Радиотехника. В. И. Левченко Минобрнауки России, Омгту. Омск Издво Омгту
 Скачать 4.77 Mb.
|
|
3.6.2. Спутниковые телекоммуникационные системы Идея создания на Земле глобальных систем спутниковой связи была выдвинута в 1945 г, задолго до появления искусственных спутников Земли, писателем-фантастом Артуром Кларком. Он предложил создать системы спутников связи на геостационарных орбитах, ноне запатентовал это изобретение, так как считал, что реализовать подобное на практике невозможно. Однако идея А. Кларка стала реальностью уже через 12 лет, когда появились баллистические ракеты, с помощью которых 4 октября 1957 г. в нашей стране впервые в мире на орбиту был запущен первый искусственный спутник Земли(ИСЗ). Главным конструктором первых космических систем был выдающийся ученый, академик Сергей Павлович Королев Для контроля за полетом ИСЗ на нем был размещен малогабаритный радиопередатчик – маяк, работающий в диапазоне 27 МГц. Это была первая передача радиосигнала из космоса. 2 2 апреля 1961 г. впервые в мире на советском космическом корабле Восток первый космонавт Юрий Алексеевич Гагарин совершил исторический полет вокруг Земли. При этом космонавт имел регулярную связь с центром управления по радио. Это была первая двусторонняя радиосвязь между Землей и космическим объектом. 73 У истоков создания отечественных спутниковых радиосистем стояли выдающиеся отечественные ученые и инженеры, возглавлявшие крупные научные центры. Решающее значение сыграли космические аппараты и их носители, созданные в НПО Прикладная механика (г. Железногорск, Красноярский край, возглавляемом учеником С. П. Королева академиком М. Ф. Решетневым. Бортовые ретрансляторы для первых спутников связи разрабатывались в Московском научно-исследовательском институте радиосвязи (МНИИРС). На Омском производственном объединении Полет производились ракета-носитель «Космос-3М», спутники для навигационно-связной системы Парус, Цикада, космические аппараты глобальной навигационной системы ГЛОНАСС. Спутниковую связь можно рассматривать как вариант радиорелейной связи, ретранслятор которой вынесен на очень большую высоту (рис. 3.17). Рис. 3.17. Связь через спутник При высоте спутника значительно большей, чем диаметр Земли, достигается площадь покрытия радиолучом почти половины земного шара и необходимость в цепочке ретрансляторов отпадает. А при низколетящих спутниках их запускают несколько десятков и осуществляют ретрансляцию сигналов между ними. Спутники связи весьма эффективны по стоимости при передаче больших массивов данных на большие расстояния, поэтому системы связи этого типа используются в больших, географически распределенных организациях, а также там, где нельзя применить кабельные или радиорелейные линии связи. 74 Главное преимущество спутниковой связи – возможность осуществлять высокоскоростную и высококачественную связь на высоких несущих частотах с покрытием больших территорий наземной поверхности. Для российских условий это особенно актуально, так как в нашей стране наземные телекоммуникационные сети развиты далеко не повсеместно. Спутниковый интернет, телефония, корпоративная спутниковая сеть, мобильная спутниковая связь, видео-конференц-связь, аудио-конференц- связь, передача данных различного объема, спутниковые каналы связи и телевидения – далеко неполный список возможностей спутниковой связи. Однако при всем развитии технология все же имеет и свои недостатки. Один из ключевых минусов системы – задержка распространения сигнала. Это особенно критично в телефонной связи в реальном времени. Следует также отметить, что на качество спутниковой связи оказывают некоторое влияние и атмосферные явления. Орбиты, на которых размещаются спутниковые ретрансляторы, подразделяют натри класса экваториальные, наклонные, полярные (рис. 3.18). Рис. 3.18. Орбиты ретрансляторов Важной разновидностью экваториальной орбиты является геостационарная орбита (ГСО) с высотой около 36 000 км, на которой спутник вращается с угловой скоростью, равной угловой скорости Земли (1 оборот за сутки, в направлении, совпадающем с направлением вращения Земли. Очевидным преимуществом геостационарной орбиты является то, что 75 спутник висит над зоной обслуживания постоянно и наземные приемные антенны не нуждаются в системах слежения за положением спутника. Современные спутники, работающие на геостационарной орбите, имеют достаточно высокую точность удержания в заданной точке (как правило, не хуже 0,1 градуса по долготе и наклонению. Однако с учётом интервалов безопасности между спутниками на геостационарной орбите их число ограничено. Другим её недостатком является большая высота (35 786 км, а значит, и большая цена вывода спутника на орбиту. Большая высота ГСО приводит также к большим задержкам передачи информации (время прохождения сигнала от одной наземной станции до другой через геостационарный спутник даже теоретически не может быть менее 240 мс – две высоты орбиты, деленные на скорость света. Кроме того, плотность потока мощности у земной поверхности в точке приема сигнала падает по направлению от экватора к полюсам из-за меньшего угла наклона вектора электромагнитной энергии к земной поверхности, а также из-за увеличивающегося пути прохождения сигнала через атмосферу и связанного с этим поглощением. Поэтому спутник на ГСО практически неспособен обслуживать земные станции в приполярных областях. В настоящее время на ГСО находятся несколько сотен ИСЗ для связи и вещания, что приводит к необходимости международного регулирования и координации использования этой орбиты во избежание взаимных помех между различными системами связи. В настоящее время в нашей стране на ГСО находятся ИСЗ типа Горизонт, Экран, Галс, Ямал. Создателем и оператором системы Ямал является ОАО «Газпром космические системы. Этой системой оказываются услуги по организации каналов связи и передачи данных, видео-конференц-связи, распределительного телевидения, спутникового доступа в Интернет. На ее основе реализуются сети центрального телевидения и телевидения российских регионов, дистанционного образования и телемедицины. В последнее десятилетие ХХ в. началось создание российского космического аппарата (КА) Экспресс. Экспресс – серия геостационарных телекоммуникационных спутников, принадлежащих российскому оператору ФГУП Космическая связь. Наклонная орбита позволяет решить эти проблемы, однако из-за перемещения спутника относительно наземного наблюдателя необходимо 76 запускать не меньше трёх спутников на одну орбиту, чтобы обеспечить круглосуточный доступ к связи. Полярная орбита – предельный случай наклонной (с наклонением 90º). При использовании наклонных орбит земные станции оборудуются системами слежения, осуществляющими наведение антенны на спутники его сопровождение. В 1962 г. в США был выведен па орбиту спутник связи и телевидения Telstar-l . Спутник находился на орбите высотой 632 км с периодом обращения мин. Это не позволяло транслировать телевизионные передачи на территорию страны дольше 30–45 мин. 23 апреля 1965 г. в СССР состоялся запуск искусственного спутника связи Молния. Эта спутниковая линия для дальней радиосвязи и телевидения, разработанная МНИИРС и Научно-исследовательским институтом радио (НИИР), связала Москву и Владивосток. Она работала в диапазоне частот ниже 1 ГГц. Она предназначалась для передачи ТВ-программ или группового спектра 60 телефонных каналов. Спутник Молния был выведен на высокоэллиптическую орбиту с апогеем около 40 тыс. км, с перигеем около 500 км и периодом обращения вокруг Земли 12 ч. Орбита спутника Молния (рис. 3.19) была удобна для обслуживания территории нашей страны, расположенной в северных широтах, так как в течение восьми часов на каждом витке ИСЗ был виден с любой точки страны, что многократно превышало возможности американской системы. Рис. 3.19. Орбита спутника Молния 77 В 1965 г. в США выведен на орбиту спутник связи будущей системы Intelsat – Intelsat-l , известный как Early Bird (Ранняя птаха. Обеспечивал телефонных голосовых каналов или один двусторонний телевизионный канал между США и Европой. В 1971 гс запуском новых спутников Intelsat-4s обеспечивал 4000 телефонных каналов, а к началу х гг. Intelsat являлся самой обширной спутниковой системой связи в мире. Особенностью большинства систем подвижной спутниковой связи является маленький размер антенны терминала, что затрудняет прием сигнала. Для того чтобы мощность сигнала, достигающего приёмник, была достаточной, применяют одно из двух решений − спутники располагаются на геостационарной орбите, но так как эта орбита удалена на расстояние почтив км, тона спутнике устанавливается мощный передатчик с направленной антенной. Этот подход используется системой Inmarsat (основной задачей которой является предоставление услуг связи морским судами некоторыми региональными операторами персональной спутниковой связи (например, Thuraya); − на наклонных или полярных орбитах располагается большое количество спутников. При этом требуемая мощность передатчика не так высока, и стоимость вывода спутника на орбиту ниже. Однако такой подход требует не только большого числа спутников, но и разветвленной сети наземных коммутаторов (рис. 3.20). Подобный метод используется в системах и отечественной системе Гонец. Рис. 3.20. Система связи с несколькими низколетящими ИСЗ Орбитальная группировка спутников связи России по состоянию на март 2016 г. состояла из 12 космических аппаратов (КА) Экспресс, 4 КА Ямал, 13 КА Гонец и 3 КА Лучи имеет тенденцию к наращиванию. 78 Кроме этого, развивается отечественная Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС), содержащая около 30 спутников и являющаяся альтернативой и дополнением к американской системе позиционирования. Несмотря на достоинства систем спутниковой связи и навигации, Министерством связи РФ рассматриваются и альтернативные технологии, в частности аэростатное направление как альтернатива спутниковой группировке в Арктической зоне, где связь с помощью геостационарных спутников невозможна. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ В развитии телекоммуникаций на современном этапе существует ряд тенденций, качественно меняющих понятие и содержание привычных нам услуг телефонии и телевидения. 1. Цифровизация. Переход к цифровым сигналам обеспечивает высокую помехоустойчивость передачи, повышает ее качество и надежность, существенно сокращает веси габариты оборудования. Поскольку представление цифрового сигнала одинаково для всех видов трафика, то это создает реальную платформу для их объединения водном канале передачи. 2. Глобализация. Телекоммуникационные сети приобретают практически всемирный характер. Это касается и телефонии, когда мы можем связаться с абонентом в любой стране, и передачи данных (сеть Интернет. Примерами глобальных сетей также являются сети сотовой связи (GSM, NMT и др, сети спутниковой связи (InMarSat, Global Star и др. 3. Персонализация. С появлением сотовых телефонов, терминалов спутниковой связи телекоммуникации все больше привязываются не к месту нахождения терминала (телефонный аппарат, телевизор и т. пак персоне, человеку, который носит или возит терминал с собой. 4. Мобильность. Эта тенденция существовала и раньше, но сейчас она развивается в массовых средствах связи благодаря развитию технологий радиосвязи, которые являются беспроводными, и поэтому обеспечивают услугами абонентов, находящихся в движении, как при перемещении пешком, таки в автомобиле или даже самолете или космическом аппарате. 5. Интеграция услуг. Цифровые сигналы позволяют объединить разнородный трафик (голос, данные, видео) водном цифровом потоке. 79 Анализ тенденций развития спутниковой связи и вещания показывает, что идет постепенное расширение использования новых телекоммуникационных технологий при сохранении преемственности с уже развернутыми наземными сетями спутниковой связи и вещания. Что лучше – спутники или оптоволокно? Такое сравнение не только уместно, но и поучительно. Всего лишь 25 лет назад люди смогли осознать, что будущее телекоммуникационных систем за спутниками связи. В 1984 г. в США и чуть позднее в Европе стала возникать конкурентная борьба, которая привела к радикальным изменениям технологий связи. Телефонные компании занялись прокладкой оптического волокна для междугородной телефонии и стали предоставлять услуги высокоскоростного доступа в Интернет, например по ADSL (Asymmetric Digital Subscrib- er Line – Асимметричная цифровая абонентская линия. Наконец-то стали снижаться искусственно завышенные тарифы на дальнюю связь, за счет которых долгое время удерживались низкие тарифы на местные переговоры. Довольно неожиданно оптоволоконные кабели завоевали лидирующие позиции среди других каналов связи. Тем не менее у спутников имеются свои области применения, в которых оптоволокно не может быть применено. Во-первых, если речь идет о быстром развертывании системы связи, преимущество спутников бесспорно. Быстрая реакция крайне важна для военных целей, особенно вовремя войны, а в мирное время – для служб МЧС. Вторая область применения спутников – связь в регионах с плохо развитой наземной инфраструктурой. Сети мобильной связи хорошо покрывают регионы с большой плотностью населения, нов других местах например, в море или пустыне) они почти недоступны. Iridium же предоставляет услуги голосовой связи по всему миру, даже на Южном полюсе. Третья область – широковещание (радио и телевидение. Пакет данных, отправленный со спутника, одновременно принимается тысячами наземных станций. Поэтому со спутников вещают многие сетевые телеканалы. На современном рынке даже есть услуга прямого вещания со спутника спутниковый телевизионный или радиоприемник устанавливается прямо в доме или автомобиле пользователя. 80 В целом основным средством телекоммуникаций на Земле, вероятно, будет комбинация оптоволокна и сотовой радиосвязи, но для некоторых специальных применений будет использоваться спутниковая система. Однако если будет продолжаться удешевление спутниковых систем (например, если какие-нибудь будущие космические корабли будут способны выводить на орбиту одновременно десятки спутников связи, а низкоорбитальные спутники постепенно будут все больше использоваться в телекоммуникациях, тоне исключено, что они приблизятся по эффективности к оптоволоконным сетям [6]. Контрольные вопросы к теме 3 1. Явление электромагнитной индукции и его первооткрыватель. 2. Уравнения, лежащие в основе теории распространения электромагнитных волн. 3. Роль Г. Герца в подтверждении электромагнитной теории. 4. Принцип действия когерера. 5. Принцип действия радиоприемника АС. Попова. Дата и место демонстрации устройства. 6. Содержание первого текста, переданного по радио АС. Поповым. 7. Достижения Г. Маркони в развитии радио. 8. Достижения Н. Теслы. 9. Изобретение амплитудной модуляции. Амплитудный детектор. 10. Принцип частотной модуляции. 11. В каких диапазонах радиочастот можно осуществить дальнюю загоризонтную) радиосвязь без ретрансляции 12. Какую ориентировочную дальность связи можно обеспечить в УКВ-диапазоне при высотах передающей и приемной антенн 2 мВ чем состоит преимущество геостационарной орбиты перед низкой орбитой 14. С какой целью создаются системы связи с использованием ИСЗ на низких орбитах 15. Поясните основные принципы построения низкоорбитальных спутниковых систем связи. 16. За счет чего возникает запаздывание сигналов в спутниковых системах связи 81 Список рекомендуемой литературы 1. Каганов, В. И. Радиотехника от истоков до наших дней : учеб. пособие В. И. Каганов. – М. : Форум : НИЦ ИНФРА-М, 2015. – 352 с. 2. Штыков, В. В. Введение в радиоэлектронику : учебники практикум для вузов / В. В. Штыков. – е изд, испр. и доп. – М. : Юрайт, 2016. – 271 с. 3. Украинцев, Ю. Д. История связи и перспективы развития телекоммуникаций учеб. пособие / Ю. Д. Украинцев, МА. Цветов. – Ульяновск : УлГТУ, 2009. – 128 с. 4. Богомолов, СИ. Введение в специальность Радиосвязь, радиовещание и телевидение : учеб. пособие / СИ. Богомолов. – Томск : Факультет дистанционного обучения ТУСУР, 2010. – 162 с. 5. Одинец, АИ. История отрасли : конспект лекций / АИ. Одинец, ЛИ. Федорашко. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2008. – 47 с. 6. Телекоммуникационные системы и сети : учеб. пособие / Г. П. Кату- нин и др ; под ред. профессора В. П. Шувалова. – Изд. е, испр. и доп. – М. : Горячая линия-Телеком, 2004. – Т. 2. Радиосвязь, радиовещание, телевидение с. 7. Шарле, Д. Генрих Герц – любимец богов к 140-летию со дня рождения Д. Шарле // Электросвязь : ежемес. науч.-техн. журн. по проводной и радиосвязи, телевидению, радиовещанию. – 1997. – № 2. – С. 42–45. 8. Чистяков, Н. Пропущенный юбилей к изобретению Эдисоном машинного телеграфа / Н. Чистяков // Электросвязь : ежемес. науч.-техн. журн. по проводной и радиосвязи, телевидению, радиовещанию. – 1991. – № 7. – С. 45–47. 9. Фролова, О. В. Александр Степанович Попов. Путь ученого / О. В. Фролова // Вестник связи : ежемес. науч.-техн. журн. – 2009. – № 2. – С. 50–52. 10. Карпов, Е. А. К 110-летию изобретения радио / Е. А. Карпов // Электросвязь : ежемес. науч.-техн. журн. по проводной и радиосвязи, телевидению, радиовещанию. – 2004. – № 8. – С. 48–49. 11. Крыжановский, Л. Гульельмо Маркони и зарождение радиосвязи / Л. Крыжановский // Радио аудио, видеосвязь, электроника, компьютеры. – 1995. – № 1. – С. 15–17. 82 12. Шнейберг, Я. А. Основоположник радиотехники и техники СВЧ к 150-летию со дня рождения Н. Теслы) / Я. А. Шнейберг // ЭИС. Электросвязь история и современность. – 2007. – № 2. – С. 12–17. 13. Быховский, МАК й годовщине изобретения радио. Вклад отечественных ученых в развитие радиоэлектроники и создание современной теории связи / МА. Быховский // Электросвязь : ежемес. науч- техн. журн. по проводной и радиосвязи, телевидению, радиовещанию. – 2005. – № 5. – С. 2–5. 14. Поляков, ВТ. Приемники Н. Теслы Электронный ресурс / ВТ. Поляков Режим доступа http://news.cqham.ru/articles/detail.phtml?id=738 дата обращения февраль 2017 г. 15. Спутниковые системы связи мира Электронный ресурс. – Режим доступа http://www.mobile-networks.ru/articles/sputnikovye_sistemy_svjazi_ mira.html дата обращения февраль 2017 г. 83 Тема 4 МОБИЛЬНАЯ СОТОВАЯ СВЯЗЬ Связь называют мобильной, если источник информации либо ее получатель (или оба) в процессе обмена информацией перемещаются в пространстве. Мобильная сотовая связь, возникнув как направление развития телефонии, вскоре объединила в себе практически все основные телекоммуникационные функции – телефонию, телеграфию, передачу данных и изображений. ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ МОБИЛЬНОЙ СОТОВОЙ СВЯЗИ В данной теме под мобильной связью будем понимать индивидуальную мобильную радиосвязь. Впервой половине XX в. нельзя было представить, что кто-то будет способен носить килограммовый радиотелефон. Поэтому вначале были разработаны телефоны, предназначенные для монтажа исключительно в автомобилях. Но уже в е годы началось уменьшение их массогабаритных характеристик. К началу х гг. телефоны весили уже всего 12–14 кг, при этом питание аппарата по-прежнему осуществлялось от бортовой сети автомашины. Мало кто знает, что именно Россия является первооткрывателем в области мобильной связи. В нашей стране первая полностью автоматическая дуплексная система профессиональной автомобильной радиосвязи под названием Алтай была разработана в 1958 г. Новшеством было то, что система сама находила свободный радиоканал, устанавливала связь, передавала набираемый телефонный номер и гарантированно связывала абонентов. Даже внешний дизайн телефона в автомобиле был изменен – вместо наборного диска были кнопки (рис. 4.1). Но все же Алтай не был полноценной сотовой системой она имела только одну ячейку, в которой была одна базовая станция с 16 радиоканалами. В условиях среднепересеченной местности при установке антенны базовой станции на высоте 100 м дальность связи в системе Алтай составляла всего от 10 до 30 км. Проблема веса и габаритов для мобильной связи, конечно, важна, нона пути развития мобильной индивидуальной связи была более серьезная проблема – увеличение числа абонентов. 84 Рис. 4.1. Автомобильный радиотелефон Алтай Увеличение количества радиосредств при ограниченном частотном ресурсе на длинных, средних и коротких волнах приводило к сильным взаимным помехам для радиостанций, работающих на близких по частоте каналах, что значительно ухудшало качество связи. Для повторного использования тех же частот необходимо было обеспечить как минимум стокилометровый разнос по пространству между двумя группами радиосистем. Поэтому мобильная связь, имеющая весьма малое количество каналов, вначале использовалась для нужд специальных служб (военные ведомства, органы внутренних дел, пожарная служба, скорая медицинская помощь и т. п. Для массового внедрения требовалось изменить сам принцип организации связи, который позволил бы устранить или хотя бы снизить влияние взаимных помех. Исследования УКВ-диапазона волн, проводимые в е гг. XX в, позволили выявить не только его основное преимущество перед короткими волнами – широкодиапазонность, те. большая частотная емкость, но и основной недостаток УКВ – неспособность огибать земную поверхность, поэтому дальность связи обеспечивалась только на линии прямой видимости. Этот недостаток впоследствии был обращен лабораторией Bell Laboratories в преимущество, позволяющее использовать одни и те же частоты при достаточно небольшом расстоянии между группами абонентов, что явилось главным условием массового внедрения сотовой телефонной связи. 85 ПРИНЦИП РАБОТЫ СОТОВОЙ СВЯЗИ В 1947 г. лаборатория Bell Laboratories (компания AT&T) впервые выступила с предложением создать мобильную систему связи на основе принципиально новой идеи, предложенной сотрудником этой лаборатории Д. Рингом. Идея Д. Ринга сводилась к следующему территория покрытия разбивается на небольшие участки (соты) радиусом 1–5 км, каждый из которых обслуживается собственным маломощным приемопередатчиком фиксированного радиуса действия. В соседних сотах используются различные частоты. Соты имеют форму, близкую к окружности, однако на модели их легче представить в виде шестиугольников. На рис. 4.2 все соты одного размера. Они объединены в группы по семьсот. Каждая буква соответствует определенному набору частот. Ячейками с одинаковыми наборами частот разделены на расстояние примерно двух ячеек, в которых данные частоты не используются, и это обеспечивает хорошее разделение сигналов одинаковых частот и низкий уровень помех. Рис. 4.2. Пример распределения частот в сотах В центре каждой ячейки располагается базовая приемно-передающая радиостанция, которая обеспечивает радиосвязь в пределах ячейки со всеми абонентами. Для обеспечения бесперебойной связи при переходе абонента от одной зоны к другой применяется компьютерный контроль за телефонным сигналом, излучаемым абонентом. Именно компьютерный контроль позволяет быстро, незаметно для абонента, переключать мобильный телефон с одной базовой станции на другую. При этом без прерывания связи изменяется частота настройки канала. 86 Размеры соты определялись максимальной дальностью связи радиотелефонного аппарата с базовой станцией. Эта максимальная дальность получила название радиуса соты Малогабаритная абонентская радиостанция – мобильный телефон – это комбинация телефона, приемопередатчика и мини-компьютера. Абоненты связываются между собой через базовые станции, которые соединены друг с другом и с городской телефонной сетью общего пользования. СТРУКТУРА СОТОВОЙ СЕТИ СВЯЗИ Структура сотовой сети связи приведена на рис. 4.3. Первая базовая станция (БС) для системы мобильной связи была установлена апреля 1973 г. на вершине этажного здания в Нью-Йорке. Она могла обслуживать не более 30 абонентов и соединяла их с наземными линиями связи. В этот день глава подразделения мобильной связи фирмы Motorola Мартин Купер впервые позвонил по увесистому, но уже не автомобильному, а носимому прототипу сотового телефона весом около 1 кг, высотой 25 см при толщине около 5 см. В 1978 г. в Чикаго была открыта первая экспериментальная линия сотовой связи на 2 тыс. абонентов. Рис. 4.3. Структура сотовой сети связи БС – базовая станция ЦКПС – центр коммутации подвижной связи ТФОП – телефонная сеть общего пользования 87 Однако первая коммерческая линия мобильной связи была сдана в эксплуатацию не в США, а в Саудовской Аравии, причем на основе технологии, разработанной в Скандинавии. Произошло это 1 сентября 1981 г. Затем, в том же году, сеть сотовой связи открылась в Финляндии, Швеции, Норвегии, Дании, Исландии. Только после этого мобильная связь общего пользования стала распространяться в других странах, в том числе в США. Причем в Европе получил распространение скандинавский стандарт сотовой связи NMT-450, в Америке – американский AMPS. РАЗМЕРЫ СОТОВЫХ ЯЧЕЕК Число абонентов в сотовой системе связи (ССС) определяется информационной пропускной способностью базовой станции и числом базовых станций (числом сотовых ячеек, которое возрастает по квадратичному закону с уменьшением радиуса рабочей зоны при одинаковых радиусах зон обслуживания. С развитием ССС размеры сотовых ячеек уменьшаются Если вначале радиус рабочей зоны в ССС был равен км, тов настоящее время он составляет в среднем порядкам. Уменьшение радиуса рабочей зоны с 15 до 0,5 км (враз) при одной и той же пропускной способности базовой станции позволяет увеличить враз число подвижных абонентов ССС. На практике размеры сотовых ячеек неодинаковы. Они меньше в зонах с повышенной плотностью абонентов и больше там, где абонентов меньше (рис. 4.4). Рис. 4.4. Пример распределения размеров сотовых ячеек и взаимного разнесения ячеек с одинаковыми частотами 88 Кроме квадратичного увеличения числа абонентов, приуменьшении радиуса сотовых ячеек происходит снижение требования к мощности передатчика сотового телефона, так как уменьшается расстояние до базовой станции, а мощность падает пропорционально квадрату расстояния. Следствием снижения мощности является повышение длительности разряда аккумулятора, а также возможность снижения массогабаритных показателей телефона. СТАНДАРТИЗАЦИЯ СОТОВЫХ СИСТЕМ Представление о содержании типового стандарта можно составить, если ознакомиться с параметрами, которые оговорены в стандарте первого поколения сотовой связи – NMT-450 (табл. 4.1). Таблица 4.1 Основные характеристики стандарта NMT-450 Наименование параметра и характеристики NMT-450 1. Полоса частот – для передачи подвижной станцией, – для приема подвижной станцией 453– 457,5 МГц 463– 467,5 МГц 2. Частотный разнос каналов 25 (20) кГц 3. Дуплексный разнос каналов приема и передачи 10 МГц 4. Количество каналов 180 (225) 5. Радиус соты 15– 40 км 6. Мощность передатчика базовой станции макс. 50 Вт 7. Мощность передатчика подвижной станции 15 Вт Нормируемых параметров в стандарте должно быть столько, чтобы аппаратура, выпускаемая различными производителями ив различных странах, была бы взаимозаменяема. Кроме физических параметров, приведенных в табл. 4.1, стандарт сотовой связи устанавливает единые требования к структуре кодовой последовательности (рис. 4.5). Следующим застал введенный в 1986 г. стандарт NMT-900, использующий частоты 900 МГц диапазона, что позволило увеличить число абонентов. 89 Рис. 4.5. Структура кодовой последовательности стандарта NMT-450 К концу х годов началось создание второго поколения систем сотовой связи. Новый стандарт (2G) получил название GSM – Global System for Mobile Communications. GSM явился первым глобальным стандартом цифровой мобильной сотовой связи с разделением каналов повремени) и частоте (FDMA). Он был разработан Европейским институтом стандартизации электросвязи (ETSI). В нём реализованы шифрование сообщений блочное кодирование, а также модуляция GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). Применение частотной модуляции с минимальным сдвигом частот GMSK, благодаря сглаживанию переходных процессов, позволило значительно уменьшить ширину полосы частот, занимаемых цифровым радиосигналом в эфире, а следовательно, плотность размещения каналов в частотном диапазоне без взаимных помех друг другу (рис. 4.6). Первая российская сеть стандарта GSM, созданная компанией МТС, начала подключение абонентов в июле 1994 г. Рис. 4.6. Сравнение частотных спектров GMSK и MSK 90 Из основных технологий разделения каналов в сотовой системе следует выделить три основных (рис. 4.7): FDMA (Frequency Division Multiple Access – множественный доступ с разделением каналов по частоте) – данная технология применяется, начиная с первого стандарта GSM, и подразумевает деление частотного диапазона на небольшие подчастоты – каналы, которые уже в пределах одной соты занимают абоненты. TDMA (Time Division Multiple Access – множественный доступ с разделением повремени это цифровая технология передачи сигнала, позволяющая получать доступ к одному радиочастотному каналу большому числу пользователей одновременно. При этом не происходит интерференции, поскольку каждому пользователю в пределах каждого канала выделяются уникальные тайм-слоты (промежутки времени, в которых абонент уже и передает свои данные. TDMA предлагает целый ряд преимуществ по сравнению с другими стандартными сотовыми технологиями. Основным является то, что метод TDMA может быть легко адаптирован как к передаче данных, таки к голосовой коммуникации. Это позволяет операторам предлагать абонентам персональные коммуникационные сервисы, включая факсимильную связь, SMS , голосовую почту, а также такие приложения, как мультимедийные сервисы и видеоконференции. CDMA(Code Division Multiple Access – технология множественного доступа с кодовым разделением каналов. Это означает, что несколько абонентов могут пользоваться одним частотным диапазоном водно и тоже время благодаря кодовому разделению каналов. CDMA обеспечивает высокое качество связи, высокую конфиденциальность разговоров, низкий уровень шумов одновременно с низкой мощностью излучения передатчиков. Рис. 4.7. Частотное (FDMA), временное (TDMA) и кодовое (CDMA) разделение каналов 91 Чтобы понять принцип работы такой системы, воспользуемся следующей аналогией представьте комнату, в которой одновременно разговаривает друг с другом много пар людей, причем на разных языках. Каждый из них хорошо понимает своего собеседника, а все посторонние разговоры воспринимаются как некий фон и не особенно мешают разговору. Таким образом, водном и том же радиочастотном канале одновременно передаются информационные сигналы большой группы пользователей. Преимущества CDMA для абонента заключаются − в лучшем качестве передачи речи − безопасности – со стороны перехваченный сигнал выглядит как шум, выделить его практически невозможно − меньшем энергопотреблении телефона, так как мощность сигнала в сети CDMA, по сравнению с GSM, меньше и линейно зависит от расстояния до базовой станции. Очень часто в повседневной жизни употребляются обозначения 1G, 2G, 3G, 4G. Сама по себе английская буква G в данном контексте подразумевает начало слова generation, что переводится как поколение. Каждое поколение сотовой связи имеет особые характеристики. Первые мобильные телефоны х годов ХХ в. соответствовали поколению. Звуковой аналоговый сигнал – единственное, что были способны передавать первые телефоны. Скорость передачи была порядка 1,9 кбит/с. Сети 2G стартовали вначале х годов. Данный этап ознаменовался заменой аналогового сигнала на цифровой. Появилась возможность пересылки сообщений. Скорость сигнала выросла до чуть более 14 кбит/с. Следует отметить, что существует и 2,5G. Эта сеть непосредственно связана с освоением мобильного Интернета и появлением GPRS. Даже некоторые современные телефоны поддерживают данную сеть и вполне удовлетворяют запросы не самых взыскательных потребителей. Годом создания поколения сетей 3G считается 2002. Запуск произошел в Японии, а затем 3G начали использовать в других странах. Скорость передачи сигнала – это то, чем особенно отличился этот стандарт. Она составила Мбит/с и уже позволяла в реальном времени передавать видео через Интернет. В настоящее время обладателям современных смартфонов доступна технология 4G (LTE) со скоростью обмена информацией более чем на порядок выше, чем в предыдущем поколении. В эпохе 4G передача данных уже доминирует над голосовыми услугами. Неголосовые услуги становятся все более востребованными, происходит слияние телефона, компьютера и сети Интернет. 5G – это перспективный стандарт. Скорость передачи данных в коммерческом варианте сетей планируется выше LTE до 50 раз – до 10–25 Гбит/с. В 2017 г. МТС и Ericsson продемонстрировали работу на мобильном оборудовании будущей перспективной технологии 5G со скоростью до 25 Гбит/с. Такой скорости достаточно для того, чтобы часовой фильм в качестве передать затри секунды. Базовая станция, использовавшаяся в тестировании, работала в диапазоне 14,5–15,3 ГГц. Были продемонстрированы возможности будущей технологии онлайн- трансляция потокового видео в формате 4K, работа сервисов виртуальной реальности и дистанционное управление роботом по мобильной сети, требующее сверхмалых задержек и высоких скоростей передачи данных. |