Лекция Сети. Классификация радиостанций овд
 Скачать 0.94 Mb.
|
|
Сотовые сети связи При всех достоинствах транкинговых сетей в условиях крупного города на ограниченной территории они не в состоянии удовлетворить потребности в радиотелефонной связи очень большого количества подвижных пользователей из-за относительно небольшого количества используемых частот. Увеличение количества одновременно работающих пар корреспондентов при ограниченном числе используемых частот может быть достигнуто повтор- ным назначением частот корреспондентам. Для этого необходимо: – разделение всей обслуживаемой территории на небольшие ячейки (соты); – назначение одинаковых групп частот корреспондентам, находящимся в несмежных ячейках; – использование для связи маломощных радиопередатчиков, исключаю- щих создание взаимных помех в ячейках с одинаковыми группами частот. Перечисленные условия реализованы в сотовых сетях радиосвязи. 85 Они созданы с целью обеспечения качественной телефонной связью большого количества подвижных пользователей, находящихся в зонах обслу- живания. Сети обеспечивают: – связь подвижных пользователей между собой; – связь подвижного объекта с абонентами городских, междугородных и международных телефонных сетей, а также, наоборот, связь перечисленных абонентов с подвижным объектом. Сети имеют структуру, основанную на сотовом построении и распреде- лении частот. Территория, обслуживаемая сетью, делится на большое количе- ство небольших ячеек (сот) радиусом 1,5…5 км, каждая из которых обслужи- вается одной или несколькими базовыми радиостанциями небольшой мощно- сти, находящимися в ячейке (рис. 2.29). Для связи подвижных объектов с базо- вой станцией и базовой станции с подвижными объектами в ячейке использу- ется небольшая группа частот, обеспечивающая возможность одновременного ведения переговоров несколькими абонентами. Каждая группа частот в зоне обслуживания используется многократно, повторяясь в несмежных ячейках в соответствии с определенными правилами. Соты К абонентам телефонной сети общего пользования Базовые станции Рис. 2.29. Структурная схема сотовой сети NMT-450 Это позволяет обеспечить высококачественной связью большое количе- ство абонентов в условиях наличия ограниченного частотного ресурса. Число каналов базовой станции обычно кратно 8 (8, 16, 24, …). Один из каналов является управляющим (иногда его называют каналом вызова). На этом канале происходит вызов подвижного абонента базовой станцией. Любой из каналов сотовой связи представляет собой пару разнесенных частот для дуплексной связи подвижного абонента и базовой станции. Территория, обслуживаемая сотовой сетью, делится на зоны. В каждой зоне все базовые станции соединены выделенными проводными и радиоре- лейными каналами связи с центром коммутации подвижной связи MSC (Mobil АТС коммутации Зона обслуживания 1 Центр Зона обслуживания 2 Центр коммутации 2 АТС 86 Services Switching Center), который выполняет функции управления зоной и обеспечивает сопряжение сотовой сети с сетью телефонной связи общего пользования через АТС. Он осуществляет контроль перемещения подвижных станций сети, организует эстафетную передачу этих станций, в процессе кото- рой достигается непрерывность связи при перемещении подвижной станции из одной соты в другую и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностей, производит соединение подвижного абонента с абонентом телефонной сети общего пользования и др. Вызов подвижного абонента осуществляется следующим образом. Если его радиотелефон находится в режиме ожидания, то приемное устройство это- го радиотелефона постоянно сканирует либо все каналы сети, либо только управляющие каналы. При сканировании осуществляется перестройка по ча- стотам каналов в определенном порядке. Для вызова определенного абонента все базовые станции сети на частоте управляющего канала передают сигнал вызова, включающий идентификатор абонента. Радиотелефон вызываемого абонента автоматически передает ответ базовой станции по управляющему каналу. Базовые станции, принявшие ответ подвижного абонента, передают сведения о параметре принятого сигнала в центр коммутации, который выде- ляет для связи радиоканал той базовой станции, где зафиксирован максималь- ный уровень сигнала от подвижного абонента. Так как вызывающим может быть другой подвижный абонент, находящийся в другой ячейке сети, или або- нент телефонной сети общего пользования, то сигнал вызова проходит по со- ставному радиопроводному каналу. Следовательно, сотовые сети являются комбинированными радиопроводными сетями. Для вызова подвижным абонентом абонента телефонной сети общего пользования первый набирает нужный номер на панели радиотелефона. Ра- диотелефон автоматически находит один из пригодных для связи по уровню сигнала свободных разговорных каналов в той ячейке, в которой он находится и по нему передает сигнал «канал занят», адресованный базовой станции. Ба- зовая станция транслирует принятый сигнал в центр коммутации, который че- рез базовую станцию посылает подтверждение. Подвижный абонент, получив подтверждение из центра коммутации, в свою очередь, предает через базовую станцию свое подтверждение в центр коммутации. Только после установления связи в центр коммутации передается номер нужного абонента и центром устанавливается соединение проводного канала с радиоканалом. По мере удаления абонента от базовой станции уровень сигнала умень- шается, что ведет к ухудшению качества связи. Восстановление качества до- стигается путем автоматического переключения абонента на другой канал свя- зи. Для этого используется специальная процедура, называемая эстафетной передачей. Базовая станция снабжена специальным приемником, периодиче- ски измеряющим уровень сигнала радиопередатчика подвижного абонента и сравнивающим этот уровень с допустимым пределом. Если сигнал становится 87 ниже предела, то информация об этом автоматически передается в центр ком- мутации по служебному каналу связи. Центр коммутации выдает команду об измерении уровня сигнала радиопередатчика подвижного абонента ближай- шим к нему базовым станциям. После получения информации от базовых станций центр коммутации переключает подвижного абонента на канал той из них, где уровень сигнала оказался наибольшим. К первому поколению сотовых сетей принадлежат аналоговые сети, в ко- торых речевая информация передается аналоговыми сигналами. В настоящее время более 40 стран мира используют сети сотовой связи стандартов NMT-450 и NMT-900 (NMT – Nordic Mobile Telephone), работающие в диапазонах частот 450 и 900 МГц соответственно. Основное различие между этими стандартами за- ключается в том, что с повышением номиналов используемых частот стало воз- можным уменьшение габаритов радиотелефона, а также расширение спектра услуг. Основные характеристики стандартов NMT представлены в табл. 2.7. Другим аналоговым стандартом является AMPS (Advanced Mobil Phone Service). Сеть работает в диапазоне 825-890 МГц и имеет 666 дуплексных ка- налов. Мощность передатчика базовой станции составляет 45 Вт, подвижной автомобильной станции – 12 Вт, переносного аппарата – 1 Вт. Ячейки сети имеют форму шестиугольника, в трех углах которого устанавливаются базо- вые станции с антеннами, имеющими ширину диаграммы направленности 120 о (рис. 2.30). Таблица 2.7 Основные характеристики стандартов NMT-450 и NMT-900 Параметры сети NMT-450 NMT-900 Диапазон частот, используемых подвижной станцией: для передачи [МГц]; для приема [МГц]. 453,0-457,5 463,0-467,5 890-915 935-960 Количество частотных каналов [шт.] 180 999 Разнос частот между каналами [кГц] 25 25 Разнос частот приема и передачи в дуплексном канале [МГц] 10 45 Мощность передатчика базовой станции [Вт] до 50 до 25 Мощность передатчика подвижной станции [Вт] 15; 1,5; 0,15 6; 1; 0,1 Радиус ячейки [км] 15…40 2…20 88 9 Рис. 2.30. Модель повторного использования частот с трёхсекторными сотами (AMPS) Во втором поколении сотовых сетей широкое применение нашли цифро- вые стандарты. По сравнению с аналоговыми системами они предоставляют абонентам больший набор услуг и обеспечивают повышенное качество связи. Наиболее распространенным является стандарт GSM (Global System for Mobile Communications). В этом стандарте диапазон частот 890-915 МГц используется для передачи сообщений с подвижных станций на базовую станцию, а диапа- зон частот 935-960 МГц – для передачи сообщений с базовой станции на по- движные радиостанции. Разнос частот между соседними каналами составляет 200 кГц. Таким образом, в отведенной для приема/передачи полосе частот ши- риной 25 МГц размещается 124 канала связи. Для преобразования речевых сообщений в цифровые электрические сиг- налы используется аналогово-цифровой преобразователь – речевой кодек. Об- работка речи осуществляется системой прерывистой передачи речи, которая обеспечивает включение передатчика только тогда, когда пользователь начи- нает разговор и отключает его в паузах и в конце разговора. Информация в се- ти передается со скоростью 270 кбит/с. В рамках стандарта GSM применяют пять классов подвижных станций: от модели 1-го класса с выходной мощностью до 20 Вт, устанавливаемой на транспортных средствах, до модели 5-го класса с максимальной выходной мощностью до 0,8 Вт. При передаче сообщений в станциях предусмотрена адаптивная регулировка мощности передатчика, обеспечивающая требуемое качество связи. Каждый подвижный абонент на время пользования сетью получает стан- дартный модуль подлинности абонента (SIM-карту), который содержит меж- дународный идентификационный номер TMSI, свой индивидуальный ключ аутентификации Кi, алгоритм аутентификации А3. Эта информация использу- ется при взаимном обмене данными между подвижным абонентом и системой управления сети, в процессе которого осуществляется полный цикл аутенти- фикации и разрешается доступ абонента в сеть. 1 2 3 1 4 7 5 8 6 9 4 7 2 3 1 2 3 5 8 6 9 4 7 5 8 6 2 3 5 8 6 9 89 Защита информации в радиоканале осуществляется путем автоматиче- ского шифрования. Алгоритм формирования ключей шифрования хранится в SIM-карте. Таким образом, цифровые сотовые сети обеспечивают более высокое ка- чество передачи информации и в большей степени отвечают требованиям ОВД по своевременности, достоверности и скрытности передачи сообщений. Организация связи абонентов ОВД в сотовых сетях осуществляется на договорной основе. Сети персональной спутниковой и пейджинговой связи Одним из новых направлений развития спутниковой связи с начала 90-х годов прошлого века стали системы связи на базе низкоорбитальных космиче- ских аппаратов. К низкоорбитальным относятся спутники, высота орбит кото- рых находится в пределах 700…1500 км. Для охвата связью всей или большей части территории Земли используются орбиты, лежащие в различных плоско- стях. На каждой из орбит могут находиться несколько космических аппаратов, несущих ретрансляторы радиосигналов. Повышенный интерес к низкоорбитальным системам спутниковой связи объясняется возможностью предоставления услуг персональной связи, вклю- чая радиотелефонный обмен, при использовании сравнительно дешевых мало- габаритных спутниковых терминалов. Низкоорбитальные системы позволяют обеспечить бесперебойную связь между абонентами, размещенными в любой точке Земли. Они практически не имеют альтернативы при организации связи в регионах со слаборазвитой инфраструктурой связи и низкой плотностью населения. Эта особенность имеет существенное значение и для правоохрани- тельных структур. Расследование происшествий и преступлений на газопрово- дах и нефтепроводах, на морском, воздушном, железнодорожном и автомо- бильном транспорте, обеспечение непрерывной связи с подразделениями, находящимися в отрыве от своего региона, и ряд других задач могут быть ре- шены с использованием только таких систем связи. Одним из главных преимуществ низкоорбитальных систем спутниковой связи, способствующих их развитию, является биологический фактор. Уровень мощности непрерывного излучения радиотелефона в соответствии с требовани- ями биологической защиты человека от излучений СВЧ не должен превышать 50 мВт. При низких орбитах спутников – ретрансляторов даже столь малая мощ- ность позволяет обойтись без сложных больших антенн и точного их позициони- рования. Спутниковый телефон представляет собой малогабаритную конструк- цию со встроенной антенной, не требующей ориентации на спутник. В настоящее эксплуатируются коммерческие системы персональной спутниковой связи Globalstar и Iridium, в создании которых участвовала и Рос- сийская Федерация (рис. 2.31). Космический сегмент системы Globalstar содержит 48 спутников – по шесть космических аппаратов в восьми орбитальных плоскостях. Спутники 90 выводятся на круговые орбиты высотой 1400 км с периодом обращения на этих орбитах, равным 114 мин. Структура космического сегмента обеспечива- ет нахождение в поле зрения наблюдателя, находящегося в любой точке зем- ной поверхности (за исключением приполярных областей севернее 70 о с.ш. и южнее 70 о ю.ш.) одновременно двух спутников-ретрансляторов. Срок жизни ретранслятора на орбите составляет около 7,5 лет. На борту каждого космиче- ского аппарата устанавливается оборудование для определения его положения в пространстве и параметров движения – приемник сигналов спутниковой ра- дионавигационной системы Navistar. Абонент 1 Абонент 2 Абонент 1 Абонент 2 Рис. 2.31. Принцип обмена информацией в спутниковых системах Globalstar (слева) и Iridium (справа) Наземный сегмент системы Globalstar предполагает развертывание не- скольких сотен узловых станций, которые сопрягают систему с телефонной се- тью общего пользования. В наземный сегмент также входят центр управления узловыми станциями и центр управления космическими аппаратами (рис. 2.32). Абонентские терминалы работают на передачу на частотах 1610-1626,5 МГц, а на прием – на частотах 2483,5 – 2500 МГц. Предполагается использо- вание трех типов терминалов: стационарных, возимых и портативных (носи- мых). Возимые и носимые терминалы являются двухрежимными, т.е. они мо- гут работать как в сотовых сетях стандартов AMPS, GSM, так и в спутниковой системе. Мощность передатчиков портативных терминалов составляет 0,6 Вт, а стационарных – 3 Вт. Через один спутник – ретранслятор одновременно могут работать 13 000 пар абонентов, а во всей системе – 624 000 пар. 91 Рис. 2.32. Структура спутниковых систем персональной связи Система Globalstar обеспечивает: – связь неподвижных и перемещающихся абонентов как между собой, так и с абонентами телефонных сетей общего пользования в пределах всего земного шара в телефонном режиме и в режиме передачи данных; – персональный радиовызов в пределах всего земного шара; – определение абонентом своего местоположения в любой точке земного шара с точностью до 300 м. В системе Iridium орбитальная группировка состоит из 66 космических аппаратов, с периодом обращения 100 мин., находящихся в 6 орбитальных плоскостях – по 11 аппаратов в каждой плоскости. Диаметр зоны обслужива- ния одного спутника составляет около 4700 км при высоте орбиты 780 км. Вы- бор орбит обеспечивает связью всю территорию Земли, включая приполярные области. Особенностью системы является широкое использование межспутни- ковой связи. Любой космический аппарат одновременно имеет связь с четырьмя другими: – с соседними спутниками на своей орбите (идущими впереди и позади); – с соседними спутниками на орбитах, находящихся слева и справа от него. Расчетный срок службы космического аппарата – 5 лет. Наличие межспутниковой связи позволило сократить число земных уз- ловых станций, которые обеспечивают сопряжение системы с телефонной се- тью общего пользования. С состав системы входят 2 типа абонентских терминалов: возимые и но- симые. Оба типа являются двухрежимными и позволяют осуществлять связь ндно- станции сетей каналы связи связи Центр связью Центр системой Кома 92 или в наземной сотовой сети, или через спутник-ретранслятор. Носимый спут- никовый радиотелефон весит около 800 г. Его сопряжение с сотовыми сетями обеспечивается через дополнительное устройство – SIM-карту. Спутниковый телефон обладает простой системой управления. Набор номера производится с помощью кнопочного поля. Система автоматически находит свободный канал и закрепляет его за абонентом на время разговора. Время установления соеди- нения в 90% случаев не превышает 30 с. Прием и передача в абонентских тер- миналах ведутся в диапазоне частот 1616-1625,5 МГц. Каждый спутник-ретранслятор позволяет одновременно обеспечивать связь 7200 парам абонентов. Вся же система одновременно предоставляет пользователям 322500 дуплексных каналов связи. Система Iridium оказывает пользователям те же услуги, что и система Globalstar. Однако погрешность определения местоположения абонента в этой системе хуже (до 1,6 км). Использование коммерческих систем персональной спутниковой связи органами внутренних дел и отдельными должностными лицами возможно пу- тем абонентского включения их в эти сети. Заметим, что системы персональной спутниковой связи позволяют суще- ственно повысить эффективность деятельности ОВД, особенно в тех регионах, где существуют проблемы со связью. В быту и в служебной деятельности часто возникают ситуации, когда нет необходимости вести двухсторонние переговоры по каналам связи, но суще- ствует потребность в своевременной передаче команд и информации об опре- делённых фактах и событиях. При этом получатель может находиться в любом месте территории, на которой он проживает и выполняет служебные обязанно- сти. В этом случае на помощь приходят сети персонального радиовызова или, как их еще называют, сети пейджинговой радиосвязи, которые обеспечивают одностороннюю передачу команд, сигналов и оперативной информации або- нентам, находящимся в обслуживаемой зоне. Они являются одними из самых массовых и наиболее доступных для пользователей видов сетей связи в регио- нах с высокой плотностью населения. Первый опыт внедрения таких сетей в нашей стране относится к 1980 г., когда в Москве в период летних Олимпийских игр на основе оборудования фирмы Multi-Tone (Великобритания) была открыта первая пейджинговая сеть. Название подобных сетей происходит от английского слова to page (вызывать, выкликать). Структура пейджинговой сети радиосвязи приведена на рис. 2.33. Ее составными частями являются: 1) система сбора информации от абонентов телефонной сети общего пользования и других источников информации; 2) пейджинговый терминал (контроллер); 3) радиопередатчик; 93 4) антенная система; 5) абонентская аппаратура. Система сбора информации обеспечивает прием всех сообщений, адре- сованных абонентам пейджинговой сети. В систему входят рабочие места опе- раторов, оснащенные ЭВМ, автоответчики, а также сервер – ЭВМ. Последний является «хранилищем» всех данных, необходимых для работы, а также сооб- щений, адресованных абонентам. Радиопередатчик с антенной системой От модемов От телефонов От телефаксов От радиотелефонов К другому кон- троллеру Пейджеры абонентов Рис. 2.33. Пейджинговая сеть, обеспечивающая связь в одной |