Сотовые сети связи

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

(ТУСУР)

Кафедра телевидения и управления

(ТУ)

Отчёт

по летней практике

на тему: «Сотовые сети связи»

Выполнила:

Студентка гр.119

______ Толмачёва О. А.

“ ” 2002г.

 

Руководитель:

________ Шалимов В. А.

“___”__________2002г.

 

 

2002г.

Содержание

Первые мобильные системы.. 3

Cотовые сети связи.. 15

Общие сведения о системах радиосвязи с подвижными объектами (ПО). Классификация. 17

Принципы построения сотовых систем.. 19

Конструктивное построение сотовых систем связи.. 24

Принципы построения автоматизированных систем управления радиосвязью с подвижными объектами.. 25

Выводы.. 28

Первые мобильные системы

Цифровые беспроводные и сотовые технологии берут свое начало в 1940-х, когда началось коммерческое использование мобильной телефонной связи. По сравнению с бешеным темпом развития технологий сегодня, может показаться странным, что мобильная беспроводная связь не развилась дальше за последние 60 лет. Где наши видеотелефоны в часах? Было множество причин этой задержке, но наиболее важными были технология, настороженность и федеральное регулирование.

Дик Трейси, в 1946, носит активируемый голосом телефон в часах.

Как катушка и вакуумная трубка сделали возможным раннюю телефонную сеть, революция беспроводных технологий началась только после того, как стали доступны дешевые микропроцессоры и цифровые переключатели. The Bell System, производители лучшей проводной телефонной системы в мире, перешли к беспроводным технологиям нерешительно и иногда с равнодушием. Чтобы ни произвели AT&T, это должно было работать надежно с остальной частью их сети, и это должно было иметь экономический смысл. Нечто немыслимое для них с их ограниченным (из-за малого количества частот доступных в то время) числом клиентов. Доступность частоты в свою очередь управлялась Федеральной Комиссией Связи, чьи нормы и косность составили наиболее значимые препятствия развитию радиотелефонии, особенно с сотовым радио, задерживая эту технологию в Америке возможно на 10 лет.

Хотя в Европе и Японии, где правительства могли менее регулировать свои государственные телефонные компании, мобильная беспроводная связь пришла никак не скорее, и в большинстве случаев позже, чем в Соединенные Штаты. Японские изготовители, хотя не первые работали с сотовым радио, снабдили первый автомобиль связью, основав мобильные телефонные услуги. Их продукты сделали возможным первые четыре коммерческих сотовых телефонных систем, сначала в Бахрейне, затем в Токио, Осаке, и позже в Мексико-Сити.

Выходя за пределы области этой статьи, радиотелеграфия предшествовал беспроводному радиотелефону. Еще до 1900 Маркони и другие экспериментировали с первыми принципами радио. Суда были первыми мобильными беспроводными платформами. В 1901 Маркони установил радио на борт парового грузовика Торнисрофт, таким образом произведя первую наземную мобильную связь. (Передающую данные, конечно, а не голос.) Артур К. Кларк говорит, что цилиндрическая антенна машины опускалась в горизонтальное положение перед тем, как фургон начинал двигаться.

Бессвязные эксперименты с радио продолжались в течение следующих двух десятилетий. Надежных, голосовых коммерческих радио операции было немного. Военные, конечно, принимали участие, хотя не обязательно не с мобильными системами, как этот короткий параграф из книги 1922 года демонстрирует: "Это было большой удачей для автора, участвовать в создании беспроводной связи в 1908 и 1909, с передатчиком типа Телефункен, сделанным в Германии. Серия экспериментов проводилась для Американских Корпусов Связи, с тем, чтобы доказать целесообразность радиотелефонии для военных коммуникаций. Расстояние, которое нужно было связать, было около 18 миль, или авиалиния между Фортом Ханкок в Сенди Хук и Форт Вуд, Остров Бедлойс, около самой Статуи Свободы, осматривающей Нью-йоркский залив. Высокие холмы острова Стейтен оказались на пути, затрудняя связь между двумя точками..." Остин К. Лескарьора, Радио для всех.

 

Около 1920 началось регулярное коммерческое радиовещание; эксперименты с мобильной телефонной связью с машинами начались вскоре после этого, когда предназначенный для этого диапазон был распределен для использования. Известно, что А.М. широковещательные станции могли прервать программу, чтобы описать проблему или криминальном происшествии, скажем, чтобы сообщить об идущем ограблении банка. Если полиция следила с ранними автомобильными радио, тогда они должны были реагировать. В 1921 Американские мобильные радио начали действовать на частоте 2 MHz, чуть выше современного A.M. радио частот. Главным образом закон принуждал использовать эти частоты. Первые радио системы вызывали, используя иногда Азбуку Морзе, выехавшие полицейские автомобили, чтобы те позвонили в их полицейский участок по проводному телефону. Полицейские и спасательные службы стояли во главе нововведений мобильного радио, следовательно, немного думали о частном, индивидуальном использовании радиотелефона. Оборудование во всех случаях было экспериментальным, практические системы не создавались до 1940-х, и не было никакой взаимосвязи с наземными телефонными системами. Имея вышесказанное, Bell Laboratories претендуют на изобретение первой версии мобильного, голосового радиотелефона в 1924 и я не вижу ничего, что бы противоречило этому, на самом деле, фото выше с их сайта, несомненно, подтверждает это!

В 1934 Конгресс Соединенных Штатов создал Федеральную Комиссию Связи. Дополнительно к регулированию наземного межштатного телефонного бизнеса, они также начали управлять диапазоном радио. Они решали, кто какие должен получать частоты. Это дало приоритет спасательным службам, государственным агентствам, общественным компаниям, и службам, которые как они полагали, помогали наибольшему числу людей. Такие радио пользователи, как такси или компании транспортировки аварийных машин требовали небольшой диапазон для ведения своего бизнеса. Радиотелефон, по сравнению, использовал большие блоки частот, чтобы обслуживать всего несколько людей. ФКС не определяло никаких частных или индивидуальных радиотелефонных каналов до окончания Второй Мировой Войны.

Мобильное радио морской пехоты 1937 года выставленное недавно на аукцион на е-Вау.сом. Продавец предполагает, что это Харвей Велс. Модель МР-10. Чудовищные размеры в 20 х 10 х 8.5 дюймов и вес в почти 10 кг.

Возможно для своего времени он был компактным. Ламповое радио требовало огромный и тяжелый источник питания. Современный цифровой радиотелефон SEA, по сравнению, намного лучше. Весит всего 4 килограмма, размерами, подходящими для автомагнитолы и потребляет только 13 вольт. Четкое доказательство зависимости прогресса радио от микропроцессоров и миниатюризации.

17го Июня, 1946 в Сент Луисе, Миссури, AT&T и Southwestern Bell предоставили первые Американские коммерческие мобильные радиотелефонные услуги частным клиентам. Клиенты пользовались новым авто радиотелефоном с лицензией предоставленной FCC компании Southwestern Bell. Они обслуживались в шести каналах в 150 MHz диапазоне с 60 kHz канальным расстоянием. Сильные частотные интерференции, создававшие нечто похожее на перекрестный разговор по наземному телефону, скоро принудили Белла использовать только три канала. За редким исключением в практике Bell System, подписчик мог купить свои собственные радио установки, а не оборудование AT&T.

Упрощенная схема обслуживания радиотелефонов Беззоновая Система.

Диаграмма выше показывает центральный передатчик обслуживающий мобильные телефоны на большой территории. Одна антенна обслуживает широкую область, например службу радио такси. Поскольку установленный на автомобиле передатчик не был таким же мощным, как и центральная антенна, то его ответный сигнал не всегда мог быть получен. Это означало, другими словами, что Вам требовались принимающие антенны распределенные на большой территории, чтобы перенаправлять радио поток обратно на узел, обрабатывающий вызов. Этот процесс сохранения линии связи, переходящей от одной зоны к другой был назван handoff.

1946, Служба мобильной телефонии Bell System -- Зонная Система M: мобильный телефон R: приемник.

PSTN: Общественная автоматическая телефонная сеть.

Как изображено выше, в больших городах Служба Мобильной Телефонии Bell System использовала центральный передатчик, чтобы вызывать мобильные телефоны и передавать нисходящий поток речи. Мобильные телефоны, основываясь на коэффициенте сигнала к шуму, выбирали ближайший приемник и передавали на него сигнал. Другими словами, они получали сообщения на одной частоте от центрального передатчика, а послали ближайшему приемнику на другой.

Установленные на удаленных центральных офисах, эти приемники и антенны могли также "устанавливаться в здания или монтироваться в погодоустойчивые будки или купола". Они собирали поток и передавали его на самый большой телефонный узел, где находились основное оборудование и операторы. Установленная высоко над штаб-квартирой Southwestern Bell на 1010 по Пайн стрит, расположенная в центре антенна мощностью в 250 ватт вызывала мобильные телефоны и передавала радиотелефонный нисходящий поток, т.е. частоту от передатчика на мобильный телефон. Функционирование было не слишком простым, как описывает следующее:

 

Как работают Мобильные Телефоны

Клиент (1) набирает номер и запрашивает соединение с оператором службы мобильной связи, которому он дает телефонный номер машины, которую он хочет вызывать. Оператор посылает сигнал с терминала радио контроля (2) , в результате загоралась лампа и звенел звонок на мобильном устройстве (3). Абонент отвечает по своему телефону, его голос путешествует по радио к ближайшему приемнику (4) и отсюда телефонным проводом к вызывающему. Для того чтобы сделать вызов из машины, абонент просто поднимает трубку телефона и нажимает кнопку "разговор". Это посылает сигнал, который принимается ближайшим приемником и передается оператору.

Текст выше сопровождал иллюстрацию в статье от 1946 в Bell Laboratories Record, в которой впервые была описана система. Он дает хорошее представление, как работала система.

20-иваттные мобильные установки не передавали прямо на центральную башню, а на один из пяти приемников, установленных по всему городу. Как только мобильное устройство подавало сигнал, открывались все пять приемников. Мобильная Телефонная Служба или MTS собирала сигналы от одного или более приемников в унифицированный сигнал, усиливая его и посылая распределительный пункт. Это сделало возможным роуминг (букв. бродяжничество) от одного городского района к другому.

Как это работало? Представьте себе кого-то проходящего через дом с вдоль ряда телефонов со снятыми трубками. Вечеринка на другом конце линии будет слышать человека, перемещающегося из одной комнаты в другую, так как каждый телефон будет собирать часть звука. Это было самое простое использование handoff, сохраняющее переходящий вызов, когда вызывающий переходил от одной зоны в городе к другой.

Только одна сторона говорила за один раз со Службой Мобильной Телефонии или MTS. Вы нажимали кнопку телефона-трубки, чтобы поговорить, затем отпускали кнопку, чтобы слушать. (Это устраняло проблему эха, разрешение которой заняли годы, пока не была изобретена полнодуплексная связь.) Мобильное телефонное обслуживание не было симплексным, как описывают многие авторы, а полудуплексным. Симплекс использует только одну частоту на как передаче, так и приемнике. В MTS базовая частота станции и мобильная частота отличались на 5 kHz. Одной из причин, чтобы действовать так, была секретность. Подслушивающие могли бы услышать только одну часть разговора. Подобно радио гражданского диапазона, вызывающий искал вручную не использующуюся частоту прежде, чем производить вызов. Но так как было всего несколько каналов, это не было большой проблемой. Это указывает величайшую проблему для стандартной радиотелефонной связи: слишком мало каналов.

Эта система предшествовала и была причиной многим разработкам сотовой связи, на самом деле, Bell Laboratories' Д.Х. Ринг сформулировал концепцию сотовой связи годом позже в декабре, 1947 во внутреннем меморандуме, созданном Рингом с незаменимой помощью от В.Р. Янга. Янг позже вспомнил, что все элементы были известны уже тогда: сеть небольших географических областей названные сотами, передатчик низкой мощности в каждой, поток ячейки, управляемый центральной АТС, частоты, многократно использующиеся другими ячейками и так далее. Янг утверждает, что с 1947 команды Белла "верили, что средства для управления и подключения к множеству небольших ячеек будут развиваться, когда они в них будет потребность. "Авторы в SRI International, в их многотомной истории сотовых телефонов, описывают те далекие дни так: "самое раннее письменное описание концепции сотовой связи появилось в 1947 Техническом меморандуме Bell Labs, созданном Д. H. Рингом. Технический меморандум подробно описал многократное использование частоты в небольших ячейках, которые оставались одним из ключевых элементов разработки сотовой связи с тех пор. Меморандум также описывал handoff, заявляя "Если используется более чем одна первичная частота, должны предусматриваться средства для переключения автомобильного приемника и передатчика на другие частоты. "Ринг не размышляет, как это могло бы реализовываться, и, фактически, его внимание было сосредоточено на том, как могли быть наилучшим образом сэкономлены частоты в различных теоретических системных разработках".

Здесь мы достигаем важной точки, та, которая иллюстрирует важнейшее различие между стандартной мобильной телефонной связью и сотовой. Вспомните, как авторы описывали handoff, процесс, который Служба Мобильной Телефонии уже использовала. Не было большой проблемы в проведении handoff от одной зоны на другой, но иметь дело с handoffs в ячеистой системе, где каждая из частот была использована много раз, было нелегким. В ячеистой системе Вы должны не только передать вызов от зоны к зоне по ходу движения мобильного устройства, но Вам нужно также переключать частоту, на которую оно настроено, поскольку частоты отличаются от ячейки к ячейке. Повторное использование частоты - критический и уникальный элемент сотовой связи, не handoff, поскольку стандартные радиотелефонные системы также используют их. Давайте обратимся снова к комментариям Янга, где он сообщает, что команда Белла верила, что сотовая связь будет развиваться, когда в ней будет необходимость.

Основные патенты на стандартный мобильный телефон handoff -: Система Связи с Контролем Перенесения Мощности, Генри Магунски, назначенный Motorola, Inc. U.S. 2,734,131 (1956) и Автоматическая Радиотелефонная Система Переключения, R.A. Чанней, назначенный Bell Telephone Laboratories, Inc. U.S. 3,355,556(1967)

Подтверждая предсказание Bell Laboratories, возникала нужда в большем числе мобильных телефонов. Росли списки очередей в каждом городе, где мобильная телефонная услуга была введена. На 1976 только 545 клиентов в Нью-Йорк Сити имело мобильную связь Bell Systems, с 3,700 клиентами на листе ожидания. По всей стране 44,000 подписчиков Белла имело мобильные устройства AT&T, но 20,000 людей просидели от пяти до десяти лет в очередях. [Звучит знакомо – прим. пер.] Несмотря на эту невероятную потребность, прошло 37 лет от введения мобильного телефона до коммерческого использования. Но всесильные руки FCC все также затормаживали развитие сотовой связи. До 1980 они так не сделали каналы достаточно доступными; только до 1978 Bell System, Независимые, и беспроводные ретрансляторы делили всего 54 канала по всей стране. Сравните с 666 каналами, требовавшимися первым системам AMPS для работы.

Подведем итог. В мобильной телефонной связи канал - пара частот. Одна частота, чтобы передать и одна, чтобы получить. Это создает цепь или полный маршрут связи. Звучит достаточно просто. Радиодиапазон, тем не менее, был все еще чрезвычайно сжат. В конце 1940-х было немного пространства на нижних частотах, которые использовались большей частью оборудования. Неэффективные радио вносили еще большее уплотнение, используя диапазон частот в 60 kHz, чтобы послать сигнал, который теперь может быть послан с диапазоном в 10kHz или меньше. Но что бы Вы могли сделать со всего шестью каналами, даже не смотря на технологии? Со стандартной мобильной телефонной услугой у вас были бы пользователи, воющие от ожидания открытой частоты. Вы имели бы, вероятно, беспроводную линию, и возможно сорок подписчиков, дерущихся за каждый канал связи. Большинство мобильных телефонных систем не могли обслужить более чем 250 человек. Были и другие проблемы.

Радиоволны в нижних частотах путешествуют большие расстояния, иногда сотни миль, когда они пропускаются через атмосферу. Передатчики высоко мощности дали мобильным устройствам широкий рабочий диапазон, но добавили дилемму. Телефонные компании не могли многократно использовать их драгоценные несколько каналов в соседних городах, т.к. они создавали помехи своим собственным системам. Им нужно было, по крайней мере, семьдесят пять миль между системами прежде, чем они могли бы использовать частоту снова. Пока FCC держала открытие большего числа каналов для беспроводных технологий под замком, лучшая техника многократного использования частот, вероятно, помогла бы, хотя сомнительно с технологией того времени. В 1947 AT&T запустили "службу хайвэй", предложение радиотелефонов, которое предусматривало обслуживание между Нью-Йорком и Бостоном. Она работала в диапазоне от 35 до 44 MHz, и иногда вызвали интерференции с другими службами. Даже AT&T признали систему неудачной. Том Кнейтел, K2AES, пишет в его Мелодии В Телефонных Звонках, 3 издание, 1996 вспоминает это время:

"Сервис в те далекие дни был очень примитивным, клиенту присваивался к использованию один специфический канал, и вызовы от мобильных устройств делались поднятием оператора голосом и названием вызываемого номера вслух. Мобильным устройствам были назначены отличные телефонные номера, основанные на кодированном обозначении канала на котором им разрешалось действовать. Устройство предназначенное действовать в канале 'ZL (33.66 Mhz базовая станция) могло иметь номер ZL-2-2849. Мобильный номер YJ-3-5771 было устройством предназначенным работать с каналом YJ (152.63 Mhz). Вся беседа означала нажимание кнопки, чтобы говорить, и отпускание ее, чтобы слушать".

Также в 1947 Bell System запросила большего числа частот у FCC. FCC распределила некоторое количество каналов в 1949, но дала половину в другие компании, желавших предоставлять мобильные телефонные услуги. Берресфорд говорит, что "эти Общие Радио Трансляторы или RCC, были первой конкуренцией для Bell System, созданной FCC". Он уточняет, что Общие Радио Трансляторы, группа рынка управлявшаяся деловыми людьми, которые продвигали мобильную телефонную связь в ранние годы лучше и быстрее чем Bell System: "Телефонные компании и RCC развивались по-разному в начале мобильного телефонного бизнес. Телефонные компании были первоначально заинтересованными в обеспечении обычных, базовых телефонных услуг в массы и, следовательно, обращали немного внимания на услуги мобильной связи в течение 1950-х и 1960-х. RCC были обычно мелкими предпринимателями, которые работали в нескольких связанных предприятиях - службе ответов по телефону, частными радиосистемами для такси и компаний доставки, морских и служб типа воздух-земля, и службы вызова 'пищалками' (пейджинг). Как класс, RCC были более торгово-ориентированными, чем телефонные компании и выиграли много больше клиентов; некоторые разбогатели на пейджинг-бизнесе. RCC были также очень независимыми друг от друга; помимо продаж, их специальностью было судебное дело, часто 'завешивая' телефонные компании (и друг друга) в судебных и правовых делах на года".

Как доказательство их конкурентоспособности, RCC обслуживали 80,000 мобильных устройств в 1978, вдвое больше чем Белл. Этот рост строился в прочном начале, введении автоматического кодового набора в 1948.

1 Марта 1948 первая полностью автоматическая служба радиотелефонии начала действовать в Ричмонде, Индиана, устраняя операторов для установки большинства вызовов. Радиотелефонная Компания Ричмонда обошла Bell System на 16 лет. AT&T не обеспечили автоматизированный кодовый вызов для большинства мобильных устройств до 1964, отставая в автоматическом переключении для беспроводной связи так же, как с наземной телефонной связью. (Между прочим, Bell System не отправили в отставку их последний шнуровой распределительный щит до 1978.) Большинство систем, включая RCC, все еще обслуживали вручную до 1960-х.

Кое-кто утверждает, что С. Лаурен из Администрации Шведской Сети Связи разработал первую в мире автоматически мобильную телефонную систему, испытанную в Стокгольме в 1951. Я не обнаруживал никакую литературу, чтобы подтвердить это (Американец не приложил достаточно усилий для этого, такой факт, несомненно, имел место – прим пер.). Андерс Линдберг из Шведского Музея Науки и Технологии указывает на текст - " итог от статьи в ежегоднике «Daedalus» (1991) для Шведского Музея Науки и Технология". Он говорит, что "оригинальная шведская статья более обширна, чем итог". Что " Мобильная Телефонная Книга" Джона Мерлунга и Ричарда Джонса, ISBN 0-9524031-02, опубликованная Communications Week International, Лондон в 1994 кратко описывает "MTL" от 1951. Но, тем не менее, ничто не противоречит моему мнению, что Телефон Ричмонда был первым с автоматическим кодовым набором.

1 Июля, 1948 Bell System открыла транзистор, совместное изобретение ученых Bell System Уиляма Шоклея, Джона Бардина и Уолтера Браттайна. Это должно было произвести революцию в каждом аспекте телефонной промышленности и всей связи. Один инженер заметил, "Просить нас предсказать, что транзисторы будут делать, как просить человека, который первым установил колеса на воловую повозку предвидеть автомобиль, часы, или высокоскоростной генератор". Ненадежное, громоздкое, энергоемкое ламповое радио должно было быть вытеснено износоустойчивыми, миниатюрными устройствами низкого энергопотребления в течение следующих 15 лет. В конце 1940-х и большей части 1950-х, тем не менее, большинство радио все еще полагались на лампы, как иллюстрирует ниже фотография типичного радиотелефона того времени.

Давайте отправимся в Швецию, чтобы прочитать о типичном радиотелефонном устройстве, похожем на Американские установки: "Это было в середине 1950-х, когда первые оснащенные телефоном автомобили вышли на дорогу. Это было в Стокгольме - здание штаб-квартиры корпорации Ericsson - и первые пользователи были доктором на вызове и банки на колесах. Прибор состоял из преемника, передатчика и логического устройства, установленных в багажник автомобиля, с номеронабирателем и телефонной трубкой зафиксированными на щитке, висящем над обратной стороне переднего сиденья. Это было похоже на разъезды с полной телефонной станцией в автомобиле. Со всеми функциями обычного телефона, телефон питался автомобильной батареей. Ходит слух, что оборудование поглощало так много энергии, что Вы могли сделать только два вызова - Второй, чтобы попросить, чтобы гараж послал грузовик, чтобы отбуксировать прочь Вас, ваш автомобиль и вашу пустую батарею... Эти первые автотелефоны были просто слишком тяжелы и громоздкими - и слишком дороги в использовании - т.е. доступными для горстки клиентов. До середины 1960-х новое оборудование, использующее транзисторы не привозилось на рынок. Весящие много менее и потребляющие ничтожную часть энергии, мобильные телефоны теперь оставляли много места в багажнике - но Вам все еще потребовался бы автомобиль, чтобы передвигаться с ним".

В 1953 Кеннет Буллингтон из Bell System написал статью названную, "Экономия Частот в Мобильных Радио Диапазонах". Она появилась в популярном Техническом Журнале Bell System. Возможно, в первый раз на публично распространенной газете, 21 страничная статья намекает, хотя и косвенно, на принципы сотового радио.

В 1956 AT&T и Департамент Правосудия Соединенных Штатов урегулировали, на некоторое время, один антимонопольный иск. AT&T согласились не расширять их бизнес за границы телефонии и передачи информации. Bell Laboratories и Western Electric не должны были входить в такие области как компьютеры и оргтехника. Bell System за это была оставлена в покое от монопольных исков в течение нескольких лет. Это также воздействовало на беспроводные технологии. Белл и WECO прежде поставляли радио оборудование и системы частным и общественным концернам. Больше нет. Западная Электрическая Компания прекратила производство радиотелефонных комплектов.

В 1956 Bell System начала обеспечивать ручную радиотелефонную услугу на 450 MHz, новый диапазон частот был предназначен снять тесноту в частотах. AT&T не автоматизировал эту услугу до 1969. В 1958 прогрессивная Радиотелефонная Компания Ричмонда улучшила свою автоматическую систему кодового набора. Они добавили новые характеристики к ней, включая прямую связь с мобильного на мобильный. Другие независимые телефонные компании и Общие Носители Радио сделали аналогичные продвижения в мобильной телефонной связи в течение 1950-х и 1960-х.

В 1968 FCC рассмотрел теперь уже десятилетней давности запрос Bell System о большем количестве частот. Они приняли беспрецедентное решение удовлетворить его в 1970, запросили комментарий AT&Т, и получили технический рапорт от System в Декабре, 1971. Bell System подала список дел 19262, выделяя схему сотового радио, базировавшуюся на многократном использовании частот. Их список дел в свою очередь базировался на патенте Амоса E. Джоела, Младшего и Bell Telephone Laboratories поданные 21 Декабря, 1970 для мобильной системы связи. Этот патент был одобрен 16 Мая, 1972 и получил патентный номер Соединенных Штатов 3,663,762. Еще шесть лет прошло, прежде чем FCC позволили AT&Т начать с испытания. Хотя Bell System уже работали с сотовым радио, немного, но удачно.

В Январе, 1969 Bell System открывает коммерческое действующее сотовое радио, впервые применяя многократное использование частот. На борту поезда. Используя таксофоны. Многократное использование частот, как уже многократно упоминалось, - принцип определяющий сотовую связь и в данной системе это имело место. (Некоторые говорят handoffs или handovers также определяют сотовую связь, что они делают частично, но MTS и IMTS также могли бы использовать handovers; только многократное использование частот уникально для сотовой связи.). Пассажиры в поездах Metroliner, выполняющих рейсы между Нью-Йорком и Вашингтоном, Округ Колумбия "обнаруживали, что они могли удобно делать телефонные звонки, двигаясь со скоростью не менее чем 100 миль в час. "Шесть каналов в 450 MHz диапазоне были использованы снова и снова в девяти зонах вдоль 225-и мильного маршрута. Оснащенный вычислительной техникой управляющий центр в Филадельфии управлял системой". Таким образом, первый сотовый телефон был таксофоном! Как Пол говорит в статье Laboratories: ". . . система уникальна. Это - первая практическая интегрированная система, использующая концепцию радиозон Bell System для того, чтобы достигнуть оптимального использования ограниченного количества высокочастотных каналов".

В рукописи поданной в IEEE Трансакции На Коммуникациях 8 Сентября, 1971, Фумио Икегами из NTT объяснил, что его компания начала изучать по национальную систему сотового радио для Японии в 1967. Эксперименты по распространению радиоволн, измеряющих силу сигнала и приема в городских областях от мобильных устройств, начинаются с этого момента, сначала в 400Mhz и затем в 900Mhz. Успешное системное испытание, возможно, случилось в 1975-ом, но я не в состоянии подтвердить это. Что Я могу подтвердить это то, что Ито и Матсузака написали в конце 1977, что " Испытания проводились в столичной области Токио с 1975 и теперь принесли успешное завершение". Два автора писали в основной статье, как первая Японская сотовая система должна работать.

17 Октября, 1973, доктор Мартин Купер подал патент для Motorola называвшийся 'Радио телефонная система'. Это выделило идею Motorola для сотового радио и, когда патент был представлен 16 Сентября ,1975, был дан Патентный Номер США 03906166. В интервью 1999-го с доктором Купером, Марк Ферранти, пишет для Службы Новостей IDG, описывает конкуренцию той эры: "Пока он доктор (Купер) был руководителем проекта в Motorola в 1973, Купер установил базовую станцию в Нью-Йорке с первым рабочим прототипом сотового телефона и позвонил своим конкурентам в Bell System. Белл разработал технологию сотовой связи годами раньше, но Motorola и Bell Labs в 60-х и начале 70-х соревновались, чтобы действительно перевести технологию на практические устройства; Купер не мог противостоять соблазну продемонстрировать в очень практичной манере кто выиграл". Таким образом, Купер претендует на изобретение сотового телефона. Но служба Metroliner описанная infra работала четыре года перед звонком Купера, и она была полностью практической. Поскольку Metroliner использовали общественные таксофоны, то Купер может более легко претендовать на изобретение первого персонального сотового телефона.

В 1975 FCC, наконец, разрешил Bell System начать испытания системы. Хотя просьбу AT&T о настоящих "полевых испытаниях" работающей сотовой системы FCC одобрила только в Марте 1977. Причины этой бесящей задержки было непреодолимое желание FCC управлять, о котором Берресфорд говорит так: "FCC сделала серию Соломоновых решений под своим стандартом 'общественного интереса'. Постоянно предполагалось во всех ... решениях, что она, FCC, должна решать вопросы: одна или более ячеистых систем должны быть разрешены в данной области; что телефонным компаниям должно быть разрешено вводить их; кто должен делать сотовые телефоны и кто должен продавать их; и так далее вплоть до технических материалов как, например, размещение между речевыми каналами должно быть в 25, 30, 40, или 50 килогерц. Эта задержка, должно быть, стоила Bell System шанса быть первым в предложении индивидуальных сотовых услуг.

Телефонная Компания Бахрейна в Мае, 1978 начала работать со своей системой сотовых телефонов. Это отмечено, как в первый раз в мире отдельные личности начали использовать то, что мы считаем традиционным, мобильным сотовым радио. Двуячеистая система имела 250 подписчиков, 20 каналов на 400Mhz диапазоне и использовала все оборудование Matsushita. (Панасоник - имя Матсушита в Соединенных Штатах.) Компания Кабельная и Беспроводная Связь, теперь называющаяся Глобал Кроссинг, вероятно, установили оборудование. Таким образом, FCC, Бахрейн, Британские, и Японские изготовители оборудования выбили Bell System с почетного первого места.

В Июле, 1978 Advanced Mobile Phone Service(Продвинутая Служба Мобильных Телефонов) или AMPS начали работу в Северной Америке. В лабораториях AT&T в Ньюарке, Нью Джерси, и что наиболее важно в испытаниях вокруг Чикаго, Иллинойс, Bell и AT&T совместно раскрутили аналоговую службу сотовых телефонов. Десять ячеек покрывающие 21,000 квадратных миль создали систему Чикаго. Для первого теста оборудование начали использовать 90 служащих Bell System. После шести месяцев, в Декабре 20, 1978, началось рыночное испытание с платящими клиентами. Это было названо эксплуатационным испытанием. Система использовала вновь размещенный 800 MHz диапазон. Эта ранняя сеть, использующая большое количество интегрированных цепей, специальный компьютер и систему переключений, изготовленные на заказ мобильные телефоны и антенны, доказала что большая сотовая система могла бы работать.

"Автомобильная телефонная служба была введена в 23 районах Токио в Декабре 1979. Пятью годами позже, в 1984, система стала доступна по всей стране. Также вводились монетные автомобильные телефоны для удобных звонков из автобусов или такси".

Быстро последовало всемирное распространение коммерческих AMPS. 88 ячеистая система в Токио стартовала в Декабре 1979, используя оборудование Matsushita и NEC. Первая Северная Американская система в Мексико-Сити, одноячеистая система, стартовала в Августе, 1981. В Соединенных Штатах разработка сотовых систем не поддерживалась, так как полностью коммерческие системы все еще не разрешались, несмотря на то, что во время эксплуатационных испытаний плата с клиентов разрешалась. Приближающийся раскол Bell System и новое требование конкуренции FCC снова задержали сотовые технологии. Нормы 1981 Федеральной Комиссии Связи требовала, чтобы Bell System или компанию местного значения, как например, Bell Atlantic, имели конкуренцию на каждом рынке сотовых услуг. Это - в отличие от монополии на наземную кабельную связь, которую имели эти компании. В теории конкуренция должна была обеспечивать лучший сервис и держать низкий уровень цен.

Ameritech таким образом предложил первые коммерческие услуги в Соединенных Штатах в Чикаго 12 Октября 1983. Служба сотовой связи Соединенных Штатов развивалась с модели AT&T, вместе с аналоговой системой Motorola известной как Dyna-TAC, сначала введенной для коммерческого использования в Балтиморе и Вашингтоне, Округ Колумбия компанией Cellular One 16 Декабря, 1983.

Канадская служба AMPS начала свой ход, когда Правительственные Телефоны Альберта, теперь называющиеся Telus, запустили в Феврале 1983 систему AURORA-400 использующую оборудование GTE и NovAtel. Это так называемая децентрализованная система действовала в 420 MHZ, используя 86 ячеек, но не работала с handoff. Дэвид Кроуи объясняет, "Это обеспечивает значительно лучший охват в сельских районах, хотя вместимость на низком уровне".

Европа увидела услуги сотовой связи в 1981, когда начала действовать Nordic Mobile Telephone System (Северная Мобильная Телефонная Система) или NMT450 в Дании, Швеции, Финляндии, и Норвегии в 450 MHz диапазоне. В 1985 Великобритания начала использовать Систему Коммуникации Полного Доступа или TACS на 900 MHz. Позже, C-Netz Западной Германии, Французское Radiocom 2000, и Итальянское RTMI/RTMS помогли создать девять Европейских аналоговых телефонных радиосистем, несовместимых между собой. Тем не менее в начале 1980-х строились планы, создать единую Европейскую службу цифровой мобильной связи с улучшенными характеристиками и легким роумингом. Пока Северо Американские группы сконцентрировались на построении их живучей, но чрезвычайно легко доступной для мошенничества и без развитых характеристик аналоговой сети, Европа планировала цифровое будущее.

Соединенные Штаты не страдали от путаницы из-за несовместимых систем. Роуминг от одного города или штата к другому, не было так затруднен, как в Европе. Ваш мобильный телефон обычно работал, пока был охвачен сетью. Немного было желания разрабатывать новую цифровую систему, когда существующая работала хорошо и была популярной. Чтобы проиллюстрировать это скажем, что Американская промышленность сотовых телефонов выросла от менее чем 204,000 подписчиков в 1985 до 1,600,000 в 1988. И с каждым проданным аналоговым телефоном, шансы для цифрового будущего меркли. Чтобы эти телефоны продолжали работать (и приносить деньги владельцам) любое технологическое продвижение должно было поддерживать их.

Европейцы видели вещи в другом свете. Никакая новая телефонная система не могла бы объединить их существующие службы, работавшие на столь многих частотах. Они решили вместо этого начать с новой технологии на новом радиодиапазоне. Структурированная по сотовому типу, но полностью цифровая, новая служба должна была включать все наилучшие мысли того времени. Они сформировали новый беспроводной стандарт по требованиям для проводных ISDN, надеясь сделать беспроводной аналог. Новая услуга была названа GSM.

GSM сначала означало Groupe Speciale Mobile, по названию группы анализа, которая создавала стандарт. Теперь он известен как Global System for Mobile Communications (Глобальная Система для Мобильной Связи), хотя "C" не включается в сокращение. Разработка GSM началась в 1982 группой из 26 Европейских национальных телефонных компаний. Конференция Европейских Почтовых и Телекоммуникационных Администраций или CEPT, стремились построить единую для всех Европейских стран сотовую систему около 900 MHz диапазона. Редкое торжество Европейского объединения, достижения GSM стали "одними из наиболее убеждающих демонстраций какое сотрудничество в Европейской промышленности может быть достигнуто на глобальном рынке". Планирование началось всерьез и продолжалось в течение нескольких лет.

В середине 1980-х коммерческая мобильная телефонная связь земля-воздух вышла в свет. Северо Американская наземная система или NATS была предсатвлена Airfone в 1984, компанией скоро купленной GTE. Авиационная общественная корреспонденция или служба APC раскололась на два отделения. Первое - основанное на наземной системе (TAPC). Когда вызов с авиации идет непосредственно на наземную станцию. И спутниковое отделение, которое пришло значительно позже, работавшее с отправкой вызова на спутник, который затем передает его на наземную станцию. AT&T вскоре после GTE установили свою собственную TAPC сеть.

В 1989 Европейский Телекоммуникационный Институт Стандартов или ETSI взял ответственность за дальнейшее развитие GSM. В 1990 были опубликованы первые рекомендации. Объединенное Королевство потребовало и получило GSM план для высших частот. Цифровая Сотовая Система или DCS1800 работает в 1.8 GHz, использует базовые станции низкой мощности и имеют большую вместимость, поскольку доступно больше частот, чем на континенте. Помимо этих изысков "воздушного интерфейса", система была чистой GSM. Спецификация была опубликована в 1991.

В конце 1980-х Северо Американская сотовая связь становится стандартизованной по мере того как ускорялись рост и сложность сети. В 1988 был опубликован стандарт аналоговой сетевой связи названный TIA-IS-41 . Этот временный стандарт все еще развивается. IS-41 был попыткой унифицировать действия сетевых элементов; способ, по которому различные базы данных и мобильные узлы общаются друг с другом и с обычной проводной телефонной сетью. Несмотря на собственность или расположение, все сотовые системы по всей Америке нужно было включить в одну большую систему. Таким образом, бродяги могли бы путешествовать от системы в системе без сброса вызова, вызовы можно было бы проверить на подлинность, характеристики подписчика могли бы поддерживаться в любой точке страны, и так далее. Все эти вещи полагались бы на сетевые элементы, сотрудничающие единым способом.

В 1990 авиационный радиотелефон стал цифровым. FCC приняли заявки и впоследствии выдали новые лицензии на работу службы цифровой Авиационной общественной корреспонденции наземного базирования или TAPC в США. GTE Airfone, Были выданы лицензии службе беспроводной связи AT&T (раньше называвшейся Claircom Communications), и InFlight Phone Inc.. "Эти Американские провайдеры услуг связи теперь имеют TAPC сети, покрывающие основную часть Северной Америки. FCC не определил общий стандарт для TAPC услуг в США, кроме основного протокола для распределения радиоканальных ресурсов, и все три системы несовместимы. К настоящему времени свыше 3000 авиасудов приспосабливаются к одной из этих трех Северо Американских Телефонных Систем (NATS). Оценивается, что потенциальный рынок для TAPC услуг в Северной Америке - свыше 4000 авиасудов", говорит Капвэй.

В Марте, 1990 Американская Сотовая Сеть стала цифровой. IS-54B или Цифровая AMPS, не слишком удачный термин, стала первым Северным Американским цифровым сотовым стандартом двойного режима. Это побивает Narrowband AMPS или NAMPS от Motorola, аналоговую схему, которая увеличила вместимость, снизив речевые каналы с 30KHz до 10KHz. IS-54 разделяла вызовы временем, передавая части беседы на той же частоте, одну за другой. Это утроило вместимость вызовов дискретизацией, оцифровыванием и затем мультиплексированием беседы, техника названная TDMA или временный многочисленный доступ.

Используя IS-54, сотовый ретранслятор мог преобразовать любой из своих системных аналоговых речевых каналов в цифровой. Двух режимный телефон использует цифровые каналы, где это возможно или настраивается на обычные AMPS. IS-54 был, фактически, совместим с аналоговым сотовым стандартом и счастливо сосуществовал в тех же радио каналах, что и AMPS. Аналоговые клиенты не оставались за бортом; они просто могли не иметь доступ к новым характеристикам IS-54. CANTEL получил IS-54 в Канаде в 1992. IS-54 также поддерживала аутентификацию, что стало серебряной пулей для мошенничества. IS-54, теперь свернутое в IS-136, насчитывает, возможно, половину сотовых радио в этой стране.

Необходимо отметить, что никакая радио служба не может быть оценена на основании цифровая она или нет. Должны оцениваться другие показатели как, например, качество речи. Также, PCS 1900, Американский эквивалент GSM , действуют на высшей частоте, чем это делает в большинство в Европе. Как мы увидим позже, почти вдвое больше базовых станций требуется на континенте, чтобы закрыть дыры в охвате, которых не существует с нижней частотой. И скорость передачи данных не выше чем в 9.6 kbs, пятая часть скорости обычного модема. Существует, конечно, огромный потенциал, но пока сеть не создана и другие проблемы не решены, этот потенциал остается неиспользованным.

Тем временем, на континенте, коммерческие сети GSM начали действовать в Европейских странах в середине 1991. GSM разработан позже, чем стандартная сотовая связь и во многих отношениях лучше был сконструирован. Северо Американский аналог - PCS, иногда называемый PCS 1900, действует на более высоком диапазоне частот, чем оригинальный Европейский GSM. Улучшенная Мобильная Телефонная Служба(AMPS) остается потенциальным конкурентом для GSM и PCS. Как говорит Дэвид Кроуи: "Лучше всего известны системы AMPS в США и Канаде, но AMPS - также де-факто стандарт в Мексике, Центральной и Южной Америке, очень распространены в Тихом Океане и также обнаружены в Африке и остатках СССР. В итоге, AMPS есть на каждом континенте кроме Европы и Антарктики... Из-за высокой вместимости, допускаемой концепцией сотовой связи, низкой энергоемкости, которая позволяла портативное функционирование и не убиваемый дизайн, AMPS имели ошеломляющий успех. Сегодня, более чем половина сотовых телефонов в мире действуют согласно стандартам AMPS... AMPS вырастили от своих корней 800MHz аналоговый стандарт, включая TDMA и CDMA цифровую технологию, узкодиапазонный (FDMA) аналоговое функционирование NAMPS, модификации для строений и резидентов".

"Совсем недавно, функционирование на 1800 Mhz (1.8-2.2 GHz) диапазон частот PCS было добавлено к стандартам для CDMA и TDMA. Все эти дополнения были сделаны поддерживая режим совместимости AMPS (известный как BOA: Скучная Старая AMPS). Она, вероятно, скучная, но она работает, и совместимость с АМPS заставляет работать улучшенные цифровые телефоны везде, даже если все их характеристики доступны в аналоговом режиме."

К 1993 американская сотовая связь снова испытывал недостаток вместимости, несмотря на широкое распространение IS-54. Продолжался бум Американского сотового бизнеса. Количество подписчиков выросло от полутора миллиона клиентов в 1988 до более чем тринадцати миллионов в 1993.

В 1994 Qualcomm, Inc. предложил расширенную схему спектра чтобы увеличить возможности доступа. Построенный на более раннем предложении, многочисленный доступ кодового деления или CDMA был полностью цифровым и обещал в 10-20 раз увеличить возможности существующей сотовой техники AMPS. Но хотя CDMA или IS-95 действовал в 800 Mhz и доказал что работает, реально возросшая возможность вызова так и не была никогда подтверждена.

К середине 1990 возникла потребность в еще большем количестве каналов, поскольку многие ретрансляторы приближались к границе системных возможностей в плотно заполненных городах. После длительного анализа FCC начал аукцион на пространство на вновь выделенном PCS диапазоне от 5 Декабря, 1994 до 14 Январе, 1997. Пакет инструкций закончившаяся различными носителями, лицензированными в каждую столичную область. Новая группа предложений на новом диапазоне частот должна была позволить большему числу компаний конкурировать за клиента. FCC считала, что это должно увеличивать конкуренцию и уменьшать расценки для беспроводной связи в общем.

Новые службы и новые ретрансляторы развились достаточно, чтобы конкурировать против стандартной сотовой связи и двух ретрансляторов в каждой области, которые обслуживающее ее. PCS родился с технологиями, использующими нормальные TDMA программы и также многочисленным доступом кодового деления или CDMA технологией. Наиболее примечательное предложение было Европейский GSM, дублированную и перенесенным на Америку на высшую частоту PCS1900. И пока стимулировалась конкуренция, снижения цен не происходило.

В России сотовая связь получила кое-какое распространение к 1995 году, но даже сейчас остается для большинства лишь символом достатка. И хотя тарифы неуклонно снижаются, они не скоро достигнут уровня, например, норвежских цен, которые доступны даже русскому(!) студенту. Впрочем, для России актуальна другая проблема – расстояния. Если Норвегию можно было покрыть тремя сотнями сот и парой спутников, то в российских масштабах телефонная компания еще долго не сможет обеспечивать роуминг на сколько-нибудь значимой территории. Встает вопрос о необходимости этого. Ведь большая часть России все-таки недостаточно обжита. Населенные пункты, в отличие от той же Норвегии, разделены межу собой длинными полупустыми путями. И обеспечивать связь вдоль этих путей пока нецелесообразно. Фактор расстояний сдерживает развитие беспроводных технологий в России больше, чем технологическая отсталость.

Cотовые сети связи

В настоящее время во многих капиталистических станах, а также в ряде развивающихся стран ведется интенсивное внедрение сотовых сетей связи (ССС) общего пользования. Такие сети предназначены для обеспечения подвижных и стационарных объектов телефонной связью и передачей данных. В ССС подвижными объектами являются либо наземные транспортные средства, либо непосредственно человек, находящийся в движении и имеющий портативную абонентскую станцию (подвижный абонент). Возможность передачи данных подвижному абоненту резко расширяет его возможности, поскольку кроме телефонных сообщений он может принимать телексные и факсимильные сообщения, различного рода графическую информацию (планы местности, графики движения и т.п.), медицинскую информацию и многое другое. Особое значение ССС приобретают в связи с активным внедрением во все сферы человеческой деятельности персональных компьютеров, разнообразных баз данных, сетей ЭВМ. Доступ к ним через ССС позволит подвижному абоненту оперативно и надежно получить необходимую информацию. Соответственно возрастет и роль систем связи, повысятся требования к качеству передачи информации, пропускной способности, надежности работы. Увеличение объема информации потребует сокращения времени доставки и получения абонентом необходимой информации. Именно поэтому уже сейчас наблюдается устойчивый рост мобильных средств радиосвязи (автомобильных и портативных радиотелефонов), которые дают возможность сотруднику той или иной службы вне рабочего места оперативно решать производственные вопросы. Радиотелефон перестал быть символом престижа и стал рабочим инструментом, который позволяет более эффективно использовать рабочее время, оперативно управлять производством и постоянно контролировать ход технологических процессов, что обеспечивает дополнительные доходы при использовании радиотелефона в производстве. Внедрение ССС во многие отрасли народного хозяйства позволит резко повысить производительность труда на подвижных объектах, добиться экономии материально-трудовых ресурсов, обеспечить автоматизированный контроль технологических процессов, создать надежную систему управления транспортными средствами или мобильными роботами, распределенными на большой территории и входящими в состав гибких автоматизированных систем управления. Использование системы радиосвязи с подвижными объектами можно разделить на следующие классы: ведомственные (или частные) системы подвижной связи (ВСПС); сотовые системы подвижной связи (ССПС); системы персонального радиовызова (СПРВ). Исторически впервые в эксплуатации появились ВСПС, так как в условиях ограничений на использование радиосвязи возможность ее применения для связи с подвижными абонентами предоставлялась государственным, ведомственным или крупным частным организациям (полиция, пожарная охрана, такси и т. п.). Для вызова подвижного абонента (внутри ограниченной зоны обслуживания) стали использоваться СПРВ. Появившиеся совсем недавно ССПС являются принципиально новым видом систем связи, так как они построены в соответствии с сотовым принципом распределения частот по территории обслуживания (территориально-частотное планирование) и предназначены для обеспечения радиосвязью большого числа подвижных абонентов с выходом на телефонную сеть общего пользования (ТФОП). Если ВСПС создавались (и создаются) в интересах узкого круга абонентов, то ССПС за рубежом стали использоваться в интересах широких кругов населения. Свое название ССС получили в соответствии с сотовым принципом организации связи, согласно которому зона обслуживания (территория города или региона) делится на большое число малых рабочих зон или сот в виде шестиугольников. В центре каждой рабочей зоны расположена базовая станция (БС), осуществляющая связь по радиоканалам с многими абонентскими станциями (АС), установленными на подвижных объектах, находящихся в ее рабочей зоне. Базовые станции соединены проводными телефонными линиями связи с центральной станцией (ЦС) данного региона, которая обеспечивает соединение подвижных абонентов с любыми абонентами телефонной сети общего пользования (ТФОП) с помощью коммутационных устройств. При перемещении подвижного абонента из одной зоны в другую производится автоматическое переключение канала радиосвязи на новую базовую станцию, тем самым осуществляется эстафетная передача подвижного абонента от передающей к последующей (соседней) базовой станции. Управление и контроль за работой базовых и абонентских станций осуществляется ЦС, в памяти ЭВМ которой сосредоточены как статические, так и динамические данные о подвижных объектах и состоянии сети в целом. В отличие от централизованных в сотовых сетях подвижной связи радиосвязь базовой станции с абонентской станцией осуществляется в пределах малой рабочей зоны, что позволяет многократно использовать одни и те же частоты в зоне обслуживания. Число абонентов в ССС определяется пропускной способностью и числом БС, равным числу рабочих зон, которое возрастает по квадратическому закону с уменьшением радиуса рабочей зоны R при постоянном радиусе зоны обслуживания R0. Если десять лет назад радиус рабочей зоны в ССС был равен 5-15 км, то в настоящее время он равен 200 м. Так уменьшение радиуса рабочей зоны с 30 до 0,5 км позволит увеличить в 3600 раз число подвижных абонентов, оснащенных радиосвязью и имеющих возможность выхода на ТФОП. Следовательно, эффективность использования спектра радиочастот в ССС во много раз выше, чем в централизованных системах подвижной связи, что позволит в перспективе обеспечить управление большим числом наземных подвижных объектов. С уменьшением радиуса рабочей зоны появляется возможность уменьшить мощность передатчиков и чувствительность приемников, что значительно улучшит электромагнитную совместимость (ЭМС) абонентов в ССС и ЭМС между ССС и другими системами, использующими определенные спектры радиочастот, а также позволит снизить стоимость и габаритные размеры абонентской станции, обеспечить доступ к базам данных и ЭВМ. Отмеченные преимущества позволяют уже в настоящее время повысить оперативность управления и контроля в работе подведомственных предприятий и организаций, улучшить качество технологических процессов в системах с большим числом транспортных средств. Стремительный рост объемов передаваемой информации требует значительного сокращения времени доставки и обработки абонентом необходимой информации. Это одна из причин быстрого роста мобильных средств связи на базе ССС. Внедрение ССС означает появление принципиально нового вида связи - массовой радиотелесвязи, т.е. нового вида услуг. Уже сейчас абонентский терминал ССС - сотовый радиотелефон (СРТ) - признается многими зарубежными экспертами первичным терминалом, которым абонент пользуется как в стационарном состоянии (дома, на службе), так и в движении. Широкое внедрение портативных СРТ в перспективе позволит обеспечить каждого человека персональным телефоном со своим индивидуальным номером. Создание систем массовой радиотелесвязи с большим числом подвижных абонентов, большой пропускной способностью и высоким качеством приема сообщений возможно только при использовании сотового принципа построения системы связи. Этим и объясняется повышенный интерес к ССПС. Действующие в настоящее время зарубежные ССС по сравнению с централизованными сетями имеют следующие преимущества: - большое число абонентов; - высокое качество передачи телефонных сообщений и данных; - возможность связи с ЭВМ и базами данных; - высокая эффективность использования спектра радиочастот и лучшая электромагнитная совместимость с другими радиотехническими системами. Использование ССС широким кругом потребителей в отраслях транспорта, связи, энергетики, строительства, сферы обслуживания, ремонта и др. приносит существенный экономический эффект. По оценкам экспертов США ежегодные доходы от внедрения и эксплуатации ССС в США достигают 2 млрд. дол. Зарубежные эксперты отмечают возможность создания ССС без значительных начальных капитальных затрат. Сначала ССС создаются с крупными рабочими зонами (радиус зон порядка 10 км) и относительно небольшим числом абонентов. По мере поступления доходов и роста числа заявок на СРТ размеры зон уменьшаются и увеличивается число абонентов. При этом постоянно наращивается объем типового оборудования базовых станций, АТС и центральной станции за счет доходов от использования ССС действующими абонентами. Поэтому первоначальные капитальные затраты могут быть значительно меньше полных затрат, приходящихся на максимальное число абонентов.

Общие сведения о системах радиосвязи с подвижными объектами (ПО). Классификация

 По назначению системы связи с ПО могут быть разделены на: - ведомственные (специализированные) радиотелефонные системы; - радиотелефонные системы общего пользования. Созданные первыми, ведомственные системы применяются в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте и в строительстве, такси, скорой помощи, а также в различных аварийных службах. Эти системы предназначены для оперативного управления процессами производственной деятельности. Различают диспетчерские радиотелефонные системы, используемые для связи руководителя работ с абонентами ПО, а также для связи абонентов между собой и с радиосистемами передачи данных. Последние находят применение в автоматизированных системах управления производством, технологическими процессами и в таких системах, в которых от подвижного абонента (ПА) или к нему необходимо передавать с высокой скоростью большой объем информации. Однако в силу разобщенности ведомственных сетей, неэффективного использования ими спектра частот, ограниченности количества обслуживаемых подвижных абонентов, сложности унификации аппаратуры связи и управления, а также ряда других причин применение ведомственных систем носит ограниченный характер. Однако ведомственные системы радиосвязи с подвижными объектами несмотря на отмеченные недостатки могут просуществовать еще длительное время, что объясняется их практичностью и ориентацией на те условия и специфику работ, для которых они создавались и отрабатывались. Таким образом, становится актуальной задача преобразования и модификации этих систем в целях их объединения в единую сеть подвижной радиосвязи согласно концепции построения сети радиосвязи с подвижными объектами общего пользования. Одним из вариантов решения такой задачи может быть способ организации единого автоматизированного управления ведомственными и другими локальными системами радиоподвижной связи, объединяемыми в сеть радиосвязи с подвижными объектами общего пользования. Радиотелефонные системы общего пользования в настоящее время составляют основной вид связи с ПО. Они позволяют наиболее полно и эффективно использовать выделенный частотный спектр и, объединяя своих потребителей в одну группу, дают им возможность общего доступа к системе связи независимо от ведомственной принадлежности (по принципу городской телефонной сети). Указанное преимущество систем обеспечивает широкий комплекс услуг: автоматическое соединение абонентов между собой и с абонентами городской телефонной сети, а также других городов и государств с использованием междугородных и международных линий, передачу речи и данных, а в ближайшем будущем телексных и факсимильных сообщений, цветных графических изображений, информации из банков данных и т.п. Радиотелефонные системы общего пользования делятся на два вида: - системы с большими зонами обслуживания (БЗО - радиальные системы); - системы с малыми зонами обслуживания (МЗО - сотовые системы связи). Системы с большой зоной обслуживания основаны на использовании одной центральной радиостанции, обслуживающей зону большого радиуса (от 50 до 100 км). Мощность передатчика этой станции выбирается в зависимости от заданной напряженности поля на границах обслуживаемой территории и заключена в пределах от 100 до 250 Вт, а антенна располагается в наиболее высокой точке зоны обслуживания. Широкому внедрению таких систем препятствует ряд присущих им недостатков, прежде всего невозможность существенного увеличения количества обслуживаемых абонентов. Также, для систем БЗО необходимо: - исключать влияние мощных передатчиков на приемники центральных станций, так как на центральных станциях (УКВ-диапазон) они используются совместно; - исключать влияние мощных передатчиков центральных станций соседних зон на работу центральной станции данной зоны; - контролировать качество связи внутри каждой зоны для подвижных абонентов, находящихся на различных удалениях от центральной станции данной зоны; - тщательно планировать частотную обстановку в выделенном диапазоне; - обеспечивать равнодоступность каналов связи со стороны подвижных объектов. Тем более, увеличение числа каналов на ограниченной территории обслуживания вызывает необходимость соответствующего увеличения числа центральных станций (ЦС), работающих с достаточно большой мощностью. Это обстоятельство при наличии круговой диаграммы направленности антенны ЦС приводит к возможности возникновения взаимных помех для большинства радиостанций ПА, находящихся в зоне обслуживания. Кроме того, значительному увеличению числа каналов препятствует ограниченность выделяемого спектра радиочастот и невозможность повторного использования каналов в близлежащих районах из-за большой мощности передатчика. Другие недостатки связаны с многолучевостью распространения радиоволн при работе в городских условиях с плотной застройкой и наличием радиозатененных зон, что может вызвать значительные искажения сигналов и даже их пропадание на дальностях, близких к предельным. Отметим также возможность возникновения интермодуляционных помех из-за достаточно плотного расположения каналов. В связи с перечисленными причинами возникла необходимость интенсивных поисков и исследований в области разработки систем с большой эффективностью использования выделенного спектра и высокой пропускной способностью, которые были бы в состоянии обслуживать большое количество абонентов. Эти исследования начались на рубеже 60-70-х годов и привели к созданию территориальных систем с малыми зонами обслуживания, получивших название сотовых систем радиосвязи с подвижными объектами. Сотовые системы подвижной радиосвязи имеют принципиально новую структуру, основанную на сотовом построении и распределении частот,согласно которому зона обслуживания делится на большое число ячеек ("сот"), каждая из которых обслуживается отдельной радиостанцией небольшой мощности, находящейся в центре ячейки . Небольшая мощность передатчиков в системах МЗО и, соответственно, небольшой радиус их действия, допускает организацию повторения частот приема-передачи через 1 - 2 зоны. Это позволяет реализовать основное достоинство сотовой системы - обеспечение высококачественной радиосвязью большого количества ПА в условиях ограниченного частотного диапазона. К достоинствам систем МЗО также относятся: - применение сравнительно маломощных передатчиков в базовых станциях и, как следствие этого, экономия радиоспектра за счет динамического распределения частот выделенного диапазона между зонами обеспечения связи; - возможность гибкого эволюционного развития системы МЗО (за счет, например, увеличения или уменьшения числа зон обслуживания); К недостаткам систем МЗО относятся: - увеличение стоимости систем в целом за счет использования большого числа стационарных базовых станций; - необходимость применения аппаратуры непрерывного слежения за подвижными абонентами, т.к. распределение каналов связи меняется от зоны к зоне и поэтому возможны перерывы связи при пересечении подвижными абонентами границ сопряженных зон. По принципам реализации управления СРПО подразделяются на следующие группы: СРПО с ручным управлением, в которых реализуется ручная коммутация радиоканалов как между подвижными объектами, так и между подвижными и стационарными абонентами, ручная коррекция и визуальный контроль оператором режимов работ как абонентских радиопередающих станций (АРС), так и аппаратуры центральных (базовых) станций и т.д.; СРПО с автоматизированным управлением, в которых только часть операций выполняются человеком, а большая часть операций по обслуживанию подвижных объектов - посредством управляющих вычислительных средств (УВС) согласно заданным алгоритмам работы; СРПО с автоматическим управлением, в которых все основные операции установления связи и контроля за работой системы реализуются за счет организации систем автоматического управления - без участия человека-оператора. В последнее время наибольшее распространение получили СРПО, имеющие: - сотовую или квазисотовую структуры; - автоматизированное или автоматическое управление; - возможность входа в сеть общего пользования или сопряжения с другой СРПО; - возможность передачи цифровых сигналов управления и прямого и обратного преобразования информации (в том числе и речи) в цифровую форму и обратно. Внедрение в ССПР цифровых методов обработки информации в самом ближайшем будущем позволит получить абонентам целый ряд дополнительных услуг: доступ к международным базам данных, факсимильная связь, определение местоположения ПА с большой точностью, получение медицинских данных и т.д. Как уже отмечалось выше, ССПР характеризуются высокой эффективностью использования спектра. Наконец, они могут найти применение в качестве временного средства для полной или частичной замены в короткие сроки проводной телефонной связи в новых районах застройки и обеспечения связью абонентов, проживающих или временно находящихся в труднодоступных районах. Интенсивное использование ССПР за рубежом началось в начале 80-х годов. К 1985 г. ССПР наиболее широко эксплуатировалась в США, Японии, Скандинавских странах. В настоящее время осуществляется их внедрение в ФРГ, Великобритании, Франции и ряде других стран.

 

Принципы построения сотовых систем

Разделить обслуживаемую территорию на микрозоны можно двумя способами: статистическим, основанным на измерении статистических параметров распространения сигналов в системах связи, или детерминированным, основанным на измерении или расчете параметров распространения сигнала для конкретного района. При статистическом способе вся обслуживаемая территория разделяется на одинаковые по форме зоны и с помощью статистических законов распространения радиоволн определяются их допустимые размеры и расстояния до других зон, в приделах которых выполняются условия допустимого взаимного влияния. Чтобы оптимально разделить территорию на микрозоны, т. е. без перекрытия или пропусков участков, могут быть использованы только три геометрические фигуры - треугольник, квадрат и шестиугольник.Наиболее подходящей фигурой является шестиугольник, так как если антенну устанавливать в его центре, то круговая форма диаграммы направленности будет покрывать почти всю его площадь. Радиостанции ПО , находящиеся в микрозонах, могут связаться ЦРС, находящейся в центре этой зоны (БС). Все микрозоны связаны соединительными линиями с главной радиостанчией ССПР. В качестве соединительных линий могут использоваться кабели, радиорелейные линии. Главная радиостанция (ЦС) соединяется с телефонной сетью. Таким образом, при связи абонента АТС с абонентом ПО сигнал вызова из телефонной сети попадает на ГСПС, от нее по соединительным линиям к одной из МЗЦС и затем по радиоканалу к абоненту ПО. Передатчик МЗЦС имеет сравнительно небольшую мощность, необходимую для связи с абонентами ПО в микрозоне, поэтому уровень создаваемых им помех значительно ниже. Это дает возможность использовать те же частоты и в других ячейках. Расстояние до этих ячеек, в которых могут быть использованы одни и теже рабочие частоты, зависят от условий распространения радиоволн, допустимого уровня помех и числа радиостанций, расположенных вокруг данной ячейки. Считается допустимым, чтобы в сотовой шестиугольной структуре частоты повторялись через две ячейки . Это означает, что, используя 7 рабочих каналов, можно перекрыть всю зону обслуживания. Если интенсивность нагрузки по всей зоне одинакова, то и размеры всех ячеек выбирают одинаковыми. Обычно распределение абонентов ПО по всей обслуживаемой территории неравномерно (уменьшается от центра к периферии), поэтому целесообразно так изменять ячейки, чтобы их размеры увеличивались к периферии. Это позволяет уменьшить стоимость ССПР в целом за счет уменьшения необходимого числа БС. Однако в этом случае мощности передатчиков центральных и подвижных радиостанций будут зависеть от размеров ячеек, поэтому целесообразно использовать автоматически регулируемую по сигналу корреспондента мощность передатчика. Кроме того, для территорий с зонами разного размера надо более тщательно определять те из них, в которых можно повторно использовать рабочие каналы. При статическом способе в большинстве случаев получаемый интервал между зонами, в которых используются одинаковые рабочие каналы, получается больше необходимого с точки зрения поддержания взаимных помех на допустимом уровне. Более оптимален детерминированный способ разделения на зоны. При нем тщательно измеряют или расчитывают параметры системы для определения минимального числа центральных станций, обеспечивающих удовлетворительное обслуживание абонентов по всей территории, учитывается рельеф местности для определения оптимального места расположения ЦРС, имеется возможность использовать направленные антенны, пассивные ретрансляторы и смежные центральные станции в момент пиковой ногрузки и т.д. Однако этот способ сложен и требует в ряде случаев моделирования с использованием ЭВМ. В сотовых системах необходимо определить, какую ЦРС подключить для связи с абонентом ПО, т. е. определить местоположение абонента ПО на территории обслуживания. При этом не требуется высокая точность определения местоположения подвижного объекта. Достаточно определить только микрозону в которой он находится. При входящей связи, т. е. от ЦС к абоненту ПО, сигнал вызова может передаваться либо по специальным вызывным, либо по свободным каналам, на которые радиостанции ПО настраиваются автоматически. Местоположение определяется по уровню сигнала, поступающего от радиостанции ПО на ближайшую БС. которая и включается для ведения переговоров с абонентами ПО. При переезде в зону действия другой БС радиостанция ПО автоматически переходит на канал новой БС. При этом постоянно должен обеспечиваться контроль за радиостанцией ПО, для чего в процессе ведения разговора с абонентом ПО на БС и далее в ЦС совместно с речью передаются контрольные сигналы. Существуют различные методы определения координат: наиболее распространенный из них трехсторонний дальномерный метод для оценки дальности импульсными или фазометрическими системами, а также триангуляционный метод для измерения азимута ПО по отношению к базовым станциям, принимаюшим сигнал его абонента. Есть также предложения по использованию метода электронного оповещения, при котором на границах зон устанавливаются электронные посты оповещения, предназначенные для передачи абоненту ПО информации о пересекаемой области. Эта информация запоминается радиостанцие ПО и может быть затем передана на ЦРС, принимающие заявку на обслуживание абонентов ПО. Однако такая система требует дополнительной аппаратуры, устанавливаемой на всей территории обслуживания. Следует отметить, что методы определения координат радиостанции ПО и алгоритмов выделения ЦРС еще требуют дополнительных исследований. После выделения одной из нескольких ЦРС для связи с абонентом ПО необходимо выделить рабочий канал. В простейших сотовых системах с относительно равномерной средней нагрузкой используется фиксированное распределение каналов, при котором за каждой зоной закрепляется один канал, а радиостанция ПО может переключаться на каналы всех зон автоматически по мере перехода из одной зоны в другую. В более сложных системах за каждой зоной может быть закреплена группа каналов (стволов); радиостанция ПО при работе в данной зоне автоматически выбирает канал, свободный в данный момент от связи. При переходе в другую зону она автоматически переключается на другую группу каналов и на поиск свободного канала в новой зоне. При фиксированном распределении каналов во время пиковой нагрузки, которая чаще всего возникает в центре обслуживаемой территории, центральные ячейки могут быть перегружены, а периферийные иметь свободные каналы, что приводит к неэффективному использованию спектра. В этом случае лучше применять динамическое распределение каналов, при котором любой канал может быть использован в любой микрозоне обслуживания. В системе связи с динамическим распределением каналов обрабатывается большой объем информации. Для этого используется быстродействующая ЭВМ, в которой запоминается информация о состоянии каждого канала в каждой зоне обслуживания и изменение ее при изменении состояния системы. Абонент подвижного объекта, осуществляющий вызов, должен иметь свой адресный признак для определения состояния и для автоматизации расчета оплаты обслуживания. Центральную радиостанцию необходимо переключать с канала на канал по мере распределения каналов в пределах зоны обслуживания. При динамическом распределении увеличивается загруженность каналов и снижается интенсивность отказов по сравнению с системами, в которых используется фиксированное распределение каналов. Но управление системой усложняется. Каждая ЦРС должна работать на всех частотах системы. Радиостанция ПО может работать либо на одном, либо на группе равнодоступных каналов. Таким образом одноканальная радиостанция ПО может обеспечить связь на всей территории обслуживания (конечно, если канал не занят другой радиостанцией). При фиксированном распределении каналов радиостанция ПО должна работать на всех каналах системы, а каждая ЦРС должна иметь 1/7 от общего числа каналов. Одной из основных функций БС является обеспечение сопровождения между проводной частью ССПР и АС. В состав БС входят приемники, передатчики и блоки управления для связи с ЦС. С центральной станцией БС соединены группой разговорных каналов и несколькими каналами передачи данных. Передатчики БС и АС имеют небольшую мощность, необходимую для обеспечения связи в пределах ячейки, что дает возможность использовать одни и те же частоты в различных ячейках, разнесенных друг от друга на определенное защитное расстояние D . Повторное применение одних и тех же частот позволяет наиболее экономно использовать выделенный ресурс и обеспечивает высокую пропускную способность системы. В процессе движения ПО пересекают границы ячеек. При этом АС, установленные на ПО, по командам ЦС передаются от одной БС к другой, переключаясь на свободный частотный канал соседней ячейки. Автоматический поиск свободных каналов и установление соединения осуществляется без нарушения связи по командам ЭВМ, управляющей коммутационным оборудованием. Процедура автоматического перевода АС от одной БС к другой в процесс движения ПО получила название "эстафетной передачи". При перемещении ПО из одной ячейки в другую ЭВМ фиксирует полученные по радиоканалу управления данные о качестве сигнала, местоположения объекта и некоторые другие, с использованием специальной программы определяет соответствующий заданным требованиям свободный канал в той ячейке, куда переместился абонент. После этого ЦС посылает сигнал для автоматического переключения АС на этот канал. Помимо данной процедуры ЦС выполняет следующие функции: - управление и контроль за работой БС и АС; - установление соединений между абонентами и разъединение их по окончании разговора; - слежение за качеством передачи; - поиск ПО на территории обслуживания; - тарификация и диагностика состояния системы. По структуре ССПР могут быть построены по радиальному или радиально-узловому принципу или иметь распределенное управление. По радиальному принципу строятся ССПР с небольшим количеством БС, такие, например, как TACS (Великобритания) и AMPS (США). БС соединяются непосредственно с ЦС, которые, в свою очередь, подсоединены к телефонной сети общего пользования. Радиально-узловой принцип применяется в случае, если ССПР обслуживает большую территорию со значительным количеством абонентов. Такими системами являются NTT (Япония) и MATS-E (Франция). При этом БС соединяются со станциями управления, которые проводными линиями связи подключены к ЦС. Станции управления устанавливают соединение, осуществляют контроль качества принимаемой информации, производят эстафетное переключение. Кроме того, они передают сведения о произведенных операциях на ЦС. Последняя фиксирует полученную информацию и, в случае необходимости, перекоммутирует АС в зону действия другой ЦС. При распределенном управлении ЦС отсутствует, а функции управления осуществляют БС и АС. Существенным является вопрос о частном планировании в ССПР. В соответствии с принятыми принципами каждой БС выделяется определенный набор частотных каналов, который может повторяться. Как уже упоминалось, БС, на которых допускается повторное использование выделенного набора частот, разделяются между собой защитным интервалом D .Именно возможность повторного использования одних и тех же частот определяет высокую эффективность применения частотного спектра в ССПР. Смежные БС, использующие различные наборы частотных каналов, образуют группу из С станций. Если каждой БС выделяется набор из каналов с шириной полосы Fк, то общая ширина полосы, занимаемая ССПР, будет Fc = Fк m C, где m - число каналов. Таким образом, величина С определяет минимально возможное число каналов в системе, поэтому ее часто называют "частотным параметром" системы (в некоторых источниках - "коэффициентом повторения частот"). Применение шестиугольной формы ячеек позволяет минимизировать необходимый частотный диапазон. Кроме того, шестиугольная форма наилучшим образом вписывается в круговую диаграмму направленности БС, установленной в центре ячейки. Остановимся более подробно на вопросе о выборе размеров ячеек. Эти размеры определяют защитный интервал D между ячейками, в которых одни и те же частоты могут быть использованы повторно. Заметим,что величина интервала зависит также от допустимого уровня помех и условий распространения радиоволн. В предположении, что интенсивность нагрузки в пределах всей зоны одинакова, ячейки выбираются одинаковых размеров. Из соотношения (1) следует, что при заданном размере зоны обслуживания (радиус R0) радиус ячейки R определяет также число абонентов N, способных одновременно вести переговоры на всей территории обслуживания. Из этого соотношения также видно, что уменьшение радиуса ячейки позволяет не только повысить частотную эффективность и увеличить пропускную способность системы, но и уменьшить мощность передатчиков и чувствительность приемников БС и АС. Это улучшает условия электромагнитной совместимости ССПР с другими радиоэлектронными средствами и системами и снижает ее стоимость. С другой стороны, чрезмерное уменьшение радиуса ячеек приводит к значительному увеличению числа пересечений ПА границ ячеек, что может вызвать перегрузку устройств управления и коммутации системы. Кроме того, возможно увеличение числа случаев возникновения взаимных помех. И, наконец, при малых значениях R в реальных условиях даже незначительное отклонение положения антенны относительно геометрического центра ячейки может вызвать ощутимое уменьшение отношения сигнал/помеха в системе. В связи с этим в реальных условиях при выборе величины R приходится принимать компромиссное решение. Типовые значения радиусов выбираются на основе расчетов и опыта эксплуатации и составляют величину 0,5 - 2,5 км (в Лондоне и Стокгольме). В перспективе в особенности для районов с плотным трафиком эта величина, как полагают, будет уменьшаться. Оценим, для примера, возможное количество активных абонентов ССПР для современного города, характеризуемого величиной радиуса зоны обслуживания R0 = 30 км при радиусе ячейки R = 1 км. Пусть число одновременно обслуживаемых одной БС активных абонентов равно 16. Подсчеты по приведенной формуле дают величину N, равную 17 тыс. Если принять разумную для практики величину активности сети (отношение числа абонентов, ведущих в каждый данный момент времени переговоры, к общему количеству абонентов в сети) равной 0,1, то общая ее емкость составит 170 тыс. абонентов. В соответствии с исследованиями зарубежных специалистов, в городах с населением, превышающим 2 млн. чел., потребность в радиотелефонных средствах оценивается на уровне 2% от населения (в городах с меньшим населением она составляет 1 - 1,5 %). Таким образом, емкость рассмотренной сети может удовлетворить потребность города с населением порядка 8-9 млн. чел. В реальных условиях распределение ПА в пределах обслуживаемой территории может быть неравномерным. Как правило, оно уменьшается от центра к периферии. При этом наиболее рационально выбирать величину R таким образом, чтобы ее размеры увеличивались от центра к периферии. Следует учитывать, что требуемая мощность передатчиков БС и ПА не остается неизменной, а определяется размерами ячеек. В этом случае рационально применять автоматически регулируемую в зависимости от интенсивности сигнала корреспондента мощность передатчика. Исключительно важным вопросом, определяющим в значительной степени основные характеристики ССПР, является распределение частотных каналов между БС. Оно позволяет обеспечить низкий уровень межканальных помех, оказывающих значительное влияние на помехоустойчивость системы. Существуют три способа распределения частотных каналов: фиксированное, динамическое и гибридное. При фиксированном распределении каждой БС выделяется определенный набор каналов. АС подвижных абонентов при нахождении их в определенной ячейке с помощью ЦС назначается свободный в данный момент времени канал из набора. При перемещении АС в другую ячейку с помощью процедуры эстафетной передачи осуществляется переключение данной АС на соответствующий свободный канал этой ячейки. Недостатком способа является неэффективное использование частотного спектра, поскольку в реальных условиях центральные ячейки города могут быть перегружены, а периферийные иметь свободные каналы. При динамическом способе любой из частотных каналов может быть использован любой БС. При этом тем БС, на которых все каналы заняты, предоставляются на время сеанса связи каналы из других ячеек. Это осуществляется с помощью ЭВМ, в памяти которой хранится информация о состоянии каждого канала в зоне обслуживания и всех его изменениях в процессе работы системы, а также о местонахождении ПА. Таким образом, динамическое распределение каналов позволяет увеличить загруженность каналов и тем самым повысить эффективность их использования и снизить вероятность блокировки вызова в случае, когда все каналы данной ячейки заняты. Однако нагрузки на устройства управления системой связи в этом случае возрастают. При гибридном способе распределения каждой БС выделяется фиксированный набор каналов, а также определенное их число для распределения динамическим способом. Гибридный способ при больших нагрузках позволяет предъявлять менее жесткие требования к управляющим устройствам по сравнению с динамическим, а в области малых значений нагрузки имеет преимущество перед фиксированным, состоящее в более низкой вероятности блокировки вызова. Следует отметить, что наиболее существенное достоинство динамического и гибридного распределений заключается в том, что они обеспечивают выравнивание нагрузки на канал. При фиксированном распределении это осуществляется путем увеличения числа каналов, предоставляемых БС в местах с плотным трафиком, а также уменьшением радиуса ячеек. Необходимость многофункционального управления в ССПР имеет первостепенное значение для реализации возможности наиболее эффективного использования выделенной полосы радиочастот. Многократное использование частот затрудняется из-за сильного изменения уровня сигнала по мере движения АС в пределах зоны обслуживания, обусловленного многолучевым распространением сигнала, а также экранирующим и поглощающим воздействием местных объектов. Управление необходимо осуществлять таким образом, чтобы в сильно меняющихся условиях прохождения радиосигналов непрерывно осуществлялась надежная связь. Как отмечалось выше, с этой целью ЦС осуществляет функции управления эстафетной передачей АС по мере пересечения ПА границ ячеек и снижения качества сигнала ниже установленного заранее порогового уровня. Для оценки качества сигнала по разговорному каналу постоянно передается пилот-сигнал и измеряется соотношение сигнал/шум по мощности или сигнал/помеха с помощью специальных измерительных приемников. При уменьшении величины до значений ниже порогового уровня, что может обусловливаться выходом АС из зоны действия БС, замираниями сигнала, а также рядом других причин, ЦС выбирает зону с максимальной величиной и переключает АС на новый канал (осуществляет эстафетную передачу). Для реализации процедуры управления и обмена служебной информацией между БС и АС на группу разговорных каналов выделяется специальный канал управления. В свободном режиме АС постоянно настроена на частоту этого канала. Обмен соответствующей информацией в звене БС-ЦС производится по специальному проводному каналу, также выделенному на группу разговорных каналов. Характерной особенностью процесса коммутации, осуществляемой в ССПР, является то, что абонент находится в движении и может оказаться в зоне обслуживания любой БС. В связи с этим для установления соединения с находящейся в движении АС необходимо иметь информацию о местонахождении абонента. При этом согласно рекомендациям МККТТ на 1985-1988 гг. координаты АС должны определяться с точностью до зоны или группы зон. Эта процедура должна осуществляться таким образом, чтобы обеспечивалось своевременное обновление данных о местоположении АС и был максимально облегчен поиск АС при изменении зоны обслуживания. Результаты регистрации местоположения АС хранятся в специальном регистре для записи местоположения. При анализе и расчете зон действия БС и решении ряда других задач существенную роль играет учет особенностей распространения радиоволн УКВ- и СВЧ-диапазонов в городских и пригородных условиях. К ним относятся, прежде всего, многолучевое распространение, вызываемое случайными и многократными отражениями от зданий и других объектов городской застройки, а также рассеиванием радиоволн этими объектами. В результате суммирования различных лучей на приемной стороне радиолинии возникают случайные амплитудные и фазовые флуктуации, вызывающие явления замирания сигнала. Распределение огибающей такого сигнала подчиняется закону Рэлея, а величина замираний относительно среднего уровня составляет > 40 Дб. Одним из основных путей борьбы с замиранием является использование методов разнесенного приема. Эти методы предполагают наличие нескольких разделенных трактов передачи с независимыми замираниями, по которым передается одно и то же сообщение. Средние уровни сигналов, передаваемых по каждому тракту, должны быть также примерно одинаковы. При соответствующем комбинировании сигналов, поступающих из трактов передачи, формируется результирующий сигнал, имеющий гораздо меньшую глубину замирания и обеспечивающий соответственно большую надежность передачи. В последнее время в этих же целях начинает применяться медленная псевдошумовая перестройка рабочей частоты. Кроме того, эффективным средством борьбы с замираниями является внедрение широкополосных цифровых систем подвижной связи с шумоподобными сигналами, ожидаемое в самое ближайшее время.

Конструктивное построение сотовых систем связи

 Оборудование для ССПР может быть разделено на несколько основных групп: 1) оборудование ЦС, обеспечивающих управление работой системы и контроль ее состояния, распределение каналов и коммутацию вызовов между БС, сопряжение ССПР со стационарной телефонной сетью; 2) оборудование БС, передающее и принимающее сигналы АС; 3) оборудование АС как перевозное, так и переносное; 4) комплект линейного оборудования для подключения БС к ЦС. Как правило, основу оборудования ЦС составляют серийные электронные АТС, имеющие дополнительное программное обеспечение, позволяющее осуществлять процедуру переключения частотных каналов при перемещении ПА из одной ячейки в другую, контролировать техническое состояние системы, выявлять отказы и производить диагностику предполагаемых неисправностей, а также реализовывать административное управление работой системы. Так, например, в системе NMT в качестве ЦС используется электронная автоматическая телефонная станция типа DX 200МТХ с емкостью 100 тыс. номеров и максимальным числом радиоканалов 3500. Станция имеет три выхода: на телефонную сеть общего пользования, БС и к системе технической эксплуатации станции. В развертываемой в Бельгии ССПР в качестве ЦС предполагается использовать цифровую автоматическую телефонную станцию System 12. Первоначально ЦС будет работать с 45 БС и обслуживать 5 тыс. абонентов, в дальнейшем планируется увеличение емкости до 50 тыс. абонентов, а числа БС до 245. Эту же станцию предполагается применять при создании цифровой ССПР CD-900. Собственно электронная система коммутации ЦС содержит процессоры, запоминающие устройства, коммутационные цепи, межстанционные соединительные линии и различные служебные цепи, организованные как единая система управления. На БС размещаются радиопередатчик и радиоприемник, контроллер, аппаратура передачи данных и контроля каналов, а также множество канальных плат и антенная система. С помощью этой аппаратуры, помимо передачи и приема, осуществляются под управлением ЦС поиск ПА и определение их местоположения, установление соединения, распределение каналов, а также передача данных и выполнение диагностических процедур на оборудовании БС. Управление данными операциями выполняется схемной логикой и программируется контроллерами. Комплекты канальных плат передатчиков и приемников обеспечивают возможность расширения системы путем приращений, что позволяет увеличивать число каналов, приходящихся на каждую ячейку. Число абонентов в расчете на канал является гибким параметром сети, зависящим от качества обслуживания. Типовая величина составляет 20-25 ячеек на канал. С центральной станцией БС соединяется группой разговорных каналов и несколькими каналами передачи данных. Приемопередатчики подключаются к общим антеннам с помощью развязывающе-согласующего устройства из расчета не более 12-16 на одну антенну. Антенны могут быть не направленными либо иметь секторную направленность, перекрывая, например, секторы по 60 град. или 120 град. каждый. Кроме уменьшения взаимных помех, такое построение антенной системы обеспечивает расширение объема сети по мере роста числа абонентов без затрат на строительство новых БС. Приемопередающие устройства современных ССПР представляют собой узкополосную аппаратуру с частотной модуляцией, в которой используются канальные несущие, разнесенные с интервалом 25-30 кГц. Прорабатывается возможность использования в этих системах методов передачи с одной боковой полосой частот. В перспективных системах планируется применение широкополосных сигналов, что позволит повысить помехоустойчивость и увеличить число абонентов. Так же, как и в случае с ЦС, на БС в качестве их элементов и узлов с успехом применяются серийно выпускаемые промышленностью микропроцессоры, ЭВМ, другая радиоэлектронная аппаратура и ее элементы. Абонентские телефонные аппараты в ССПР могут быть двух типов: перевозные и переносные. Перевозные аппараты менее сложны в изготовлении как в отношении требований к габаритам и массе их элементов, так и с точки зрения источников питания, поскольку они, как правило, подсоединяются к имеющемуся на любом ПО источнику тока. С другой стороны, переносные аппараты предоставляют большую свободу перемещения, позволяя абоненту покинуть ПО. Кроме того, компоненты, отвечающие требованиям, предъявляемым к переносным аппаратам, с успехом могут пользоваться и в перевозной аппаратуре, реализуя ряд дополнительных операций (автоматический набор нескольких номеров, фиксация вызова и пр.). Ожидается, что в ближайшем будущем они станут наиболее распространенным типом радиотелефона. Так, фирма Ericsson (Швеция) разработала и выпускает новое поколение радиотелефонных аппаратов, состоящее из трех вариантов аппаратуры. Два из них, предназначенные для комбинированного применения, могут устанавливаться на автомобиле или использоваться в качестве переносного аппарата для систем типов NMT 450 и NMT 900, а третьим является карманный радиотелефон для системы NMT 900. Для использования первых двух аппаратов в переносном варианте предусмотрены три различных по емкости сменных аккумулятора, обеспечивающих непрерывную работу от 4 до 12 ч. Масса радиотелефонов, в зависимости от выбора аккумулятора, составляет от 600 до 800 г. Карманный вариант состоит из приемопередатчика, гибкой штыревой антенны и съемного аккумулятора, емкость которого по желанию пользователя выбирается в пределах от 0,75 до 0,25 А ч со сроком непрерывной работы до подзарядки 60, 40 или 20 мин. Выходная мощность передатчика может варьироваться от 0,1 до 1 Вт. Структурная схема обоих аппаратов одинакова и включает три основных части: приемопередатчик, блок управления и логический блок. Приемопередатчик обычно монтируется в багажнике автомобиля и представляет собой ЧМ-радиостанцию. Основные ее элементы являются традиционными для подобных устройств. Отметим только требования высокой стабильности, которым должны удовлетворять применяемые в ней генераторы, что связано с малым разносом между каналами сети. Для выполнения этого требования в передатчике обычно используется высокостабильный частотный синтезатор, формирующий по командам логического блока сетку с числом частотных каналов от единиц до нескольких сотен (наиболее часто 666 частотных каналов). Мощность перевозных передатчиков составляет единицы ватт, переносных - доли ватта. Блок управления обеспечивает первичный контакт абонента с БС и устанавливается в салоне автомобиля. Логический блок является средством осуществления управления. Основную его часть составляют серийно выпускаемые промышленностью микропроцессоры, которые обрабатывают сообщения, поступающие от блока управления или демодулятора. При создании абонентских аппаратов широкое применение находят арсенид-галлиевые ИС, подстроечные керамические резонаторы, способные работать в диапазоне частот, и другие элементы современной полупроводниковой техники. Они позволяют осуществить интеграцию радиоголовки аппарата (генераторы, делители частоты, модуляторы, усилители мощности) и других узлов, что является важным фактором уменьшения стоимости и размеров абонентской аппаратуры.

Принципы построения автоматизированных систем управления радиосвязью с подвижными объектами

В качестве наиболее характерных примеров организации СРПО и их сетей, на основе анализа которых выявляются основные требования к структуре и архитектуре АСУ радиоподвижной связью, рассмотрим основные принципы построения зарубежных автоматизированных систем радиоподвижной связи. В зарубежных системах связи, в том числе в СРПО, не принято выделять автоматизированные или автоматические системы управления (АСУ или САУ) и рассматривать их отдельно от структуры СРПО, тем на менее, можно сделать вывод не только о наличии в составе СРПО АСУ или САУ, но и о иерархической структуре построения этих систем управления. Автоматизация решения основных задач управления и контроля процессом и средствами связи распределяется между всеми основными уровнями управления и контроля СРПО, к которым можно отнести: - объектовый уровень управления (абонентские радиостанции (АРС), станции коммутации каналов связи и т.п.); - уровень промежуточного сбора, хранения и обработки поступающей информации от объектового уровня (информация о техническом состоянии средств связи), осуществляющий также управление объектовым уровнем посредством соответствующего распределения поступающих от системного уровня управляющих директив между объектами управления. К этому уровню относятся задачи управления и контроля, решаемые обычно управляющими вычислительными средствами базовых станций СРПО; - системный уровень управления (реализуемый на базе вычислительных средств центральных станций), в число основных задач которого обычно входит общесистемный анализ состояния всех технических средств связи системы, качества и интенсивности прошедших сеансов связи между абонентами, учет и прогнозирование износа технических средств связи, планирование и распределение ресурсов связи, составление (в реальном масштабе времени) оптимальных маршрутов связи и т.п. Современные подвижные АРС, размещаемые в автомобилях и других подвижных объектах, кроме радиооборудования имеют в своем составе УВС, что позволяет размещать в конструкции пульта управления АРС дисплеи, унифицируемую клавиатуру управления, малогабаритные принтеры и т.п. УВС АРС осуществляют контроль и управление всеми режимами работы радиооборудования, выбор свободного канала приема-передачи абонентской информации, настройку частоты по командам ЦС или БС. Кроме того, встроенные УВС АРС позволяют реализовать такие процедуры, как: - автоматический поиск и установление связи по любому свободному каналу абонентской телефонной сети; - осуществление реперного набора посредством нажатия одной одной кнопки для вызова абонемента, если его номер запрограммирован заранее; - инициация автоматического повторения занятого номера; - отображение на экране дисплея времени суток, продолжительности сеанса связи, набираемого номера, последнего набранного номера, номер абонемента, повторно передаваемого в автоматическом режиме из запоминающего устройства УВС,номера абонемента, участвующего в соединении, справочной информации, запрошенной абонементом из вычислительного центра СРПО (например, расписание авиарейсов) и т.п. Перечисленные примеры процедур управления и контроля, предоставляемого сервиса реализованы в ряде зарубежных моделей бортовых АРС, в том числе в автономной радиотелефонной системе GL 2000, сопряженных с телефонной сетью США и Канады. Особый интерес представляет программа ИНТАКС (США), в основу которой положена концепция квазисотовой структуры высокомобильной связи. Специфика построения таких систем связи заключается в том, что наряду с сотовыми и сеточными структурами построения СРПО проектируются и линейные структуры радиального типа,в которых БС устанавливается вдоль возможных трасс движения подвижных объектов. Однако и в последнем случае управление квазисотовых СРПО практически не отличается от управления СРПО с сотовой структурой. При этом системы связи, разрабатываемые по программе ИНТАКС, должны удовлетворять следующим требованиям: - вся разрабатываемая подвижная радиосеть полностью цифровая; - станции автоматической коммутации имеют все эшелоны связи, включая самые низшие; - протяженные линии подвижной сети используют спутниковые средства связи; - разрабатываемые системы связи позволяют обслуживать подвижных абонентов, а также пригодны к взаимодействию с другими системами связи, в том числе, с системами связи зарубежных стран; - все вновь разрабатываемые системы связи различного назначения имеют хорошо развитые органы планирования, управления и контроля всех технических средств и комплексов связи этих систем, развитые проводные и радиолинии для передачи-приема данных от всех автоматических средств и комплексов связи и обратно, средства документирования и отображения информации в том числе и в составе бортовых АРС; - вся разрабатываемая аппаратура связи имеет встроенные управляющие компьютеры или предусматривает их подключение; - количество обслуживающего, специально обученного персонала для разрабатываемых систем подвижной сети - минимальное; - все управляемые компьютеры различной мощности и назначения унифицированы по отношению друг к другу, имеют возможность сопряжения (аппаратурно и программно) не только друг с другом, но и с другими вычислительными комплексами других систем связи. Высокая степень оснащения управляющими вычислительными средствами современных и перспективных зарубежных СРПО позволяет разработчикам этих систем решать и некоторые дополнительные задачи (кроме основных задач обеспечения связи), чем обеспечивается обеспечение надежности, достоверности и оперативности работы СРПО. К этим задачам относятся: - прогнозирование и планирование распределения ресурсов связи (в реальном масштабе времени) в интересах обеспечения подвижных и стационарных абонентов надежной и достоверной связью как в нормальных, так и в аварийных условиях работы СРПО; - прогнозирование и планирование перестройки конфигурации отдельных систем связи и сети связи в целом; - реализация управления перестройки конфигурации систем и сетей связи, а также синхронизация управления режимами работы средств связи посредством выделенного канала управления на уровне только УВС; - осуществление пакетной передачи дополнительной заказанной абонентами информации по межмашинным каналам связи (каналам управления); - реализация принципа эволюционного развития систем и сетей связи с подвижными объектами без приостанова работы действующих систем и сетей связи; - организация заданных дисциплин обслуживания своих абонентов и управления дисциплиной их обслуживания в зависимости от изменений условий предоставления связи; - обеспечение необходимого сервиса обслуживания своих абонентов. Кроме перечисленных, посредством УВС могут решаться следующие задачи: - оперативный контроль качества установленных соединений между абонентами; - регистрация сеансов связи; - определение и регистрирование зон, в которых находятся подвижные абоненты, между которыми должна или может быть установлена связь; - маркирование свободных запрашиваемых или приоритетных каналов связи; - обеспечение управления перекоммутацией каналов связи при пересечении подвижными абонентами границ зон связи во время сеансов связи; - контроль и оценка трафика связной аппаратуры, выделенных каналов управления и каналов связи; - организация и передача управляющих и контроль директив и сообщений и т.д. Очевидно, что все эти задачи , решаемые УВС систем и сетей связи, могут быть дифференцированы по уровням управления и по своей проблемной ориентации примерно следующим образом: 1. Прогнозирование и планирование работы сети связи в целом, ее систем и технических средств, осуществляемые в целях координации работы распределенных стационарных и подвижных объектов, фрагментов и систем сети связи. 2. Адаптивное управление системами связи и расчет маршрутов связи. 3. Контроль текущего состояния соединений и технических средств связи, диагностика планируемых и работающих направлений, систем, их фрагментов и комплексов технических и управляющих средств связи. 4. Реализация управления техническими средствами связи и их контроля (с возможной диагностикой их состояния). Исходя из такого распределения задач, решаемых УВС СРПО, а также с методологической и технической точек зрения, представляется возможным все УВС СРПО, если не территориально, то функционально объединить в автоматизированные или автоматические системы управления (АСУ или САУ) техническими средствами связи. При этом все УВС должны должны отвечать требованиям однородности по своей программно - аппаратурной реализации и быть организованы в систему управления как коллектив вычислителей. Из отечественных источников известно, что задачи прогнозирования и планирования решаются в АСУ производством (АСУП), которые подготавливают техническую документацию и производственные задания (планы,директивы) с указанием объемов и сроков их выполнения, а остальные три класса задач решаются, как правило, АСУ технологическими процессами (АСУ ТП). Известно,что возникающие при такой интеграции задачи являются комплексными. Поэтому такие интегрированные АСУ целесообразно называть комплексными АСУ (КАСУ). Таким образом, применительно к задачам управления связью КАСУ связью (КАСУС) должна состоять из: - общесетевой АСУС (ОС АСУС), которая решает общесетевые задачи прогнозирования и планирования работы связи, а также (при необходимости) планирует совместную работу с другими сетями связи; - нескольких системных АСУС, предназначенных для планирования и организации работ своих систем связи сообразно с общественным планом работы, поступающим от ОС АСУС, с которой системные АСУС непосредственно связаны; - нескольких АСУ средствами связи (АСУСС), осуществляющих целевые планы работ,получаемые в директивном порядке от собственных систем АСУС и предназначенных для реализации функций управления техническими средствами связи, а также для оперативного контроля этих технических средств связи. АСУСС, таким образом, составляет объектовый уровень управления. Предлагаемая структура комплексной АСУС (КАСУС) позволяет объединить под единым управлением различные по специализации системы радиосвязи с подвижными объектами в единую сеть радиосвязи общего пользования. Однако, реализация КАСУС в свою очередь потребует решения таких задач: - объединение в единую систему связи различных технических средств связи с различными возможностями сопряжения с современными УВС; - обеспечение эволюционной замены как УВС,так и управляемых средств связи; - разработка гибкой программно-аппаратурной среды на базе унифицированного единого ряда УВС в целях организации управления вычислительным процессом КАСУС (с точки зрения координации и синхронизации работы управляющих вычислительных устройств средств связи и КАСУС в целом); - реализация сопряженных средств КАСУС с устройствами управления технических средств связи и между собой.

Выводы

 Одним из важнейших достоинств ССПР является высокая эффективность использования выделенного частотного спектра, достигаемая путем повторного применения одних и тех же частот в различных ячейках системы. Ограничивающим фактором при этом являются внутрисистемные помехи, включающие взаимные помехи ячеек с повторяющимися частотами, а также межканальные помехи. Данное обстоятельство служит одним из определяющих при выборе величины защитного интервала D, а также при распределении частотных каналов в системе. Для ослабления названных помех применяется ряд специальных мер, одна из которых состоит в применении разнесенного приема, позволяющего в значительной степени снизить уровень межканальных помех. В таких системах удается не только повысить отношение мощности сигнала к мощности помехи, но и получить некоторое подавление помехи в процессе демодуляции путем соответствующего увеличения индекса модуляции. Снижение взаимных помех достигается также соответствующей пространственной ориентацией антенн смежных каналов.