21. Отличительные особенности технологий построения транкинговых, пейджинговых и спутниковых сетей сотовой связи

Под термином "транкинг" понимается метод равного доступа абонентов к общему выделенному пучку каналов, при котором конкретный канал закрепляется для каждого сеанса связи индивидуально в зависимости от распределения нагрузки в системе (само слово "транк" происходит от английского TRUNK – пучок, ствол, в телефонии этот термин означает "магистраль"). Позволяет при равном частотном ресурсе обеспечивать более высокую емкость таких систем по сравнению с системами, использующими фиксированные каналы.

Таким образом, в самом общем виде назначение транкинговых си-стем подвижной связи (ТСПС) заключается в обеспечении оперативной связи между подвижными абонентами, выполняющими общие служебные задачи, и предоставлении им при необходимости (в зависимости от полномочий и приоритетов) ограниченного выхода в глобальную сеть общего пользования.

Обобщенно структура ТСПС различных стандартов соответствует концептуальной модели, приведенной на рис.4.2 (внизу слева). Данный рисунок, в частности, отражает три основных принципа топологического построения транкинговых сетей:

– радиальный (однозоновый);

– радиально-зоновый (несколько перекрывающихся зон);

– квазисотовый (большое количество непересекающихся зон).

В ТСПС, построенных по однозоновому принципу, весь канальный ресурс закрепляется за одной центральной базовой станцией. Антенна такой станции обычно располагается по принципу маяка – в наиболее высокой точке предполагаемой зоны обслуживания. Классической в этом смысле является отечественная система «Алтай», созданная еще в начале 60-х годов. Среди подобных зарубежных ТСПС можно назвать систему SmarTrunk, получившую большую популярность в нашей стране. Несмотря на сравнительную простоту таких систем как при установке, так и в эксплуатации, они имеют ряд существенных недостатков:

– единственным способом увеличения числа обслуживаемых абонентов является увеличение числа рабочих каналов, а любой экстенсивный путь имеет свои границы;

– для увеличения зоны обслуживания необходимо увеличивать мощность абонентских станций, что, в свою очередь, повышает общий уровень помех.

При небольшом количестве абонентов увеличения зоны обслуживания можно добиться, используя радиально-зоновый принцип или как его еще называют одно-сотовую систему с несколькими точками размещения антенн. В данном случае наряду с главным пунктом размещения антенны имеется ряд вспомогательных пунктов соединенных линией связи с главным. В данном случае на разных базовых станциях могут использоваться одновременно только разные частотные каналы, что снижает эффективность использования частотного спектра и производительность системы.

Для решения этих проблем было предложено использовать сотовый принцип при построении квазисотовых систем транкинговой связи. В данном случае речь идет об обеспечении возможности повторения частот в транкинговых системах, как это делается в системах сотовой связи.

При квазисотовом построении транкинговой системы применяется централизованное и децентрализованное управление.

При централизованном управлении главную роль играет основной контроллер системы (MSC – Main System Controler), который соединен с контроллерами базовых станции. В основном контроллере сосредоточены все сетевые функции системы: функции управления радиоканалами, функции сигнализации и установления соединения, интерфесы для стыковки с сетью общего пользования или учрежденческой АТС.

При децентрализованном управлении сетевые функции системы распределены на три уровня:

на первом уровне каждый ретранслятор (приемопередатчик) имеет контроллер управления радиоканалом, что позволяет ретранслятору работать автономно;

на втором уровне все контроллеры управления радиоканалами многоканального ретранслятора подключены к базовому контроллеру, обеспечивающему управление зоной (сотой). На этом уровне реализуются такие функции, как постановка в очередь, проверка абонентов на принадлежность к данной сети связи, подключение к телефонной сети общего пользования.

на третьем уровне региональный контроллер и НЧ коммутатор, размещаемые на региональном транкинговом узле. К региональному контроллеру подключены базовые станции данного региона. Для объединения отдельных региональных сетей используются межрегиональный контроллер и соответствующий НЧ коммутатор.

В целом, как показано на рис.4.2, в отличие от единственного способа соединения МС в ССПС – через центральный коммутатор, в транкинговых системах можно различить, как минимум, пять вариантов соединений:

1) напрямую между МС (вырожденная транкинговая связь, часто именуемая термином conventional, без использования промежуточной БС);

2) через одну БС, выступающую в роли ретранслятора (как с использованием контролера, управляющего доступом, так и без его использования – в режиме прямой ретрансляции);

3) через две БС с контролерами, связанными друг с другом через внешнюю глобальную сеть общего пользования (как правило, ТФОП);

4) через две БС с индивидуальными контролерами, связанными специальными межбазовыми каналами связи (транспортными магистралями);

5) Через одну (или две) БС, соединяемые через центральный (региональный и/или межрегиональный) контролер (коммутатор);

По способу предоставления радиоканала транкинговые системы делятся на системы без канала управления (КУ) и с каналом управления.

В системах без канала управления соединение устанавливается на любом свободном радиоканале, определяемом путем сканирования со стороны абонентских устройств (примерами таких систем являются отечественные системы «Алтай» и «Волемот»). Системам без канала управления присущи следующие основные недостатки:

– число радиоканалов в системе приходится ограничивать из-за достаточно большого времени установления соединения;

– имеет место неравномерная нагрузка приемопередающего оборудования, которая отрицательно сказывается на качестве работы приемопередатчиков.

Для снижения времени установления соединения и повышения эффективности функционирования в системах без канала управления наряду с аналоговыми протоколами управления используют цифровые. Не смотря на указанные недостатки у транкинговых систем без канала управления есть неоспоримое преимущество – они проще и дешевле систем, имеющих канал управления. Поэтому для построения небольших производственных сетей подвижной радиосвязи выбирают именно этот тип транкинга.

Системы с каналом управления более совершенны, чем системы без канала управления. Присутствие в системе канала управления сводит к минимуму время ожидания соединения. В этом случае система сама определяет наличие незанятых каналов и переключает на них станцию абонента. При этом по способу выделения канала управления системы бывают с закрепленным и распределенным каналом управления.

В системах с закрепленным каналом управления имеется специально выделенный канал управления на отдельной частоте. В этом случае все диспетчеры могут работать со всеми каналами сети. Микропроцессорный блок управления (или Центральный Системный контроллер) контролирует все базовые станции в зоне действия системы. Выделенный канал используется исключительно в целях управления и представляет собой своеобразное "руководящее звено" данной системы. Его основная функция – установление соединения между двумя абонентами сети.

В системах с распределенным каналом управления выделение для него конкретного радиоканала динамическое, т.е. для управления в разные моменты времени используются разные частотные радиоканалы. В системах с каналом управления могут использоваться разные внутренние протоколы управления.

Первоначально транкинговые системы использовались при организации производственных или ведомственных радиосетей, не имеющих выхода в ТФОП. Например, для организации служебной радиосвязи специальных, экстренных и аварийных служб, таких как полиция, пожарная, скорая помощь (а также для связи между ними с целью координации действий). В дальнейшем появилась техническая возможность предоставлять абонентам выход в ТФОП, что, несомненно, расширило функциональные возможности ТСПС. Однако выход в телефонную сеть для таких систем не является принципиально важным (по крайней мере, для абонентов низкого приоритета). Более важным для ТДС является групповой вызов (одновременный для какой-то конкретной группы пользователей) с возможностью проведения сеанса связи по типу селекторного совещания, а также малое время соединения (соизмеримое с временем нажатия тангенты в симплексных радиостанциях или с временем срабатывания детектора речевой активности)

На рис. 4.16, для примера показана обобщенная структурная схема многозоновой ТСПС [53]. В состав такой многозоновой ТСПС и даже простейшей однозоновой сети кроме радиочастотного оборудования (ретрансляторы, устройство объединения радиоканалов, антенны) обычно входят также коммутатор, устройство управления и интерфейсы к различным внешним сетям.

Ретранслятор – набор приемопередающего оборудования, обслуживающего одну пару несущих частот. Антенны БС, как правило, имеют круговую диаграмму направленности. При расположении БС на краю зоны применяются направленные антенны. БС может располагать как единой приемопередающей антенной, так и раздельными антеннами для приема и передачи. В некоторых случаях на одной мачте может размещаться несколько приемных антенн для борьбы с замираниями, вызванными многолучевым распространением.

Устройство объединения радиосигналов позволяет использовать одно и то же антенное оборудование для одновременной работы приемников и передатчиков на нескольких частотных каналах. Ретрансляторы работают обычно только в дуплексном режиме, разнос частот приема и передачи составляет от 3 до 45 МГц.

Технологии пейджинговой связи (от английского глагола «to page» – «вызывать») в отличие от технологий сотовой, транкинговой и спутниковой связи, получили свое название в соответствии с их предназначением, а не в соответствии с ключевой особенностью их технической реализации. При этом довольно точным эквивалентом названия «пейджинговая система» является русскоязычное название «система персонального вызова» (СПВ) или, с оттенком технической особенности, «система персонального радиовызова» (СПРВ). Будем далее для однообразия с названиями ранее рассмотренных СПР: ССПС и ТСПС – называть СПВ также «пейджинговыми системами подвижной связи» (ПСПС).

Основная проблема реализации ПСПС заключается в обеспечении передачи для ПА требуемых сообщений с заданным качеством (достоверно и своевременно) и с минимальными затратами. Изначально невысокие требования к объему и своевременности пейджинговых сообщений позволили создать относительно недорогие и для пользователей и для операторов СПВ, пик спроса на которые пришелся на средину-конец 90-х годов. Однако в дальнейшем по мере удешевления услуг сотовой связи, позволяющей передавать не только короткие буквенно-цифровые сообщения (SMS), но и графику, и видео, и, естественно, речь, причем в обе стороны, спрос на пейджинговую связь несколько угас. Однако вряд ли ПСПС исчезнут совсем, в крайнем случае, они будут интегрированы в другие технологии или займут свою нишу среди непритязательных пользователей, а также среди пользователей, решающих специфические задачи с использованием услуг персонального вызова. К последним можно отнести и пользователей военных ТКС.

Примерный состав и структура типовой пейджинговой системы показан а составе концептуальной модели зоновых СПР на рис. 4.2 внизу справа. На рисунке показана структура простейшей однозоновой ПСПС, включающая диспетчерский пункт с пейджинговым терминалом и пейджинговый передатчик (мощностью более 100 Вт) с антенной, размещаемой на высокой мачте (более 100 м), чаще всего, телевизионной. Пейджеры (абонентские радиоприемники) размером со спичечный коробок без внешних антенн имеют обычно чувствительность от 5 до 10 мкВ/м в зависимости от скорости принимаемых сообщений (от 512 бит/с до 2.4 кбит/с и более).

Пейджинговый терминал – это основное интеллектуальное устройство диспетчерского пункта, получающее из ТФОП (вручную с устройства ввода оператора) или из сети Интернет (автоматически с входного устройства связи) адрес абонента и сообщение и выдающее сформированный сигнал в определенном формате непосредственно на передачу. Пейджинговый терминал является главной частью системы персонального радиовызова и определяет ее основные параметры.

Характеристиками терминала являются:

– количество поддерживаемых системой абонентов;

– пейджинговые протоколы передачи;

– возможность управления одним или несколькими передатчиками;

– подключение вынесенного места оператора.

Функциональное назначение терминала – хранение в энергонезависимой памяти базы данных абонентов и преобразование поступающей от устройства ввода данных информации в низкочастотный сигнал пейджингового формата. Большинство пейджинговых терминалов в качестве устройства ввода используют персональный компьютер или сервер локальной сети персональных компьютеров. Обычно информация на терминал передается с персонального компьютера через стык RS232. Простейшие терминалы рассчитаны на работу с одним передатчиком, находящимся в непосредственной близости от терминала, а при наличии дополнительных устройств – и с удаленным, управляемым по каналу связи.

Современные пейджинговые технологии позволяют построить систему любого размера – от локальной офисной до национальной.

Стремительный прогресс в развитии спутниковой связи и навигации впервые позволил реализовать на практике идею поистине глобального информационного обмена в масштабе всей Земли. Несомненные преимущества систем спутниковой связи (ССС) – большая пропускная способность, глобальность действия и высокое качество связи – обусловили интенсивное развитие ССС. А удобство и простоту использования спутниковых систем навигации по достоинству оценили не только моряки и летчики, но и водители автомобилей и пешеходы. Поэтому дальнейшее развитие информатизации общества без спутниковой связи и навигации видится просто немыслимым.

Однако в данном подразделе нас в основном будет интересовать спутниковая связь (и навигация) не вообще, а как одно из средств решения проблемы обеспечения связью подвижных абонентов. При этом в центре внимания будут технологии построения сетей глобальной персональной подвижной спутниковой связи (СГППСС). Подобная громоздкая, но точная по смыслу аббревиатура есть и в англоязычной литературе по данной тематике [54]: GMPCS (Global Mobile Personal Communications by Satellite) – глобальная персональная система мобильной спутниковой связи.

Наряду с дублированием наземных систем связи существуют ситуации, в которых без спутниковой связи (и навигации) не обойтись:

– связь с морскими объектами и навигация на всей поверхности Земли;

– связь в районах с низкой плотностью населения (при слаборазвитых наземных сетях);

– связь между удаленными районами при отсутствии (или пропадании) наземной связи.

В настоящее время имеется несколько десятков крупных спутниковых систем, располагающих собственными спутниками. Конфигурация систем СС существенно зависит от типа искусственных спутников Земли (ИСЗ), параметров земных станций (ЗС), ведомственной принадлежности ССС и вида связи:

1) Для построения систем СС используются в основном следующие разновидности ИСЗ: на высокой эллиптической орбите (HEО), на геостационарной орбите (GEO, высота орбиты Н=36 тыс. км), на средневысотной орбите (MEO, высота орбиты Н=10 … 20 тыс. км) и на низковысотной орбите (LEO, высота орбиты Н=700 … 2000 км).

2) В зависимости от типа ЗС ССС делятся на стационарные и подвижные. В стационарных ССС ЗС расположены в определенных пунктах, а в подвижных – на сухопутных, морских, воздушных транспортных средствах или имеют вид обычного радиотелефона.

3) Спутниковые системы связи по обслуживаемой территории, размещению и принадлежности земных станций (ЗС), структуре управления подразделяются на международные (глобальные или региональные), национальные и ведомственные.

4) По виду передаваемой информации ССС подразделяются на телевизионные, радиовещательные, навигационные, передачи данных, многоканальной телефонии и др.

В зависимости от назначения системы СС и типа земных станций регламентом МСЭ различаются следующие службы спутниковой радиосвязи:

1) фиксированная спутниковая служба для связи между станциями, расположенными в определенных фиксированных пунктах, а также для распределения телевизионных программ;

2) радиовещательная спутниковая служба для непосредственного приема радио и телевизионных программ на терминалы, находящиеся у населения;

3) подвижная спутниковая служба для связи между подвижными станциями, размещаемыми на транспортных средствах (самолетах, морских судах, автомобилях и др.).

Технологии спутниковых системы связи до середины 80-х годов развивались в направлении обеспечения телевизионного вещания и организации магистральных линий телефонно-телеграфной связи с использованием крупных стационарных ЗС, аналоговых методов передачи информации и прямой ретрансляции без коммутации сигналов на борту.

Со второй половины 80-х годов в развитии спутниковой связи наметились новые тенденции:

– переход к системам непосредственного телевизионного вещания. С их помощью передача ТВ программ осуществляется непосредственно в места расположения пользователей на малые приемные антенны, установленные, например, на крышах и стенах зданий;

– создание в рамках служб фиксированной связи сетей малоапертурных станций типа VSAT, рассчитанных на расширение пользовательской аудитории (корпоративные и частные сети деловой связи), в т.ч. предоставление асимметричного доступа в Интернет (передача на низкой скорости «по земле» и прием на большой скорости с ИСЗ);

– создание служб подвижной связи (морская, воздушная и сухопутная);

– переход к цифровым методам передачи информации и расширение видов представляемых услуг (телефон, телефакс, передача данных, электронная почта, видеоконференцсвязь) на скоростях 1.2-9.6 кбит/с, реже – до 64 кбит/с и больше;

– повышение использования ресурса геостационарной орбиты по пропускной способности путем применения многолучевых ретрансляторов и многократного использования частот в диапазонах 4/6 и 11/14 ГГц;

– освоение диапазона частот 20-30 ГГц с дополнительным увеличением пропускной способности;

– повышение качества и оперативности связи благодаря межствольной (межлучевой) коммутации сигнала на борту спутника и т.д.

Следует отметить, что для радиосвязи с малогабаритными подвижными персональными ЗС специфическими проблемами использования ИСЗ, удаленных от Земли до 40 тыс. км, является низкий уровень сигналов и малое пространственное разрешение.

Данные проблемы в последние годы решаются следующими технологическими способами:

1) Использование высокоэффективных методов формирования и обработки сигналов, позволяющих работать при низких отношениях сигнал/шум (до 3-6 дБ).

2) Создание спутников-ретрансляторов с многолучевыми активными фазированными антенными решетками (АФАР). Применение АФАР позволяет формировать узкие диаграммы направленности лучей с электронным управлением их конфигураций и практически мгновенным перенацеливанием на различные зоны обслуживания. Таким образом, обеспечивается высокая энергетика лучей, облегчающая создание небольших абонентских станций с минимальными массогабаритными характеристиками, и многократное использование частот.

3) Развертывание ССС на базе низкоорбитальных космических аппаратов (КА). Это направление открывает огромные возможности для включения в мировое информационное пространство многомиллионного контингента пользователей, нуждающихся в портативных индивидуальных средствах связи, особенно в удаленных и труднодоступных районах со слаборазвитыми наземными средствами связи. Интерес к системам на основе низколетящих спутников вызван актуальностью персональной связи и создания СГППСС.

В спутниковой связи существует ряд специфических физических явлений, которые приходится учитывать при создании и эксплуатации ССС: эффект Доплера (смещение частоты), эффект Фарадея (поворот плоскости поляризации), ослабление (поглощение) миллиметровых волн в приземном слое атмосферы и в облаках, радиационные слои Ван-Аллена, прецессию орбиты ИСЗ и др.

В состав любой спутниковой системы связи (см. рис. 4.25) входят следующие составляющие:

Космический сегмент, состоящий из нескольких спутников-ретрансляторов.

Наземный сегмент, состоящий из технологического сегмента (центра управления системой, центра запуска космических аппаратов, командно-измерительных станций, центра управления связью) и сегмента сопряжения.

Пользовательский (абонентский) сегмент, осуществляющий связь при помощи персональных спутниковых терминалов.

Наземные сети связи, с которыми через интерфейс связи сопрягают шлюзовые станции спутниковой связи.

Рис.4.25. Структура и элементы СГППСС

Быстрое развитие спутниковых систем связи потребовало разработки и принятия ряда международных конвенций, соглашений и норм. Технические вопросы, связанные с использованием частот и расположением спутников-ретрансляторов на орбитах, обеспечивающих отсутствие взаимных помех друг другу, решаются в рамках Международного консультативного комитета по радио (МККР) и Международного комитета по регистрации частот (МКРЧ). Для спутниковых систем выделены полосы частот, представленные в табл. 4.7. Причем для навигации используется в основном диапазон L.

Таблица 4.7

Диапазоны частот спутниковых систем связи.

На рис. 4.25 показан пример практического использования некоторых из перечисленных диапазонов. Однако в отдельных спутниковых системах связи, практическое применение диапазонов частот не всегда соответствует рассмотренной структурной схеме. В частности, для связи с подвижными объектами используется также диапазон 0,2-0,4 ГГц.

Успехи в космических технологиях последних лет, а также достижения в микроэлектронике, в сжатии спектра речевых сигналов и разработке лазерных линий межспутниковой связи вызвали большой интерес к использованию легких низколетящих ИСЗ для построения СГППСС.

Интерес к ним обусловлен тем, что запуск легкого ИСЗ на низкую орбиту может быть осуществлен в срок до 48 ч с нестационарных пусковых установок (без дорогостоящего обслуживающего персонала) с помощью недорогих ракетных носителей. Ожидается, что основными потребителями легких ИСЗ станут страны, которым в короткие сроки необходимо развернуть недорогую ССС, обеспечивающую связь с портативными абонентскими станциями, имеющими ненаправленные антенны, а также системы связи с подвижными объектами.

Известно, что системы связи с использованием спутника на низких орбитах (НО), имеют благодаря существенно меньшему (в 50 раз) расстоянию от Земли до спутника некоторые преимущества перед системами на геостационарных спутниках: меньшее запаздывание и затухание сигнала на трассе и более простой вывод спутника на орбиту.

В тоже время необходимо отметить основные недостатки:

– во всех случаях для глобального и регионального покрытия необходимо изготовить и вывести на орбиту несколько десятков спутников;

– зона обслуживания каждого спутника невелика, что создает проблему соединения между абонентами разных зон.

Энергетические преимущества НО-систем позволяют решать с их помощью задачу подвижной персональной спутниковой связи, т.е. расширить действие сотовых систем, вывести их за пределы действия наземных. Рассматривается и возможность использования НО-систем для фиксированной спутниковой службы с передачей цифровых потоков высокой скорости (система Teledesic, США).

В 90-е годы создание НО-систем шло полным ходом. В США (с участием европейских фирм) наиболее активно реализовывались системы Iridium и Globalstar. В России так же активно велись работы по созданию собственных НО-систем: «Гонец», "Сигнал" и др.

Одной из проблем при построении системы телефонной связи на основе низколетов является обеспечение непрерывности связи между удаленными абонентами. Из-за особенности радиовидимости низколетов и малых зон обслуживания, приходится применять большое число ИСЗ (несколько десятков) и ретрансляционных линий между ними, что значительно усложняет систему и управление соединением.