сопряжения не требуются, поскольку сигнал поступает от абонента на спутник, а оттуда через другие спутники системы — на головную станцию в США, где и происходит коммутация канала связи с наземными каналами.
В 2022 году правительственная комиссия по федеральной связи и технологическим вопросам информатизации одобрила начало официальной работы в России системы мобильной спутниковой связи Iridium. К этому времени оператор провёл сертификацию абонентского оборудования и получил от Государственной комиссии по радиочастотам разрешение на использование частотного ресурса, а от Федерального агентства связи разрешение на использование нумерации.
