Сотовые системы подвижной связи
Сотовые системы подвижной связи
Работа посвящена сотовым системам подвижной связи. В настоящее время широко используется стандарт CDMA. В данной работе основной упор делается на рассмотрение этого стандарта. Описываются принципы функционирования сетей стандарта CDMA.
Введение
Связь - одна из наиболее
динамично развивающихся
Подвижная связь позволяет абоненту получать услуги связи в любой точке в пределах зон действия наземных или спутниковых сетей; благодаря прогрессу в технологии производства средств связи созданы малогабаритные универсальные абонентские терминалы (AT), сопрягаемые с персональным компьютером (ПК) и имеющие интерфейсы для подключения к СПС всех действующих стандартов. Сети подвижной связи можно разделить на следующие классы: сети сотовой подвижной связи (ССПС); сети транкинговой связи (СТС); сети персонального радиовызова (СПР); сети персональной спутниковой (мобильной) связи.
Сети подвижной связи созданы с целью максимального удовлетворения на современном мировом уровне потребностей абонентов в услугах связи с возможностью выхода в телефонную сеть общего пользования (ТфОП).
Среди современных
телекоммуникационных средств наиболее
стремительно развиваются сети сотовой
радиотелефонной связи. Их внедрение
позволило решить проблему экономичного
использования выделенной полосы радиочастот
путем передачи сообщений на одних
и тех же частотах и увеличить
пропускную способность
Система сотовой
связи - это сложная и гибкая техническая
система, допускающая большое
Использование современной технологии позволяет обеспечить абонентам таких сетей высокое качество речевых сообщений, надежность и конфиденциальность связи, миниатюрность радиотелефонов, защиту от несанкционированного доступа (НСД) в сеть.
Появлению сетей сотовой подвижной связи (ССПС) предшествовал долгий период эволюционного развития радиотелефонной системы связи (РСС), в течение которого осваивались различные частотные диапазоны, и совершенствовалась техника связи. Идея сотовой связи была предложена в ответ на необходимость развития широкой сети подвижной РСС в условиях ограничений на доступные полосы частот.
В середине 40-х годов исследовательский центр Bell Labs американской компании AT&T предложил идею разбиения обслуживаемой территории на небольшие участки, которые стали называться сотами, (cell - ячейка, сота). Каждая сота должна была обслуживаться передатчиком с ограниченным радиусом действия и фиксированной частотой. Это позволило бы без взаимных помех использовать ту же самую частоту повторно в другой ячейке (соте). Но прошло около 30 лет, прежде, чем такой принцип организации связи был реализован на аппаратном уровне.
В 70-х годах начались работы по созданию единого стандарта сотовой связи для пяти североевропейских стран - Швеции, Финляндии, Исландии, Дании и Норвегии, который получил название NMT-450 (Nordic Mobile Telephone) и был предназначен для работы в диапазоне 450 МГц. Эксплуатация первых систем сотовой связи этого стандарта началась в 1981 г. Сети на основе стандарта NMT-450 и его модифицированных версий стали широко использоваться в Австрии, Голландии, Бельгии, Швейцарии, а также в странах Юго-Восточной Азии и Ближнего Востока. На базе этого стандарта в 1985 г. был разработан стандарт NMT-900 диапазона 900 МГц, который позволил расширить функциональные возможности и значительно увеличить абонентскую емкость системы.
В 1983 г. в США вступила в эксплуатацию сеть стандарта AMPS (Advanced Mobile Phone Service). Этот стандарт был разработан в исследовательском центре Bell Laboratories.
В 1985 г. в Великобритании был принят в качестве национального стандарт TACS (Total Access Communications System), разработанный на основе американского стандарта AMPS. В 1987 г. была расширена его рабочая полоса частот. Новая версия этого стандарта получила название ETACS (Enhanced TACS). Во Франции в 1985 г. был принят стандарт Radiocom-2000.
В конце 80-х годов приступили к созданию систем сотовой связи (ССС), основанных на цифровых методах обработки сигналов. С целью разработки единого европейского стандарта цифровой сотовой связи для выделенного в этих целях диапазона 900 МГц в 1982 г. Европейская Конференция Администраций Почт и Электросвязи (СЕРТ) создала специальную группу Groupe Special Mobile. Аббревиатура GSM дала название новому стандарту (позднее GSM стали расшифровывать как Global System for Mobile Communications). Результатом работы этой группы стали опубликованные в 1990 г. требования к системе ССС стандарта GSM.
В США в 1990 г. американская Промышленная Ассоциация в области связи TIA (Tele- communications Industry Association) утвердила национальный стандарт IS-54 цифровой сотовой связи. Этот стандарт более известен под аббревиатурой D-AMPS или ADC. В отличие от Европы, в США не были выделены новые частотные диапазоны, поэтому система должна была работать в полосе частот, общей с обычным AMPS. В то же время американская компания Qualcomm начала разработку нового стандарта сотовой связи, основанного на технологии шумоподобных сигналов и кодовом разделении каналов - CDMA (Code Division Multiple Access).
В 1991 г. в Европе появился стандарт DCS-1800 (Digital Cellular System 1800 МГц), созданный на базе стандарта GSM.
В Японии был разработан собственный стандарт сотовой связи JDC (Japanese Digital Cellular), близкий по своим показателям к стандарту D-AMPS. Стандарт JDC был утвержден в 1991 г. Министерством почт и связи Японии.
В 1993 г. в США Промышленная Ассоциация в области связи (TIA) приняла стандарт CDMA как внутренний стандарт цифровой сотовой связи, назвав его IS-95. В сентябре 1995 г. в Гонконге была открыта коммерческая эксплуатация первой сети стандарта IS-95.
В 1993 г. в Великобритании вступила в эксплуатацию первая сеть DCS-1800 One-2-One.
Поколения сотовой связи
В развитии ССС можно выделить три поколениях: аналоговые системы; цифровые системы; универсальные системы мобильной связи. К аналоговыми ССС относятся следующие стандарты:
- AMPS (усовершенствованная мобильная телефонная служба, диапазон 800 МГц) – широко используется в США, Канаде, Центральной и Южной Америке, Австралии; это наиболее распространенный стандарт в мире; используется в России в качестве регионального стандарта;
- TACS (общедоступная система связи, диапазон 900 МГц) – используется в Англии, Италии, Испании, Австрии, Ирландии, с модификациями ETACS (Англия) и JTACS/NTACS (Япония); это второй по распространенности стандарт среди аналоговых;
- NMT-450 и NMT-900 (мобильный телефон северных стран, диапазоны 450 и 900 МГц соответственно) - используется в Скандинавии и во многих других странах; третий по распространенности среди аналоговых стандартов мира; стандарт NMT-450 является одним из двух стандартов сотовой связи, принятых в России в качестве федеральных;
- С-450 (диапазон 450 МГц) - используется в Германии и Португалии;
- RTMS (Radio Telephone Mobile System - мобильная радиотелефонная система, диапазон 450 МГц) - используется в Италии;
- Radiocom 2000 (диапазоны 170, 200, 400 МГц) - используется во Франции;
- NTT (Nippon Telephone and Telegraph system - японская система телефона и телеграфа, диапазон 800-900 МГц) - используется в Японии.
Характеристики ССС основных аналоговых стандартов представлены в таблице 1.
Таблица 1. Характеристики аналоговых стандартов сотовой связи
Характеристика |
AMPS |
TACS (ETACS) |
NMT-450 |
NMT-900 |
Radlocom-2000 |
NTT |
Диапазон частот, МГц |
825-845 870-890 |
935-950 (917-933) 890-905 (872-888) |
453-457.5 463-467.5 |
935-960 890-915 |
424.8-427.9 418.8-421.9 |
925-940 870-885 |
Радиус ячейки |
2-20 |
2-20 |
2-45 |
0.5-20.0 |
5-20 |
5-10 |
Число каналов подвижной станции |
666 |
600(640) |
180 |
1000/1999 |
256 |
до 1000 |
Число каналов базовой станции |
96 |
144 |
30 |
30 |
- |
120 |
Мощность передатчика базовой станции, Вт |
45 |
50 |
0 |
- |
- |
25 |
Ширина полосы частот канала, кГц |
30(12.5) |
25 |
25 |
25.0/12.5 |
12.5 |
25 |
Время переключения канала на границе ячейки, мс |
250 |
290 |
1250 |
270 |
- |
800 |
Максимальная девиация частоты в канале управления, кГц |
8 |
6.4 |
3.5 |
3.5 |
- |
4.5 |
Максимальная девиация частоты в речевом канале, кГц |
12 |
9.5 |
5 |
5 |
2.5 |
5 |
Минимальное отношение сигнал/шум, дБ |
10(6.5) |
10 |
15 |
15 |
- |
15 |
Во всех аналоговых стандартах применяется частотная (ЧМ) или фазовая (ФМ) модуляция для передачи речи и частотная манипуляция для передачи информации управления. Этот способ имеет ряд существенных недостатков: возможность прослушивания разговоров другими абонентами, отсутствие эффективных методов борьбы с замираниями сигналов под влиянием окружающего ландшафта и зданий или вследствие передвижения абонентов. Для передачи информации различных каналов используются различные участки спектра частот - применяется метод множественного доступа с частотным разделением каналов (Frequency Division Multiple Access - FDMA), с полосами каналов в различных стандартах от 12,5 до 30 кГц. С этим непосредственно связан основной недостаток аналоговых систем - относительно низкая емкость, являющаяся следствием недостаточно рационального использования выделенной полосы частот при частотном разделении каналов.
Перечисленные недостатки обусловили появление цифровых ССС. Переход к цифровым системам также стимулировался широким внедрением цифровой техники в отрасль связи и в значительной степени был обеспечен разработкой низкоскоростных методов.
Переход к цифровым
системам натолкнулся на некоторые
трудности. В США аналоговый стандарт
AMPS получил столь широкое
Стандарт D-AMPS дополнительно усовершенствовался за счет введения нового типа каналов управления (КУ). Цифровая версия IS-54 сохранила структуру КУ аналоговой AMPS, что ограничивало возможности системы. Новые чисто цифровые КУ были введены в версии IS-136. При этом была сохранена совместимость с AMPS и IS-54, но повышена емкость КУ и расширены функциональные возможности системы. Позже было принято решение обозначать этот стандарт GSM-1800. В США диапазон 1800 МГц оказался занят другими пользователями, но была найдена возможность выделить полосу частот в диапазоне 1900 МГц, которая получила в Америке название диапазона систем персональной связи (PCS – Personal Communications Systems), в отличие от диапазона 800 МГц, за которым сохранено название сотового (cellular). Освоение диапазона 1900 МГц началось с конца 1995 г.; работа в этом диапазоне предусмотрена стандартом D-AMPS и разработана соответствующая версия стандарта GSM («американский» GSM-1900 - стандарт IS-661).
Все перечисленные
выше цифровые системы второго поколения
основаны на методе множественного доступа
с временным разделением
Основные цифровые стандарты ССС:
- D-AMPS (Digital AMPS - цифровой AMPS; диапазоны 800 МГц и 1900 МГц);
- GSM (Global System for Mobile communications - глобальная система мобильной связи, диапазоны 900, 1800 и 1900 МГц) - это второй по распространенности стандарт мира;
- CDMA (диапазоны 800 и 1900 МГц);
- JDC (Japanese Digital Cellular - японский стандарт цифровой сотовой связи).
Цифровые ССПС по
сравнению с аналоговыми
Характеристики цифровых стандартов представлены в табл. 2.
Дальнейшее развитие ССПС осуществляется в рамках создания проектов систем третьего поколения (3G), которые будут отличаться унифицированной системой радиодоступа.
Программа IMT-2000 (International Mobil Telecommunications-2000) по созданию нового семейства систем подвижной связи третьего поколения, охватывает технологии, наземной сотовой, спутниковой связи и беспроводного доступа.
Суть новой концепции состоит в совмещении существующих сетей с системами, базирующимся на новом семействе стандартов 3-го поколения, которое получило обозначение IFS (IMT-2000 Family of Systems).
Таблица 2. Сравнительные характеристики цифровых стандартов
Характеристика |
GSM (DCS 1800) |
D-AMPS (ADC) |
JDC |
CDMA |
Метод доступа |
TDMA |
TDMA |
TDMA |
CDMA |
Число речевых каналов на несущую |
8(16) |
3 |
3 |
32 |
Рабочий диапазон частот, МГц |
935-960 890-915 (1710-1785) (1805-1880) |
824-840 869-894 |
810-826 940-956 1429-1441 1447-1489 1501-1513 |
824-840 869-894 |
Разнос каналов, кГц |
200 |
30 |
25 |
1250 |
Эквивалентная полоса частот на один разговорный канал, кГц |
25(12.5) |
10 |
8.3 |
- |
Вид модуляции |
0.3 GMSK |
п/4 DQPSK |
п/4 DQPSK |
QPSK |
Скорость передачи информации, кбит/с |
270 |
48 |
42 |
57.6 |
Скорость преобразования речи, кбит/с |
13(6.5) |
8 |
11.2(5.6) |
9.6 |
Алгоритм преобразования речи |
RPE-LTR |
VSELP |
VSELP |
- |
Радиус соты, км |
0.5-35.0 |
0.5-20.0 |
0.5-20.0 |
0.5-25.0 |
Сегодня наиболее вероятно,
что в странах с развитой телекоммуникационной
инфраструктурой переход к 3-му поколению
будет происходить путем
Параллельно будут
создаваться маленькие «
Такая стратегия
обеспечивает последовательную модификацию
составных элементов сетей, причем
абонентская часть (терминалы), должна
будет удовлетворять
В настоящее время необходимо дать возможность всем операторам действующих сетей использовать существующую инфраструктуру при реализации набора новых услуг IMT-2000. В связи с этим, в Международном союзе электросвязи (МСЭ) завершается процесс стандартизации новых технологий и рабочие группы осуществляют разработку детальных спецификаций.
Программа IMT-2000 базируется на ряде принципиальных положений, определяющих принципы построения систем.
Архитектура систем будущего должна включать в себя два основных элемента: сетевую инфраструктуру (Access Network) и магистральные базовые сети (Core Network). Она должна обеспечивать определенные значения скорости передачи для различных степеней мобильности абонента (т. е. разных скоростей его движения) в зависимости от величины зоны покрытия:
- до 2,048 Мбит/с при низкой мобильности (скорость менее 3 км/ч) и локальной зоне покрытия;
- до 144 кбит/с при высокой мобильности (до 120 км/ч) и широкой зоне покрытия;
- до 64 (144) кбит/с при глобальном покрытии (спутниковая связь).
Для разработки принципиально новых подходов к построению радиоинтерфейса было образовано два объединения: 3GPP и 3GPP2.
В первое объединение (3GPP) входят ETSI (Европа), ARIB (Япония), Комитет Т1 (США), а также три региональных органа стандартизации от Азиатско-Тихоокеанского региона - CWTS (Китай), ТТА (Корея) и ТТС (Япония).
3GPP предложило объединить
пять проектов: UTRA FDD (ETSI), WCDMA (ARIB), WCDMA
NA (T1P1, США), WIMS (TR-46.1, США) и CDMA II (ТТА).
В качестве перспективных
Первый вариант - IMT-DS (IMT-2000 Direct Spread) - построен на базе проектов WCDMA (UTRA FDD) с прямым расширением спектра (DSCDMA) и частотным дуплексным разносом (FDD), ориентированным на использование в парных полосах частот.
Другой тип радиоинтерфейса - IMT-TC (IMT-2000 Time-Code), основан на кодово-временном разделении каналов TDMA/CDMA с временным дуплексным разносом (TDD) и предназначен для организации связи в непарных полосах частот.
В Европе выработали единую политику перехода к 3-му поколению, в результате чего количество ее проектов ограничилось двумя: UTRA и DECT ЕР.
Аббревиатура IMT-FT (IMT-2000 Frequency Time) присвоена проекту DECT EP, который поступил от ETSI. Новый стандарт на микросотовую систему DECT предполагает применение комбинированного частотно-временного дуплексного разноса и предназначен для работы как в парных, так и в непарных полосах частот. В IMT-FT определены три значения скоростей передачи: 1,152; 2,304 и 3,456 Мбит/с, реализовать которые можно за счет введения новых методов модуляции п/2 DPSK, -п/4 DQPSK и п/8 D8PSK соответственно.
Во второе объединение (3GPP2) входят Ассоциация промышленности связи TIA и ряд азиатских региональных организаций: ARIB, CWTS, ТТА и ТТС.
Предложения от 3GPP2 представлены двумя вариантами радиоинтерфейсов, получившими обозначение IMT-MC (IMT-2000 Multi Carrier) и IMT-SC (IMT-2000 Single Carrier).
Первый из них - IMT-MC - по сути представляет собой модификацию многочастотной системы cdma2000, в которой обеспечивается обратная совместимость с оборудованием стандарта cdmaOne (IS-95) (cdmaOne - коммерческое название системы, разработанной по спецификациям стандарта IS- 95). Увеличение пропускной способности реализуется за счет одновременной передачи сигналов на нескольких несущих с частотным дуплексным разносом, предполагается работа в непарных полосах частот.
Радиоинтерфейс IMT-SC базируется на спецификациях проекта стандарта UWC-136. В нем определено поэтапное расширение возможностей существующей системы TDMA при условии работы системы в парных полосах частот.
В соответствии с концепцией IMT-2000 в системах 3-го поколения предполагается создание единого частотного пространства шириной 230 МГц с разными сценариями использования.
Основа этих сценариев – режимы FDD (Frequency Division Duplex) и TDD (Time Division Duplex). Новизна технологии IMT-2000 связана прежде всего с выделением парных полос частот для систем, работающих с частотным дуплексным разносом (FDD), и непарных – для систем с временным дуплексным разносом (TDD).
Комбинированное использование
этих двух режимов делает систему
гибкой, позволяя изменять пропускную
способность и способы
Элементы сетей сотовой связи
Функциональная схема
Система сотовой связи строится в виде совокупности ячеек (сот), покрывающих обслуживаемую территорию. Ячейки обычно схематически изображают в виде правильных шестиугольников. В центре каждой ячейки находится базовая станция (БС), обслуживающая все подвижные станции (ПС) в пределах своей ячейки. При перемещении абонента из одной ячейки в другую происходит передача его обслуживания от одной БС к другой. Все БС соединены с центром коммутации (ЦК) подвижной связи по выделенным проводным или радиорелейным каналам связи. С центра коммутации имеется выход на ТфОП. На рисунке 1 приведена упрощенная функциональная схема, соответствующая описанной структуре системы.
Рис. 1. Состав сети сотовой подвижной связи
Система сотовой
связи может включать более одного
ЦК, что может быть обусловлено
эволюцией развития сети или ограниченностью
емкости коммутационной системы. Например,
возможна структура системы с
несколькими ЦК (рис. 2), один из которых
условно можно назвать
Рис. 2. Сеть сотовой связи с двумя центрами коммутации
В простейшей ситуации
система содержит один ЦК (рис. 1), при
котором имеется домашний регистр,
и она обслуживает относительно
небольшую замкнутую
Блок-схема цифровой подвижной станции (ПС) приведена на рис. 3. В ее состав входят: блок управления; приемопередающий блок; антенный блок.
Блок управления включает в себя микротелефонную трубку (микрофон и динамик), клавиатуру и дисплей. Клавиатура служит для набора номера телефона вызываемою абонента, а также команд, определяющих режим работы ПС. Дисплей служит для отображения различной информации, предусматриваемой устройством и режимом работы станции.
Приемопередающий блок состоит из передатчика, приемника, синтезатора частот и логического блока.
В состав передатчика входят: АЦП - преобразует в цифровую форму сигнал с выхода микрофона и вся последующая обработка и передача сигнала речи производится в цифровой форме; кодер речи - осуществляет кодирование сигнала речи, т.е. преобразование сигнала, имеющего цифровую форму, по определенным законам с целью сокращения его избыточности; кодер канала – добавляет в цифровой сигнал, получаемый с выхода кодера речи, дополнительную (избыточную) информацию, предназначенную для защиты от ошибок при передаче сигнала по линии связи; с той же целью информация подвергается определенной переупаковке (перемежению); кроме того, кодер канала вводит в состав передаваемого сигнала информацию управления, поступающую от логического блока; модулятор - осуществляет перенос информации кодированного видеосигнала на несущую частоту.
Приемник по составу соответствует передатчику, но с обратными функциями входящих в него блоков: демодулятор - выделяет из модулированного радиосигнала кодированный видеосигнал, несущий информацию; декодер канала - выделяет из входного потока управляющую информацию и направляет ее на логический блок; принятая информация проверяется на наличие ошибок, и выявленные ошибки исправляются; до последующей обработки принятая информация подвергается обратной (по отношению к кодеру) переупаковке;декодер речи - восстанавливает поступающий на него с кодера канала сигнал речи, переводя его в естественную форму, со свойственной ему избыточностью, но в цифровом виде; ЦАП -преобразует принятый цифровой сигнал речи в аналоговую форму и подает его на вход динамика; эквалайзер - служит для частичной компенсации искажений сигнала вследствие многолучевого распространения; по существу, он является адаптивным фильтром, настраиваемым по обучающей последовательности символов, входящей в состав передаваемой информации; блок эквалайзера не является функционально необходимым и в некоторых случаях может отсутствовать.
Логический блок - это микрокомпьютер, осуществляющий управление работой ПС. Синтезатор является источником колебаний несущей частоты, используемой для передачи информации по радиоканалу. Наличие гетеродина и преобразователя частоты обусловлено тем, что для передачи и приема используются различные участки спектра (дуплексное разделение по частоте).

- Сотовые системы связи
- Сотовые телефоны
- Сотовые телефоны и здоровье
- Сот органдарының түсінігі мен мақсаттары
- Сотрудники органов внутренних дел
- Сотрудники органов внутренних дел в боях с врагом
- Сотрудничество в области уголовного правосудия: «горизонтальная» и «вертикальная» модели
- Сотовая связь
- Сотовая связь
- Сотовая Связь
- Сотовая связь. Плюсы и минусы мобильного телефона
- Сотовая связь стандарта GSM
- Сотовые сети
- Сотовые сети стандарта СDМА