Классификация наземных систем связи с подвижными объектами (ССПО) представлена на рисунке:

Для ССПО общего пользования характерно, что значительная часть вызовов, исходящих от абонентов и приходящих к абоненту, приходится на ТфОП и сети передачи данных. Операторы ССПО общего пользования находятся в постоянном взаимодействии с оператором ТфОП и сети передачи данных.

В транкиговых системах большинство вызовов адресовано абонентам той же транкиговой сети. Транкинговые системы главным образом обеспечивают служебную связь.

Доля ССПО общего пользования в объеме услуг, предоставляемых сетями подвижной связи, достигает 75-80%. Основу ССПО общего пользования составляют сотовые системы. Также к ССПО общего пользования относятся системы беспроводного телефона и беспроводного доступа (например, система DECT). Сети радиодоступа являются удлинением с помощью радиоканалов существующих систем ТфОП и передачи данных. Эти сети гораздо дешевле сотовых, но абонентской станцией (АС) можно пользоваться только в ограниченной зоне.

Особый класс ССПО общего пользования составляют системы персонального вызова (пейджинговые системы), где абонент получает сообщение в виде коротких текстов, приходящих на его пейджинговый приемник. Это недорогая, но, как правило, односторонняя связь.

Первые ССПО использовали выделенный канал для каждого абонента. При такой связи радиочастотный ресурс используют нерационально, потому что абонент занимает канал ограниченное время, а паузы между сеансами связи превышают сам сеанс связи. Поэтому получили развитие системы с предоставлением каналов по требованию, т.е. абонент на время сеанса связи получает один из свободных в данный момент каналов из группы каналов, выделенных сети. Т.о. использование канального ресурса происходит в зависимости от трафика (объема передаваемой информации). Вероятность одновременной работы всех пользователей или их большей части достаточно мала, поэтому число пользователей гораздо превышает число каналов.

Системы с предоставлением каналов по требованию строят по зоновому принципу. В центре зоны расположена базовая станция (БС), которая обеспечивает связь с абонентскими станциями (АС) расположенными внутри зоны. Рядом с базовой станцией устанавливают коммутатор (К) для связи абонентов, находящихся в зоне, друг с другом. Коммутатор может иметь выходы на телефонную сеть общего пользования к ТфОП. Площадь зоны обслуживания абонентов определяется мощностью передатчиков, характеристиками антенн АС и БС, и условиями распространения радиоволн в зоне.

Развитием зоновых систем являлись многозоновые структуры, где несколько БС обеспечивают связь с АС в нескольких отдельных зонах, а коммутаторы, объединенные в единую сеть, связь абонентов, находящихся в разных зонах, друг с другом.

К основным проблемам при построении сотовых телефонных сетей можно отнести:

· защита сети от несанкционированного доступа (необходима аутентификация абонентов и идентификация оборудования);

· организация абонентской базы данных из-за перемещения АС (организуются постоянная БД в сети и временные – в ЦК);

· организация сигнализации (внутри сети и для связи с другими сетями).

Транкинговыесистемы (trunk – «пучок» выделенных каналов, т.е. зоновые системы) вытеснили системы с выделенными каналами, которые продолжают применять в ограниченной мере для диспетчерской связи на транспорте, в милиции, пожарной службе и в армии.

· Симплексный режим, когда передачу и прием сообщений ведут поочередно в одной и той же полосе частот;

· Дуплексный режим с частотным разделением каналов передача идет одновременно в двух направлениях в разных частотных полосах, разнесенных друг от друга на ∆fдуп. АС→БС выделяют частоту на ∆fдуп ниже, чем в направлении БС→АС;

· Полудуплексный режим, когда для каждого канала радиосвязи выделяют две полосы частот, однако АС работает на передачу и прием попеременно. (такой режим позволяет экономить энергию батареи АС, т.к. передатчик включается только во время передачи информации);

Для передачи на радиоучастке, от передатчика до приемника, необходимо защитить информацию от потерь. Помехоустойчивое кодирование осуществляется за счет внесения в состав передаваемого сигнала определенного объема избыточности информации. В GSM помехоустойчивое кодирование реализуется в виде трех процедур:

· блочного кодирования;

· сверточногокодирования;

· перемежения.

Кодировщик речи выдает 260 битные блоки каждые 20 мс информации. В результате относительного тестирования было обнаружено, что несколько битов этого блока были более важны для восприятия качества речи, чем другие. Таким образом биты подразделяются на два класса:

· Класс 1 – 182 бита, защищаемый помехоустойчивым кодированием:

1а - 50 бит - более чувствительные к ошибкам биты (параметры фильтра кратковременного предсказания и часть информации о параметрах фильтра долговременного предсказания). Кодируется блочным кодом, обнаруживающим ошибки – укороченным систематическим цилическим кодом (53, 50);

1б - 132 бита - умеренно чувствительные к ошибкам биты (часть информации о параметрах сигнала возбуждения и оставшаяся информация о параметрах фильтра долговременного предсказания);

· Класс 2 – 78 бит - наименее чувствительные к ошибкам биты не подвергаются кодированию (оставшаяся информация о параметрах сигнала возбуждения).

Биты класса 1а имеют 3-х битовый Цикличный Избыточный Код (Cyclic Redundancy Code), добавляемый для обнаружения ошибок. В случае обнаружения ошибки фрейм рассматривается как слишком поврежденный, чтобы быть понятым, и сбрасывается. Он заменяется слегка ослабленной версией предыдущего корректно полученного фрейма. Эти 53 бита, вместе с 132 битами класса 1б и четырьмя хвостовыми битами (tail sequence) - всего 189 бит - составляют вход в S скоростной спиральный шифровщик. Каждый входной бит шифруется как два выходных бита (подвергается сверточному кодированию), основываясь на комбинации предыдущих четырех входных битов. Спиральный шифровальщик, таким образом, выдает 378 бит, к которым добавляются 78 незащищенных бита класса 2. Таким образом, каждые 20 ms образец речи шифруется в 456 бит, т.е. обеспечивается скорость передачи 22.8 kbps (на выходе сверточного кодера). 456 бит = 8 блоков по 57 бит

Перед выдачей в канал связи закодированная информация речи также подвергается перемежению. В стандарте GSM используется достаточно сложная схема блочно-диагонального перемежения: 456 бит информации одного 20 мс сегмента речи разбивается на 8 подсегментов, 57 бит одного подсегмента распределяются между смежными 8 подсегментами таким образом, что после перемежения смежными с каждым конкретным битом оказываются соответствующие ему по положению биты, отстовавшие от него до перестановки на 4 подсегмента. На четные и нечетные битовые позиции подсегмента ставятся биты из смежных сегментов. Алгоритм перемежения обладает свойствами квазислучайности, так что смежные биты исходной последовательности оказываются распределенными непостоянным числом битов, что позволяет более эффективно бороться с периодическими битовыми ошибками.

На приемной стороне цифровой сигнал подвергается операции деперемежения. Сверточное декодирование информации класса 1 и при этом исправляются ишибки в пределах возможностей сверточного кода. По коду четности проверяется наличие остаточных ошибок в информации подкласса 1а и, если такие ошибки обнаруживаются, информация данного сегмента не идет в последующую обработку, а заменяется интерполированной информацией смежных сегментов.

В основу технологии сотовых систем положен принцип повторного использования частот. Необходимость повторного использования частот вызвана тем, что число радиоканалов в сети всегда ограничено. Например, при 100 радиоканалах можно обеспечить связью 2000-3000 абонентов, в то время как в коммерческих системах подвижной связи речь идет о десятках, сотнях тысяч и даже миллионах абонентах, сконцентрированных в современных мегаполисах. Сотовые технологии позволяют при ограниченном частотном ресурсе в сотни и тысячи раз увеличивать трафик (теоретически неограниченно).

Разработка плана осуществляется в два этапа:

· создается идеальный план;

· привязка идеального плана к местности.

Основные исходные данные: емкость сети и распределение, охватываемая территория, стоимость, требуемое качество обслуживания вызовов, технические характеристики системы, географические особенности местности.

В результате планирования определяется:

· число узлов коммутации;

· число БС, включаемых в один УК;

· распределение частот между БС;

· территория, охватываемая одной БС и одним УК;

· географическое распределение БС и УК.

План распределения частот. Для организации радиоканалов на БС используют два типа антенн:

· всенаправленные охватывают зону в 360° (покрывает одну соту, устанавливается в центре соты);

· направленные охватывают зону в 120° (используют три антенны, каждая из которых покрывает одну соты, а устанавливаются в центре трех сот).

На практике широкое распространение получил второй вариант. Размеры соты определяются параметрами антенн и мощностью сигналов, но и номерной плотностью.

В соответствии со стандартом GSM для передачи информации от БС к ПС используется диапазон частот 935-960 МГц, а в обратном направлении 890-915 МГц. Интервал между несущими соседних каналов составляет 200 кГц. В указанном диапазоне можно организовать 124 дуплексных радиоканала, каждый из которых используется для организации 8 физических каналов.

При этом могут быть использованы различные планы распределения частот между БС, включаемых в один УК (3/9, 4/12, 7/21).

В центре каждой соты расположена БС, организующая радиосвязь с АС, находящимися в соте. Структура из 3-х сот образует 3-сотовый кластер. Под кластером понимают объединение сот с неповторяющимися частотами. На рисунке показано, как кластеры, сцепляясь друг с другом, покрывают территорию, где развернута сотовая сеть. При этом в соседних сотах используют только разные частоты.

Можно построить 4-сотовый кластер с 18 каналами в каждой соте и 7-сотовый кластер с 10 каналами в соте.

При выборе кластера на практике важнейшими являются два следующих критерия:

· обеспечение необходимого отношения сигнал/помеха (суммарная) в точке приема;

· обеспечение требуемого трафика.

Каждая АС может качественно работать только при определенном защитном отношении мощности принимаемого сигнала Рс к мощности суммарных помех Рпом, создаваемых мешающими станциями. В системе GSM должно выполняться условие Pс/Pпом > 9 ДБ, в системе NМТ-450 Рс/Рпом > 18 дБ.

Для АС, находящейся в конкретной соте, помехи, прежде всего, создают БС, работающие на той же частоте в сотах соседних кластеров. Чем больше число сот в кластере, тем дальше находятся от АС мешающие БС. Поэтому с увеличением числа сот в кластере уровень соканальных помех уменьшается. Однако при возрастании числа сот в кластере сокращается количество каналов, приходящихся на одну соту, что приводит к снижению трафика.

На практике в городах и областях со сплошным сотовым покрытием применяют кластеры с секторизованными сотами. В несекторизованых структурах наибольшие помехи создают БС соседних шести кластеров. В секторизованной структуре каждую соту делят пространственно на 3 сектора, используя антенны направленного излучения с шириной диаграммы направленности 120°. Таким образом, в центре каждой соты расположены три БС, каждая из которых работает на Nбс частотах и питает антенну с раскрывом 120°. Все три антенны закреплены на одной мачте. Структуры секторизованных кластеров 3/9, 4/12, 7/21 показаны на рисунке. В этих структурах из-за направленности излучения антенн существенные помехи создают только две БС соседних кластеров, что значительно увеличивает отношение Рс/Рпом в точке приема. В городах при планировании сетей GSM используют, как правило, кластеры 3/9 или 4/12, а при развертывании сетей NМТ-450 кластеры 7/21. Несекторизованные соты применяют на границах зон охвата сотовой связью, в вытянутых структурах вдоль шоссе и т.п.

Использование секторизованных кластеров ведет к сокращению числа каналов в секторе и к снижению трафика. Так, в кластере 4/12 рассматриваемого примера на один сектор приходится всего 6 радиоканалов. Для увеличения плотности трафика можно уменьшать размеры (радиусы) сот. Однако для каждой системы сотовой связи существует минимальный радиус соты, с дальнейшем уменьшением которого эффективность работы системы падает. Это не связано с помеховой обстановкой, как можно подумать; с уменьшением радиуса соты снижают мощности передатчиков БС и АС, так что отношение Рс/Рпом не меняется. Ограничение минимального радиуса сот обусловлено необходимостью организации эстафетных передач (handover'а).