Системы мобильной радиосвязи

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Системы мобильной радиосвязи



Процесс развития и интеграции мобильной связи в телефонную сеть общего пользования (ТФОП) происходил по мере совершенствования технологии построения мобильных станций (МS), создания многоканальных РРЛ базовых станций (ВS), разработки программного обеспечения процессами оценки качества составных каналов и автоматического контроля местоположения движущихся МS.

Радиосредства мобильных систем связи включали специальные автоматизированные адаптипные радиостанции, позволяющие организовать радиосвязь по принципу радиосистема АТС. Установление связи здесь осуществлялось автоматически с автовыбором требуемого абонента. Функционирование мобильных радиосистем обеспечивалось по специальным программам, вводимым в бортовые компьютеры радиостанций.

Дальнейшее внедрение систем мобильной радиосвязи в сети ТФОП ведет к созданию единой интегральной телекоммуникационной системы, позволяющей применять различные информационные технологии и формы представления информации (телефон, передача данных, факс и др.)

Система связи подвижной службы (ССПС) общего пользования является двухуровневой составной телекоммуникационной сетью, включающей систему мобильной радиосвязи (первый уровень) и телефонную сеть общего пользования -- ТФОП (второй уровень) и обеспечивает функции коммутации и распределения информации в каждой из составных частей(рис.40).

Рис. 40



Участки (1) радиолинии между мобильными станциями (МS) и базовыми станциями (ВS). Участки (2) многоканальные соединительные линии (СЛ) между ВS и центром коммутации подвижной службы (ЦКПС). Участки (3) магистральные соединительные линии (МСЛ) между радиоуровнем и фиксированной сетью ТФОП. Множество участков (1), размещенных в зоне обслуживания (3О) системы, позволяют обеспечивать устойчивую радиосвязь любого мобильного абонента радиоуровня (в какой бы точке 3О он ни находился) с другим мобильным абонентом или с абонентом фиксированной сети ТФОП через ЦКПС. Последний выполняет роль автоматического радиокросса и обеспечивает коммутацию различных МS между собой в 3О, коммутацию МS с абонентскими телефонными аппаратами сетиТФОП, а также выход на ЦКПС других ЗО.

В настоящее время применяются различные виды ССПС, определяемые структурой построения радиоуровня:

региональные мобильные системы наземной связи (транкинговые (пучковые) и линейные системы индивидуальной связи);

глобальные мобильные системы спутниковой связи (системы с ретрансляцией в космосе и системы с ретрансляцией на земле);

системы персонального радиовызова (СПРВ) (прямого вызова, репитерного вызова и вызова через спутниковый ретранслятор).

Региональные ССПС

Транкинговые (пучковые) мобильные системы строятся на основе базовых ретрансляционных управляющих пунктов (сайтов), обеспечивающих электромагнитное покрытие зоны обслуживания (рис. 41,а).



а б

Рис. 41

Основным принципом организации связи здесь является создание разговорных групп (РГ), которые формируются по принципу общей заинтересованности пользователей в информации (разговор пары абонентов слышат все абоненты этой радиосети),применяемых в ведомственных системах: воинские подразделения, пожарная служба, скорая помощь, милиция и т.д.

Достоинства охват больших зон обслуживания путем формирования многосайтовых систем. Недостаток транкинговой связи несистематическая связь с абонентами из-за наличия теневых участков в зоне электромагнитного покрытия.

В территориальных (сотовых) системах мобильной связи (рис. 41,б) обеспечивается индивидуальный вызов любого подвижного абонента системы на выделенной рабочей частоте.

Основным принципом организации связи в сотовых системах является создание радионаправлений с ретрасляцией сигналов.

Основным способом улучшения качества радиоканалов явилось устранение теневых зон делением всей зоны обслуживания на более мелкие субзоны путем введения множества ВS.

Для централизованного управления системой все ВS субзоны соединяются с помощью СЛ со специальной диспетчерской станцией ЦКПС. Каждая ВS обслуживает свою территорию, поэтому такие сиcтемы называютсятерриториальными. В пределах каждой соты соблюдается условие связности, т.е. каждая ВS устанавливается в точку, обеспечивающую устойчивую связь с любой МS, находящейся в пределах площади соты.

Достоинства высокое качество каналов с мобильными абонентами и возможность создания больших зон обслуживания.

Недостатки существенно увеличено количество каналов радиосвязи и сложности оборудования и инфраструктуры, обеспечивающей связь системы сo стационарной сетью телефонной связи.

Линейные ССПСсоздавались как средство повышения сервисных услуг ТФОП для удаленных телефонных абонентов.

Для организации связи создаются радионаправления между базовыми телефонными аппаратами (базовыми терминаломи), которые подключаются к линии телефонной связи, с мобильными телефонными аппаратами (мобильными терминалами абонентов). Система позволяет использовать создаваемый радиоканал при перемещении мобильного терминала абонента в пределах ограниченного расстояния.

Основу линейной системы составляет дуплексная пара рабочих частот дуплексный канал, обеспечивающий связь мобильного терминала (МТ) абонента с базовым терминалом (ВТ), соединенным с линией телефонной связи.

Другим вариантом использования линейных мобильных систем является организация радиоканала между носимой МS и бортовой МS при выходе абонента из подвижного объекта.

Таким образом, линейные ССПС позволяют с помощью радиоканалов обеспечивать «удлинение» кабеля телефонной трубки (радиоудлинитель).

Достоинства удобство эксплуатации, возможность более эффективного использования стационарной телефонной сети.

Недостатки ограниченные расстояния радиолинии, а также возможность несанкционированного использования абонентского телефонного аппарата.

Глобальные ССПС

Такие ССПС аналогичны наземным мобильным системам, но здесь в качестве ВS используются бортовые многоканальные радиостанции (ВSб) искусственных спутников земли (ИСЗ), размещенных на низких орбитах вращения (рис. 42).

Система узконаправленных антенн BSб позволяет обеспечивать высокий энергетический потенциал радиолиний в любой точке зоны обслуживания на земле и использовать маломощные передатчики и слабонаправленные антенны МS для непосредственной связи с ВSб на орбите (принцип трубка в руке). Связь мобильного абонента может осуществляться либо ретрансляцией по радиоканалу между BSб и соседними ИСЗ (ретрансляция в космосе), либо путем ретрансляции по наземным магистральным линиям связи (ретрансляция на земле).

Системы спутниковой радиотелефонной связи позволяют обеспечивать связь между мобильными абонентами различных континентов, поэтому такие системы часто называются глобальными системами мобильной связи.

Рис. 42

Системы персонального радиовызова(СПРВ)

СПРВ являются радиальными системами с односторонней связью, в которых радиосообщения передаются мобильному абоненту в виде коротких формализованных команд.

Здесь для передачи от абонента ТФОП требуемому мобильному абоненту СПРВ используется радиоканал между базовым передатчиком и носимым терминалом абонента (радиоприемником). Сообщения от телефонного абонента поступают на базовый передатчик через контрольно-оконечную станцию (КОС), подключенную к стационарной сети ТФОП (рис. 43).

Рис. 43

Форма радиосообщений может быть цифровой и аналоговой. Сообщения отражаются на дисплее приемного терминала или излучаются в виде звуковых сигналов («блип-блип» -- отсюда название блипповые системы связи). Аналоговые сообщения принимаются в виде коротких фраз или слов.

Приемные терминалы СПРВ миниатюрные радиоприемные устройства, которые заранее настраиваются на общую рабочую частоту базового радиопередатчика.

Поскольку основной задачей системы является поиск (paging) подвижного абонента и передача команды сообщения, то такие системы часто называютсяпейджинговыми, а приемные терминалы пользователей --пейджерами. Пейджер может хранить в своей памяти несколько сообщений и извещать о них не только звуком и отображением, но и вибросигналом («вызов из кармана»).

Увеличение зоны обслуживания системы обеспечивается путем использования достаточно мощных базовых передатчиков, территориальных ретрансляторов (репитеров) и размещения их антенн на значительных высотах (в том числе и на ИСЗ).

Принципы построения систем связи

Каналы подвижной радиосвязи совокупность терминалов и линий радиосвязи, обеспечивающих прием-передачу сообщений от источников к получателям посредством ЭМВ.

Терминалы включают (рис. 44) радиопередатчики, радиоприемники и АФУ, которые могут быть приемными, передающими и приемо-передающими (каждый из них является радиостанцией).

Рис. 44

Источником (получателем) сообщений может быть абонент, осуществляющий радиотелефонную связь, или оконечное устройство цифровой автомат (микропроцессор, ЭВМ), осуществляющий обработку дискретной информации. При передаче телефонных сообщений первичные электрические сигналы от микрофона интерфейса пользователя поступают на радиопередатчик. При приеме телефонных сообщений первичные электрические сигналы с выхода радиоприемника поступают на телефон интерфейса пользователя. При телекодовой радиосвязи цифровые последовательности от ЭВМ поступают на радиостанцию через модем, который обеспечивает их преобразование в помехоустойчивую форму с требуемой скоростью передачи.

В мобильных системах микропроцессор и операционный блок объединяются в единое устройство, входящее совместно с радиостанцией в состав мобильных терминалов. В состав МS входят также оконечные устройства (микрофон, телефон, операционный блок управления).

В зависимости от типа и назначения системы связи каналы могут быть симплексными и дуплексными. В симплексных каналах радиосвязь организуется на одной рабочей частоте, на которую настраивается радиоприемник и радиопередатчик МS. Сообщения передаются попеременно то в одну, то в другую сторону. Такие системы являются локальными (автономными) и не могут сопрягаться со стандартными каналами стационарных сетей ТФОП. Наиболее часто симплексный принцип обмена сообщениями применяется в транкинговых системах радиосвязи диапазона декаметровых волн (ДКМ).

Дуплексные радиоканалы используются в мобильных системах радиотелефонной связи общего пользования (сотовой и спутниковой мобильных системах связи), а также в радиоудлинителях. Радиосвязь между радиостанциями организуется на двух рабочих частотах частоте передачи fпрд и приема fпр, при этом используются малоэффективные антенны с круговой диаграммой направленности.

Радиолинии мобильной связи используют, как правило, диапазон от метровых до сантиметровых волны, которые практически не отражаются от ионосферы и распространяются прямолинейно (поверхностыми волнами) либо черезтропосферу и ионосферу.

Коэффициент преломления радиоволн в тропосфере на протяжении трассы радиосвязи равен

(48)

и не оказывает влияния на прямолинейность коротких траекторий трасс радиосвязи.

Достоинствами диапазона являются:

большая емкость, позволяющая создавать значительное количество каналов радиосвязи с достаточно широкими полосами частот Nf= =(fмаксfмин)/fk, где Nf количество рабочих частот (каналов радиосвязи); fмакс, fмин максимальная и минимальная частоты используемого диапазона; fk ширина полосы частот, выделяемая на один канал радиосвязи.

возможность применения стандартных помехоустойчивых видов работы (телефон, передача данных, телеметрия) с классами сигналов FЗ (частотная модуляция), F1 (частотная манипуляция), F9 (относительно-фазовая манипуляция), что позволяет передавать цифровые сообщения со скоростью 1200…3600 бит/с;

отсутствие влияния атмосферных помех и аддитивных сосредоточенных помех дальних УКВ-радиостанций.

Недостатки:

большие затухания сигналов на трассах радиосвязи (особенно в городах), достигающие 140...160дБ;

значительные колебания уровней радиосигналов при движении объектов с глубиной замираний 100...120 дБ;

воздействие взаимных помех, создаваемых радиостанциями мобильной системы связи, при одновременной работе в ограниченном объеме пространства;

воздействие сосредоточенных помех других связных излучающих систем, работающих в ближней зоне электромагнитного взаимодействия (радиорелейные, радиолокационные, телевизионные станции), а также несвязных излучающих объектов (рентгеновские аппараты, сварочные аппараты и др.).

При распространении радиоволн в свободном пространстве амплитудное значение напряженности ЭП сигнала ЕТСВ на расстоянии r от передающей антенны (уменьшается обратно пропорционально расстоянию связи r) определяется выражением

(49)

где Р излучаемая мощность радиопередающего устройства; Dпрдкоэффициент направленного действия передающей антенны; F(,) характеристика направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

При распространении радиоволн в тропосфере потери напряженности поля будут определяться тангенсом угла потерь

(50)

где тр, тр соответственно удельная проводимость и диэлектрическая проницаемость тропосферы, а длина волны.

Дисперсионные свойства приземного слоя тропосферы (до высоты 8 км) определяются ее газовым составом, температурой, давлением и влажностью. «Нормальная тропосфера» с параметрами Т = 3 К, р ==0,1013 кПа и влажностью 60% для диапазона УКВ является диэлектриком tg<< 1, в котором радиоволны распространяются практически без потерь. Однако реальная тропосфера не является однородной по своему составу, поскольку в приземном слое тропосферы имеются водяные пары (туман, дождь) или взвешенные частицы (дым, пыль), что обуславливает уменьшение напряженности ЭП из-за тепловых потерь на движение молекул газа. Величина поглощения оценивается коэффициентом потерь в зоне неоднородности зн:

, (51)

где зн коэффициент ослабления напряженности поля сигнала в зоне неоднородности; постоянная затухания напряженности поля; rзн протяженность зоны неоднородности.

С увеличением протяженности зоны неоднородности rзн поглощение энергии радиосигнала увеличивается. Особенно ощутимы потери для спектров УВЧ и СВЧ (рис. 45).

Рис. 45

Воздействие тропосферы на распространение радиоволн оказывается не основным. Более существенное влияние оказывает подстилающая поверхность трассы радиосвязи (земля). Почва земли включает сухой грунт и водные растворы солей, которые определяют существенные разбросы дисперсионных параметров: з диэлектрической проницаемости и з удельной проводимости земли. Вследствие этого на трассе радиосвязи могут проявляться эффекты отражения и поглощения радиоволн. Условия распространения радиоволн определяются тангенсом угла потерь в земле tg = 60з/з.

При tg>1 преобладающим оказывается ток проводимости и земля проявляет свойства отражения радиоволн.

При tg< 1 в подстилающей поверхности трассы радиосвязи преобладающим оказывается ток смещения. Часть энергии электромагнитного поля сигнала под углом преломления распространяется вглубь земли и поглощается в виде тепловых потерь на движение молекул.

При низкоподнятых антеннах поглощение энергии электромагнитного поля в земле увеличивается. Коэффициент тепловых потерь в земле определяется коэффициентом Ван дер Поля:

зн = /r,

где . (52)

При высокоподнятых антеннах потери в земле оцениваются коэффициентом А. Б. Введенского:

з= /r, (53)

где .

С учетом влияния неоднородной среды распространения радиоволн и подстилающей поверхности (земли) выражение амплитудного значения напряженности поля сигнала в месте приема принимает вид

(54)

Из-за влияния коэффициентовз, зн напряженность поля сигнала в месте приема по мере распространения радиоволн существенно снижается.

Реально трассы радиосвязи мобильных систем имеют участки подстилающей поверхности с различными значениями з, з. Однако вследствие сравнительно небольших дальностей мобильной радиосвязи значения параметров могут браться усредненными. Обычно берутся значения з, з, соответствующие параметрам «влажной почвы» з = =(0,1….0,01), з = (15…4), следовательно, подстилающая поверхность трасс мобильной радиосвязи для диапазона УВЧ является полупроводником, а для диапазона СВЧ приближается к диэлектрику.

Причинами потерь напряженности поля радиосигналов в месте приема является также рельеф местности. Поскольку антенны радиостанций находятся в непосредственной близости от земли, то на трассах радиосвязи появляются крупномасштабные объекты, которые экранируют приемные антенны от передающих, затрудняя или полностью исключая условия прямой видимости. Чем больше пересеченность местности, тем большее влияние она оказывает на условия прямой видимости станций. Ослабление поля сигналапри этом зависит не только от величины просвета трассы радиосвязи, но и от расстояний до экранирующего объекта (рис. 46,а).

а

б

Рис. 46

Параметры трассы радиосвязи h0, ra, rб, а также длина волны определяют значение обобщенного параметра потерь

, (55)

который определяет размеры той части пространства между радиостанциями А и В, в которой распространяется основная доля энергии ЭМП, называемой областью существенной при распространении радиоволн. Если величина экрана не будет превышать радиус R первой зоны Френеля (рис. 46,б), то напряженность поля сигнала в месте приема будет практически соответствовать напряженности поля при открытой трассе.

Если же величина экрана будет больше радиуса первой зоны Френеля, то несмотря на формально закрытую трассу, ослабление напряженности поля сигнала будет определяться в зависимости от дифракционного параметра d (эффект дифракции огибание радиоволнами крупных экранирующих объектов).

При расчете неподвижных (стационарных) линий УКВ радиосвязи дифракционное ослабление напряженности поля сигнала удобно учитывать с помощью коэффициента дифракционных потерь дн, определяемого как функция параметра d графическим путем (рис. 47).

В мобильных системах связи в процессе движения МS параметры трасс радиосвязи h0, ra, rб постоянно изменяются и графический способ оценки коэффициента дп оказывается неприменим.

Для подвижной системы коэффициент дифракционных потерь оценивается экспоненциальной зависимостью:



Рис. 47

, (56)

где дп показатель дифракционных потерь;

постоянная затухания экрана; Э диэлектрическая проницаемость экрана; rЭ протяженность экрана; f частота излучения; с скорость света.

Показатель дифракционных потерь дп в разнородной трассе формируется путем ее деления на множество участков ri, в пределах каждого из которых условия экранирования могут считаться постоянными. В этом случае выражение показателя дифракционных потерь дп записывается в виде

, (57)

где постоянная затухания i-го участка трассы; ri протяженность экрана i-го участка трассы; n количество дифракционных участков трассы.

С учетом коэффициента дифракционных потерь амплитудное значение напряженности поля сигнала в месте приема (54) примет вид

. (58)

Мощность сигнала на входе радиоприемника Рпр при максимальной направленности передающей антенны F(, ) = 1, выражаемая через эффективную площадь приемной антенны Аэф = 0,25Dпр2/ и мощность сигнала в точке приема, удаленной на расстояние r от передающей антенны Pc= PDпрд/4r2, определяется как

. (59)

Отношение Рпр/Р, полученное из выражения (59), является переменным коэффициентом передачи канала Рпр/Р= е-2дн, где = =0,25DDпрзнз2/r2, поскольку показатель дп при движении МS является случайной величиной, формируемой суммированием независимых случайных величин ziи ri.

В соответствии с центральной предельной теоремой плотность вероятности случайной величины дп будет иметь нормальный закон распределения:

, (60)

где соответственно дисперсия и математическое ожидание показателя .

В соответствии с (75) плотность коэффициента передачи канала будет иметьлогарифмически-нормальный закон распределения:

, (61)

где К=Рпр/Р модулькоэффициента передачи канала; lnk, mlnk соответственно дисперсия и математическое ожидание lnK.

Таким образом, мощность сигнала в месте приема, формируемая регулярным лучом, при движении МS будет изменяться по логарифмически-нормальному закону, определяя общие медленные замирания всех частотных составляющих радиосигнала, относительно его медианного значения.

Статистические исследования трасс мобильной радиосвязи в диапазонах УКВ показывают, что отражающими объектами могут быть отдельные участки земли, а также отдельные объекты, для которых выполняется условие tg> 1. Отражающие объекты играют роль вторичных (пассивных) излучателей. Отраженные лучи при этом будут иметь различные разности хода, так как расстояние от вторичных излучателей до приемной радиостанции будет различным. Таким образом, на входе радиоприемника даже при экранировании регулярного луча появится радиосигнал, образованный путем интерференционного сложения отраженных лучей. Поскольку в процессе функционирования системы МS постоянно перемещаются, то изменяется и количество отражающих объектов с различной эффективностью отражения и разностью хода лучей. Вследствие этого, отраженный сигнал на входе радиоприемника будет постоянно колебаться (флуктуировать).

Мощность сигнала на входе радиоприемника, создаваемая путем интерференционного сложения мощностей отраженных лучей, является флуктуирующей мощностью и равна

, (62)

где Рiооп мощность сигнала, формируемая в месте приема i-м отраженным лучом; z количество отраженных лучей в точке приема.

При наличии только флуктуирующей мощности в месте приема плотность распределения модуля коэффициента передачи канала будет определяться законом Релея:

, (63)

где К=Рпр/Р модуль коэффициента передачи канала; k дисперсия модуля коэффициента передачи канала.

Колебания флуктуирующей мощности в отличие от дифракционных колебаний регулярной мощности имеют существенно меньший период и проявляются при передаче цифровых кадров.

Интерференционные замирания сигнала могут возникать также вследствие перемещения объектов с различной скоростью, в результате проявления доплеровского сдвига частоты, равного

, (64)

где тр диэлектрическая проницаемость среды распространения радиоволн (тропосферы); Vr радиальная составляющая скорости перемещения объекта; с скорость распространения радиоволн.

Величина fд зависит от угла между направлением передачи и вектором радиальной составляющей скорости перемещения объекта. В результате доплеровского сдвига несущей частоты сдвигается весь спектр частот передаваемого сигнала или его часть. Частота флуктуаций уровня сигнала при движении объектов особенно проявляется в условиях города:

fфл = (1...2)V/. (65)

При скорости 60...80 км/ч периоды флуктуаций составляют Тфл = =(0,4…0,8). При увеличении скорости перемещения объекта спектр сигнала сдвигается по оси частот. Особенно чувствительными к доплеровским искажениям оказываются мобильные системы с угловой модуляцией. При построении приемопередающей аппаратуры мобильной радиосвязи этот недостаток устраняется с помощью системы автоматической подстройки частоты и введением аквалайзеров при обработке сигналов. При энергетических расчетах каналов мобильной системы связи быстрые замирания учитываются через коэффициент интерференционных замираний из.

Таким образом, при отсутствии эффекта полного экранирования трассы радиосвязи и наличии в месте приема отражающих объектов образуется результирующая мощность сигнала как результат наличия регулярной Ррег и флуктуирующей Рфл мощностей: Ррез = Ррег Рфл.

Наличие дифракционных логарифмически-нормальных замираний составляющей Ррез и интерференционных (Релеевских) замираний составляющей Рфл определяет условие локальной стационарности канала, как отношения мощностейq2 = Ррег/Рфл.

При q2? 10 интерференционные замирания, как результат наличия отраженных лучей, практически не ощутимы и проявляются только вследствие доплеровского сдвига частоты при движении МS.

Использование антенн направленного действия, диаграммы направленности которых частично перекрываются, позволяет формировать круговую диаграмму направленности ВS. Кроме того, предусматривается возможность изменения излучаемой мощности и её автоматическую регулировку в каждом отдельном субканале.



Энергетические соотношения в радиоканалах

Если на площади (в пространстве) работает управляемая группа (ансамбль) МS, обслуживаемых одной ВS - ретранслятором, то организационное построение такой группы может соответствовать соте или сайту мобильной радиосистемы (рис. 48).

Радиосвязь в группе может организовываться по принципу «каждый с каждым» (радионаправления) или «один со многим» (радиосети).

Условие связности в ансамбле МS может быть записано в виде энергетического соотношения

, (66)

где Рпрi мощность полезного сигнала на входе приемника i-и МS; Pni мощность помехи на входе приемника i-й МS; tсв время ведения радиосвязи; tп время воздействия помехи; n количество групп мешающих источников излучения; v2 коэффициент превышения энергии полезного сигнала над суммарной энергией помех.

Рис. 48

Поскольку время воздействия помех в канале учитывается только в периоды установления и ведения связи tсв = tn, то в условии (66) время можно упустить, не нарушая строгости неравенства. Рассмотрим каждую из частей неравенства (66). Левая часть неравенства мощность полезного сигнала в точке приема, образованнаяj-м передатчиком мобильной системы, удаленным от i-го приемника на расстояние rij. Используя (66), запишем выражение мощности сигнала на входе i-го приемника

, (67)

где P излучаемая мощность j-го передатчика;Dпрi, Dпрдj коэффициенты направленного действия i-го приемника и передающей антенны j-го передатчика; ij общий коэффициент потерь и замираний сигнала ij трассы радиосвязи; rij расстояние между i-й и j-й радиостанциями.

Правая часть выражения (66) суммарная мощность электромагнитных излучений, создаваемых различными группами источников помех. Для мобильных систем радиосвязи характерны три группы мешающих источников излучений.

Первую группу составляют источники излучения “своего” ансамбля радиосредств, работающих на ограниченной площади. Несмотря на то, что радиостанции работают на различных частотах передачи и приема, в результате внеполосных излучений передатчиков, наличия побочных каналов приема приемников и повторения рабочих частот возникают мешающие уровни излучений, суммарная мощность которых воздействует на приемники системы. Эта мощность классифицируется как мощность взаимных помех

, (68)

где Рk мощность сигнала 1-го передатчика мобильной системы; Dпрi, Dпрдk коэффициенты направленного действия приемной антенны i-й радиостанции и передающей антенны k-й радиостанции; rik расстояние между i-й и k-й радиостанциями; L количество мешающих радиостанций; ik коэффициент потерь и замираний ik-трассы.

Таким образом, мощность Рпвз является суммарной мощностью помех по ансамблю радиостанций“своей” системы, работающих на передачу.

Вторую группу помех составляют излучения источников других систем радиосвязи, а также несвязных излучателей электромагнитного поля. Эти помехи классифицируются как внешние помехи, мощность которых Рпвн определяется выражением

, (69)

где квадрат напряженности поля, создаваемого суммарным воздействием внешних помех; длина волны; Fэф эффективная полоса частот сигнала помех; коэффициент несовпадения полосы частот тракта приема с полосой частот помехи; Dпр коэффициент направленного действия приемной антенны.

Третью группу помех определяют внутриканальные помехи, основу которых составляют внутренние шумы трактов приема и антенны. Любой радиоприемник может быть представлен последовательностью пассивных и активных четырехполюсников, каждый из которых имеет собственные шумы. Общие шумовые свойства приемного тракта, характеризующие его чувствительность, определяются коэффициентом шума Nш и коэффициентом передачи по мощности Кр. Мощность шума, действующая на входе приемного тракта, определяется также внешними и внутренними шумами антенны.

Внешние шумы антенны обусловлены шумами космоса, атмосферы и земли. Величина внешних шумов определяется относительной шумовой температурой антенны ta = Ta/T0, где Ta =Ta + (1 a)T0, T= = Ткосм + Татм температура излучения антенны.

Внутренние шумы антенны определяются ее шумовыми свойствами как , где k = 1,381023 постоянная Больцмана, T0 = 4 К абсолютная шумовая температура антенны, Fэф эффективная шумовая полоса тракта приема, R сопротивление излучения антенны.

Таким образом, мощность шума на входе приемного тракта с учетом шумов антенны и собственных шумов тракта приема, приведенных к его входу, определяется как

. (70)

Выражение (70) показывает, что мощность Рш зависит от вида модулирующего сигнала.

Наибольшая мощность шумов характерна для приемных трактов с широкой полосой частот Fэф, (например, для трактов с угловой модуляцией).

С учетом изложенного, условие связности (70) между станциями в мобильной системе может быть записано в виде

, (71)

где коэффициент несовпадения полос частот помехи и тракта приема; L - количество мешающих станций систем.

Выражение (71) является развернутым уравнением ij-й радиолинии мобильной системы радиосвязи. Составляющие уравнения представляют значения мощностей сигналов и помех в полосе частот тракта приема (передачи) мобильной системы. Левая часть уравнения представляет полезный потенциал радиолинии (мощность, приходящаяся на 1 Гц полосы частот). Правая часть потенциал мешающих источников излучений (помех) в месте приема. Присутствие в левой и правой частях уравнения коэффициентов , определяющих колебания энергетических потенциалов, показывает, что условие связности мобильных станций может быть выполнено, если коэффициент v2 не будет снижаться меньше определенного порогового значения v2 ? v2пор.

Таким образом, коэффициент v2 может трактоваться как энергетический параметр, определяющий связность радиолинии. Параметр связности n2 позволяет оценивать надежность радиосвязи как вероятность связи с требуемым качеством в течение заданного времени работы радиолинии (сеанса связи):

Рсв(v2v2пор) = tнс/Тр.

Поскольку условие v2v2пор при длительных сеансах связи не выполняется, то общее время работы

Tp = tнс + tос

формируется из отрезков времени наличия связи tнс и отсутствия связи tос.

При снижении параметра v2 ниже порогового уровня в процессе ведения связи в мобильной системе предусматривается автоматический переход на другой канал, в котором выполняется условие v2v2пор. Это обуславливает необходимость использования группы нескольких свободнодоступных каналов (рабочих частот). Автоматический переход радиостанций мобильной системы на свободные частоты при увеличении уровней помех для сохранения заданного качества радиосвязи называется частотной адаптацией. В мобильных системах связи этот процесс называется СКИП-коммутацией.

При выборе стандарта ССПС и построении зон обслуживания основной целью является обеспечение максимально возможной телекоммуникационной нагрузки (телетрафика). Практическое развертывание системы на местности предусматривает решение задач охвата системой максимальной площади покрытия и качественное обслуживание возможно большего числа абонентов.

Оценка качества обслуживания в системе

При планировании телетрафика в пределах 3О проводится предварительная оценка качества обслуживания абонентов. Под качеством обслуживания понимается своевременное предоставление каналов абонентам при обеспечении достоверности приема информации не ниже заданной.

Мобильные системы связи относятся к системам массового обслуживания, поскольку они представляют совокупность большого числа равноправных элементов.

В зависимости от типа и назначения ССПС методика решения задачи организации телетрафика будет различной. Однако основные принципы построения являются общими для любой системы. Так, основу трафика транкинговой мобильной системы составляет нагрузка, формируемая совокупностью разговорных групп, обслуживаемых сайтом. Для территориальной (сотовой) радиосистемы нагрузка создается совокупностью МS, обслуживаемых ВS. Таким образом, зона обслуживания формируется как совокупность нескольких телекоммуникационных ячеек (ТЯ), граничащих одна с другой, создавая общую площадь покрытия.

Границы каждой ТЯ определяются электромагнитным взаимодействием между ВS и группой МS, обеспечивающим выполнение условия связности.

Качество обслуживания в мобильной системе связи обеспечивается достаточным количеством каналов радиосвязи (рабочих частот) и возможностью их быстрой замены при снижении надежности радиосвязи в процессе движения МS. Однако проектирование больших 3О при ограниченном радиочастотном спектре, выделяемом мобильной системе, возможно только при повторном (неоднократном) использовании одинаковых рабочих частот. Это обуславливает появление значительных уровней взаимных помех между радиостанциями. Обеспечение связности в 3О оказывается возможным только при правильном пространственном разносе ТЯ с повторяющимися рабочими частотами.

Существуют статистический и детерминированный способы формирования 3О. Статистический способ основан на определении площадей ТЯ и расстояний между ВS путем использования статистических данных среды распространения радиоволн, параметров каналов и электрических характеристик используемой аппаратуры. Детерминированный способ использует инструментальную оценку напряженности электромагнитного поля на конкретной местности с учетом ее рельефа и определение местоположения ВS на основе конкретных данных уровней сигналов и помех.

Процесс установления связи

Модель процесса установления связи в мобильной системе может быть описана следующим образом. Пусть на вход обслуживающего устройства (например, ВS) поступает поток вызовов от мобильных станций или телефонных аппаратов сети ТФОП. Поток вызовов в системе имеет случайный характер, то есть каждый из вызовов может поступить в любой случайный момент времени. Время обслуживания также имеет случайный характер, из-за различной длительности разговоров. Если в определенный момент времени число поступающих вызовов (заявок на обслуживание) Z превышает число обслуживателей N (например, каналов на ВS), то обслуживание будет задержано («ожидание») или вообще сорвано («отказ»). Возникновение ситуаций «ожидания» или «отказа» зависит от обслуживающего устройства.

Характер обслуживания

Обслуживающие устройства могут быть однофазовыми и многофазовыми. Примером однофазового обслуживающего устройства может служить пейджинговая система с централизованным диспетчированием, в которой контрольно-оконечная (базовая) станция обслуживается одним оператором (диспетчером). Диспетчер осуществляет прием данных по вызовам из телефонной сети и их ввод в блок памяти для последующей передачи по каналу радиосвязи.

В многофазовых устройствах (например, ЦКПС) один вызов обрабатывается несколькими обслуживателями.

Основными параметрами оценки качества обслуживания мобильной системы связи как системы массового обслуживания, являются параметры входящего потока вызовов.

Формулы для оценки качества мобильной системы связи, характеризующейся Пуассоновским потоком вызовов и показательным законом распределения времени обслуживания, являются функциями Эрланга. Функция Эрланга оценивает качество системы с «отказами», функция Эрланга С оценивает качество системы с «ожиданием».

Аппарат теории массового обслуживания позволяет прогнозировать ее частные параметры качества:

предлагаемый трафик радиосообщений в телекоммуникационных ячейках Hтя;

требуемое число каналов базовых станций N;

вероятность отказов в обслуживании B(N).

Используя методику оценки, можно показать, что для BS сотовой системы стандарта NМТ-450i, включающей N = 40 радиоканалов с равномерной интенсивностью, количество обслуживаемых MS в ТЯ составит Z = 3100.

Сотовые системы стандартов NMT-450 (NMT-900)

Системы NМТ-450, NМТ-900 (NordicmobilGroupSystemDeseription) разработаны Ведомством Скандинавских почт и связи и корпорации Эриксон в 80-х и в 90-х годах, при этом принципы функционирования системы остались прежними. Системы работают во многих странах мира (в странах СНГ в настоящее время используется усовершенствованная система NМТ-450i) в диапазоне СВЧ и занимают самостоятельные частотные участки (рис. 49).

Для создания дуплексных радиоканалов и обеспечения максимальной развязки между каналами приема и передачи частотные участки систем поделены на 2 части, нижний частотный участок используется для формирования каналов передачи MS, а верхний для формирования каналов передачи BS.

Такое разделение обеспечивает частотный разнос между каналами передачи и приема в каждом канале fp = 10 МГц для системы NМТ-450i и fp = 34,5 МГц для системы NМТ-900. Общее количество дуплексных каналов равно

, (72)

где соответственно максимальная и минимальная частоты участка передачи (приема); fp полоса частот, выделяемая на канал передачи (приема).

Рис. 49

Для NМТ-450i при fp= 25 кГц общее количество дуплексных каналов составляет N = 180, а для системы NМТ-900 N= 1000. Особенностью стандарта NМТ-900 является то, что из общего количества дуплексных каналов N = 1000 используются только Nоп = 44 канала, которые занимают основную полосу частот. Мобильные станции ведут поиск каналов трафика только в пределах основной полосы частот. Остальные каналы используются как резерв для расширения системы по команде ЦКПС. Другой особенностью стандарта NМТ-900 является наличие дополнительных служебных каналов.

Кроме каналов вызова, трафика и доступа в стандарте NМТ-900 выделен также канал выборочного доступа, позволяющий обеспечивать ускоренный процесс установления радиосвязи, а также канал тестирования трафика. Стандарты NМТ-900 и NМТ-450i обеспечивают преобразование любого канала в другой, требуемый для системы. Это осуществляется путем перепрограммирования. Наличие резерва каналов позволяет в системе NМТ-900 создавать кроме больших и малых сот также микросоты и зонтичные соты (в стандарте NМТ-450i используются только большие и малые соты). Количество каналов может быть увеличено путем сужения полосы частот, выделяемой на канал до fp= 20 кГц. В мобильной системе NМТ-450i при этом создаются N = 225, а в системе NМТ-900 N = 1250 дуплексных каналов радиосвязи.

Пропускная способность систем обеспечивается пропускной способностью ЦКПС и радиоуровня зоны обслуживания. Центр коммутации подвижной службы (КЦ) в стандартах NМТ-450i (NМТ-900) может одновременно контролировать до 64 зон обслуживания. Каждая зона обслуживания может включать до 16 телекоммуникационных ячеек (ТЯ). Таким образом, максимальное количество контролируемых ТЯ одним КЦ составляет 1024. Теоретически в системе не существует ограничения по количеству радиоканалов в зоне обслуживания, так как максимальная емкость КЦ составляет Nн = 60103 номеров.

Пропускная способность ТЯ определяется не только пропускной способностью каналов трафика, но и пропускной способностью каналов вызова. Поскольку сигналы вызова параллельно передаются по всем BS в пределах зоны обслуживания, а время занятия канала вызова составляет tз = tвыэ + tкомм = 250 мс, то максимальное количество вызовов в зоне обслуживания составляет Zв = 14103 в час. При использовании BS, включающих несколько типовых модулей, при условии равномерного распределения нагрузки на каждый модуль, количество вызовов может достигать Zв = 25103 в час.

Формирование цифровых сигналов

Передача служебной информации по каналам радиоуровня осуществляется способом узкополосной частотной манипуляции. Частоты манипуляции соответствуют при передаче «I» f1 = 1,2 кГц, при передаче «0» f2 = 1,8 кГц. Частотный спектр и фаза модулирующего сигнала при передаче цифровой информации показаны на рис. 50.

Используемый класс бинарных сигналов F1-600 со сдвигом fсдв=600 Гц при выбранной скорости передачи В = 1200 бит/с определяет систему передачи как систему с минимальным сдвигом частоты, в которой используются бинарные сигналы с частотами (fp+ 40) Гц и (fp 40) Гц с частотой манипуляции, равной Fm = b/l = 600 Гц. Способ узкополосной частотной манипуляции приближает систему передачи к ортогональной в усиленном смысле. При этом достаточно просто решается инженерно-техническая задача детектирования сигналов в приемных трактах МS и BS с помощью частотных дискриминаторов. Спектральная плотность мощности элементарных сигналов оказывается достаточной для их различения (ортогональности). Это обеспечивает устойчивую работу модемов, преобразующих ЧМ-сигналы (FFSK) в ФМ-сигналы (РРSК) при приеме цифровых последовательностей.

Рис. 50

Структурное построение ССПС NМТ-450i (NМТ-900)

Структура ССПС приведена на рис. 51 и является двухуровневой иерархической системой связи с централизованным автоматическим диспетчированием.

Первый радиоуровень мобильная часть, в которой каналы связи формируются с помощью радиотрактов МS и ВS. Второй уровень стационарная часть, в которой каналы связи формируются с помощью коммутируемых соединительных линий. Соединение первого и второго уровня осуществляется унифицированным интерфейсом (стыком), роль которого играет ЦКПС.

Это обеспечивает возможность использования различной аппаратуры первого уровня с фиксированной сетью общего пользования (ТФОП).

Коммутационный центр цифровая телефонная станция, в состав которой входят интерфейсы со стационарной сетью проводной телефонной связи и мобильной сетью радиотелефонной связи. Основное назначение КЦ состоит в каналообразовании и организации трафика в одной или нескольких выделенных зонах обслуживания (зонах трафика). Каждая BS в зоне обслуживания является интерфейсом между радиотрактами и КЦ. Основным назначением BS является формирование радиоканалов с МS и ретрансляция передач на КЦ.

Для одновременного обслуживания нескольких MS каждая BS использует несколько дуплексных радиоканалов. Таким образом, BS является многоканальной приемопередающей радиостанцией, выполняющей роль радиокросса (узла радиоканалов) и ретранслятора сигналов.

Деление зоны обслуживания на ТЯ осуществляется по принципу комбинации различных сот. Большие и зонтичные соты имеют радиус зон обслуживания Rзо = 5...20 км. Излучаемые мощности бортовых МS составляют Рs = 6 Вт, а носимых МSрs= 1 Вт. Малые соты имеют радиус зон обслуживания Rзо = 2...6 км. Излучаемые мощности бортовых и носимых MS составляют Рх = 0,1 Вт. Микросоты имеют радиус зон обслуживания Rзо = 0,5...2 км.

Наличие зонтичных сот позволяет реализовать принцип организации «сота в соте», что повышает надежность установления связи в сложных условиях пересеченной местности.

Деление зоны обслуживания на отдельные территории, кроме обеспечения требуемых уровней сигналов в местах приема, позволяет также существенно ускорить процессы коммутации (образования каналов), что увеличивает пропускную способность системы. Время, затрачиваемое на коммутацию каналов существующей аппаратурой, составляет:

при вызове от MS 4 с;

при вызове от сети ТФОП 2 с;

время освобождения канала 0,75 с.

Организацией радиосвязи в зоне трафика предусматривается использование нескольких каналов, отличающихся только по принципу использования:

канал вызова (данных);

канал трафика (разговора);

канал доступа (оценки качества радиолинии).

Канал вызова используется только для передачи вызывных кодограмм со стороны КЦ к MS. Канал доступа используется только для передачи вызывных кодограмм со стороны MS к КЦ. Каналы трафика используются для организации разговоров после обмена вызывных кодограмм по каналам вызова (доступа).

Закрепление каналов за ТЯ осуществляется только путем программирования BS. Поскольку полосы частот приема и передачи каждой стойки (модуля) BS различны, то каждая стойка имеет свой блок антенно-фидерного оборудования.В качестве антенных устройств BS могут входить ненаправленные антенны типа «штырь» и направленные антенны типа ЛПА (логопериодическая антенна). Использование антенн направленного действия позволяет создавать значительные площади зон обслуживания BS (площади зон покрытия).

Режимы работы ССПС стандартов NМТ-450i (NМТ-900)

Мобильная система связи в процессе функционирования может условно находиться в трех состояниях (режимах работы):

дежурный прием (прием и передача служебных кодограмм);

установление связи (прием и передача кодограмм вызова);

ведение связи (прием и передача аналоговых сигналов).

Режим дежурного приема соответствует состоянию системы, когда заявки на разговоры от пользователей не поступают, но между элементами системы периодически осуществляется обмен служебной цифровой информацией. Служебная информация циркулирует между MS и КЦ через BS, а также между BS и КЦ. Инициатором обмена служебной информацией может быть любой элемент системы.

Основной целью обмена служебной информацией является актуализация данных о местоположении MS в зонах обслуживания (роуминг) и контроль состояния системы. Процесс определения координат местоположения мобильной станции в зонах обслуживания называетсяроумингоми осуществляется в автоматическом режиме. Команды на роуминг формируются в соответствии с алгоритмом работы элементов системы, а также подаются принудительно пользователем.

Поскольку MS систематически и произвольным образом перемешаются по территории (зоне) обслуживания, то каждая из них может оказаться в зоне действия любой BS, обслуживаемой одним КЦ, и в зоне действия BS, обслуживаемой другим КЦ, а также в зонах обслуживания других государств. В любой момент времени функционирования КЦ должен «знать», какие MS находятся в его зоне трафика и какой конкретно BS они обслуживаются. Кроме того, КЦ должен без ошибки идентифицировать любую MS, вошедшую в его зону обслуживания.

Процесс выявления полных данных о МS и ее функциональных возможностях называетсяидентификацией MS.

Поскольку количество MS в системе связи велико, то общий объем информации о всех MS требует очень большой памяти каждого КЦ. Такой возможностью существующая аппаратура КЦ не обладает. Поэтому в системе предусматривается использование так называемых «домашних» КЦ, к каждому из которых прикрепляется (приписывается по административному признаку) определенная группа MS.

В соответствии с этим все КЦ системы могут считаться «домашними» для своих MS и «посещаемыми» (гостевыми) для чужих MS. Объем памяти каждого КЦ в этом случае позволяет хранить только данные о «домашних» MS. Если число MS увеличивается, то это ведет к необходимости увеличения количества КЦ в регионе.

Роуминг в пределах «домашнего» ЦКПС

Пусть MS в процессе перемещения вышла из зоны действия одной BS и вошла в зону действия другой BS, причем обе BS обслуживаются одним домашним КЦ. Алгоритм работы MS предусматривает автоматический переход с рабочего канала трафика на канал вызова при окончании режима ведения связи (режима трафика) и переходе в режим дежурного приема. В зависимости от канальной емкости каждая BS может иметь один или несколько каналов вызова.

По каналам вызова от КЦ через каждую BS периодически передаются кодограммы роуминга, причем кодограммы отличаются только зоновой информацией (адресами BS). Кроме того, кодограммы содержат данные о номере зоны обслуживания (адрес КЦ), выделяемой рабочей полосе частот трафика (доступа). Если MS принимает подряд две кодограммы роуминга с адресом новой BS, то это является для MS сигналом вхождения в новую ТЯ, то есть в зону действия другой BS.

После этого MS по обратному каналу вызова передает кодограмму-квитанцию, в адресных полях которой содержатся адрес MS, адрес новой ТЯ и адрес зоны обслуживания. Базовая станция, обслуживающая ТЯ, транзитом передает кодограмму-квитанцию на КЦ. Таким образом, КЦ путем систематического опроса по зонам трафика всех подчиненных BS автоматически обновляет данные о наличии и местоположении MS в своей зоне обслуживания. Чем сложнее структура мобильной системы (чем больше сот различного назначения), тем чаще осуществляются процессы автоматического роуминга.

Если MS по каким-либо причинам не получает кодограмму роуминга, то MS периодически делает запрос на роуминг на канале трафика или доступа. В этих случаях MS сама является инициатором роуминга с целью актуализации данных о ТЯ и зоне обслуживания, в пределы которых она вошла в процессе перемещения. В противном случае MS не может сделать вызов в случае заявки на связь пользователем, таккак “не знает”, кому адресовать свои данные. Запрос на роуминг может быть сделан и пользователем MS. Информация о необходимости обновления данных индицируется на устройстве отображения интерфейса пользователя.

При приеме кодограммы роумингового вызова от MS базовая станция ретранслирует ее на КЦ, который сопоставляет данные, полученные от MS с хранящимися в его памяти сведениями:

категории абонента (MS);

лимиты связи;

зональной информации;

информации о занятости (незанятости) линии.

После анализа сведений о MS КЦ формирует кодограмму-квитанцию.

Роуминг в пределах «посещаемого» ЦКПС

Пусть MS в процессе перемещения вышла из зоны обслуживания своего домашнего КЦ и вошла в зону обслуживания другого посеща-емого КЦ. Процедура приема кодограммы роуминга по каналу вызова остается при этом без изменения. Кодограмма будет содержать новые данные о зоне трафика (новой зоне обслуживания). Процедура передачи кодограммы-квитанции роуминга (т.е. ответа на полученную кодограмму) будет проводиться в таком же порядке.

Посещаемый КЦ, приняв квитанционную кодограмму, идентифицирует данные гостевой MS и по ним выявляет адрес ее домашнего КЦ. После этого посещаемый КЦ обращается с запросом к домашнему КЦ данной MS по каналам МСЛ. Скорость передачи данных в МСЛ, соединяющих КЦ разных зон обслуживания, значительно превосходит скорость передачи данных в радиоканалах.

В кадре запроса передаются данные о новых координатах местонахождения MS (новой ТЯ и зоне обслуживания). В ответном кадре домашний КЦ передает полные данные о данной MS, включающие:

категорию абонента;

лимиты связи;

зональную информацию;

информацию о занятости (незанятости) линии.

Роуминговый буфер

Обмен данными о MS между «посещаемым» и «домашним» коммутационными центрами называется роуминговым буфером.

После получения полных данных о гостевой MS посещаемый КЦ берет эту MS на обслуживание в своей зоне графика и присваивает ей временный («блуждающий») адрес.

При выходе гостевой MS из зоны обслуживания посещаемого КЦ и входе в зону обслуживания другого посещаемого КЦ процедура роуминга и роумингового буфера с домашним КЦ происходит по такому же алгоритму. Домашний КЦ, кроме этого, посылает кодограммы управления на предыдущий посещаемый КЦ для стирания данных о гостевой MS из его памяти.

Установление связи между абонентами ССПС

Режим установления связи определяет состояние системы, когда мобильные и стационарные абоненты делают заявки на организацию связи (посылают вызовы).

В случае, если запросы на разговор исходят от MS, то осуществляются следующие процедуры. Абонент MS набирает номер (адрес) требуемого абонента. Мобильная станция перестраивается с канала вызова на свободный канал доступа или графика (в зависимости от стандарта сотовой системы) и передает кодограмму вызова. Кодограмма вызова включает адрес канала доступа (трафика), адрес своей станции, зоновую информацию, адрес вызываемого абонента и различную дополнительную информацию.

...