Телекоммуникационные информационные системы

 

Системы мобильной связи 3-го поколения

Дальнейшее развитие CCC осуществляется в рамках создания проектов систем третьего поколения (3G), которые будут отличаться унифицированной системой радиодоступа.

Программа IMT-2000 (International Mobil Telecommunications-2000) по созданию нового семейства систем подвижной связи третьего поколения, охватывает технологии, наземной сотовой, спутниковой связи и беспроводного доступа. Суть новой концепции состоит в совмещении существующих сетей с системами, базирующимися на новом семействе стандартов 3-го поколения, которое получило обозначение IFS (IMT-2000 Family of Systems).

Архитектура систем будущего должна включать в себя два основных элемента: сетевую инфраструктуру (Access Network) и магистральные базовые сети (Core Network). Она должна обеспечивать определенные значения скорости передачи для различных степеней мобильности абонента (т. е. разных скоростей его движения):

• до 2,048 Мбит/с - при низкой мобильности (скорость менее 3 км/ч) и локальной зоне покрытия;
• до 144 кбит/с  - при высокой мобильности (до 120 км/ч) и широкой зоне покрытия;
• до 64 (144) кбит/с - при глобальном покрытии (спутниковая связь).

В соответствии с концепцией IMT-2000 в системах 3-го поколения предполагается создание единого частотного пространства шириной 230 МГц с разными сценариями использования. Основа этих сценариев - режимы FDD (Frequency Division Duplex) и TDD (Time Division Duplex). Новизна технологии IMT-2000 связана, прежде всего, с выделением парных полос частот для систем, работающих с частотным дуплексным разносом (FDD), и непарных - для систем с временным дуплексным разносом (TDD).

Комбинированное использование  этих двух режимов делает систему  гибкой, позволяя изменять пропускную способность и способы организации  связи. Режим FDD более эффективен при больших размерах сот и высокой скорости передвижения абонентов, а TDD, напротив, предназначен для работы в пико и микросотах, т. е. там, где абонент передвигается с невысокой скоростью.

Таким образом, системы  на базе WCDMA FDD и UTRA TDD дают возможность нескольким операторам совместно использовать одну и ту же полосу частот без взаимных помех и снижения качества связи. Частотной координации между операторами в этом случае не требуется, а гибкая сетевая архитектура обеспечивает создание сетей разной конфигурации (макро-, микро- и пикосоты) при экономном использовании радиоресурсов.

В качестве магистральной  предполагается использовать сеть, базирующуюся на IP-технологии, а также усовершенствованные  опорные сети GSM MAP и ANSI-41, которые развернуты для наиболее развитых стандартов мобильной связи 2-го поколения - европейского GSM и североамериканских TDMA (IS-136) и CDMA(IS-95). Взаимодействие между тремя магистральными сетями - GSM MAP, ANSI-41 и базовой IP-сетью - будет осуществляться через межсетевой интерфейс NNI (Network-to-Network Interface).

Организация ETSI участвует в разработке систем сотовой связи для массового использования. Ее вкладом в создание систем 3-го поколения стала программа UMTS, базирующаяся на успешном опыте разработки и внедрения систем GSM и DECT. В этой программе однозначно определено, что UMTS - это глобальная система, включающая как земные, так и спутниковые сети. Она отличается от GSM и других систем 2-го поколения широким спектром услуг передачи речи с высоким качеством (сопоставимым с качеством при фиксированной связи) и мультимедиа. UMTS позволяет организовать взаимодействие с системами GSM и модификациями этого стандарта, что обеспечит использование работающих сейчас сетей.

Аналоговые системы  сотовой связи

Аналоговые системы  сотовой подвижной связи принадлежат  к первому поколению сотовых систем. Эти системы обеспечивают вхождение в связь и регистрацию стоимости разговора, организацию, связи между подвижными абонентами и абонентами стационарной телефонной сети общего пользования и т. п. Сравнительные характеристики систем сотовой связи основных используемых стандартов представлены в таблице  6.2 и таблице 6.5.

Таблица 6.5

Нагрузочные характеристики систем сотовой связи

Система сотовой  связи	Коэффициент повторения частоты С	Число каналов  управления	Число каналов  передачи речи	Среднее число занятых каналов	Средняя загрузка Эрл/ячейка	Число вызовов  на ячейку в ЧНН
AMPS	7	21	279	39,86	30,80	1208
TACS	7	21	279	39,86	30,80	1208
NMT	9-12	0	300	33-25	24,93-17,50	937-657

Эффективность использования  аналоговых систем сотовой подвижной связи характеризуется такими параметрами, как число вызовов на ячейку в часы наибольшей нагрузки (ЧНН), средняя загрузка на ячейку и др. (таблица 6.4).

Система сотовой связи  стандарта NMT-450/900

Принципы  организации

Разработка системы  сотовой связи стандарта NMT-450 была закончена в 1978 г., а эксплуатация первых систем сотовой подвижной радиотелефонной связи общего пользования этого стандарта началась в 1981 г. К 1985 г. число абонентов системы достигло 180 тысяч. Изначально системы стандарта NMT (Nordic Mobile Telephone) были предназначены для 5 североевропейских стран. Это были аналоговые системы первого поколения, которые работали в диапазоне 450-467 МГц и имели 180 каналов связи шириной по 25 кГц каждый. За счет многократного использования частот эффективное число каналов составляло 5568. Среднее число каналов, выделяемое базовым станциям, было равно 30. Ячейки с радиусом, находящимся в диапазоне 5-25 км, покрывали территории этих стран. Сети на основе модификаций данного стандарта находят применение во многих странах мира и в настоящее время благодаря большой зоне обслуживания, низкой цене установки и запуска, наращиваемости и простоте технического обслуживания. Характерной особенностью стандарта является то, что все подвижные абоненты имеют возможность работать в любой из стран, входящих в систему, благодаря тому, что подвижные станции полностью совместимы со всеми базовыми станциями системы любой страны. В настоящее время более 40 стран мира используют системы сотовой подвижной связи стандартов NMT-450 и NMT-900, работающие в диапазоне частот 450 и 900 МГц соответственно. Основное различие между этими стандартами заключается в том, что с повышением используемых частот стало возможным уменьшение габаритов радиотелефона, а также расширение спектра услуг связи и управления. К основным достоинствам стандарта NMT следует отнести надежную работу на открытых пространствах и возможность брать телефон с собой в поездку в те страны, где используется этот стандарт. Система сотовой связи NMT-450 предназначена для обслуживания наземных подвижных абонентов, но может быть использована и морскими подвижными службами вблизи берега. Система сотовой связи стандарта обеспечивает:

• вхождение в связь и регистрацию стоимости разговора в автоматическом режиме;
• организацию связи между подвижной станцией и любым абонентом стационарной телефонной сети или с любой включенной в систему подвижной станцией, независимо от страны;
• автоматический поиск подвижного абонента в пределах объединенных сетей сотовой связи.

Системы сотовой связи этого стандарта, кроме передачи речевых сообщений на местном, междугородном и международном уровнях, позволяют отправлять телефаксы и иметь доступ к базам данных (со скоростью передачи в пределах 4,8 Кбит/с), а также предоставляют абонентам следующие сервисные услуги: переадресацию вызова на другой номер, ограничение вызова (продолжительности разговора), конференцсвязь трех абонентов, организацию пользовательских групп с сокращенным набором номера и т.п.

Стандарт NMT-450 был усовершенствован: увеличилась производительность системы связи; повысилось качество работы; произведена защита доступа к сети с помощью системы идентификации абонента, исключившая возможность пиратского использования канала связи. Эта доработанная версия стандарта получила обозначение NMT-450i. Основной ее особенностью является применение так называемой SS №7 (Сигнализации номер 7 по спецификации МККТТ), что позволяет быстрее переключать абонентские станции на обслуживание другой базовой станцией при перемещениях абонента, выполнять функции их идентификации и снижать потребление энергии радиотелефонами. 

Основные характеристики стандарта NMT-450 сохранены и в более  новой его версии NMT-900. Основные технические  характеристики стандартов представлены в таблице 6.6.

Таблица 6.6

Основные технические характеристики NMT-450 и NMT-900

Наименование  параметра	NMT-450 (NMT-450i)	NMT-900
Полоса частот, МГц: для передачи подвижной  станцией для приёма подвижной  станцией	453,0-457,5 463,0-467,5	890-915 935-960
Частотный разнос каналов, кГц	25 (20)	25
Количество  каналов	180 (225)	999
Дуплексный  разнос каналов приёма и передачи, МГц	10	45
Мощность передатчика  базовой станции, Вт	до 50	до 25
Мощность передатчика  подвижной станции, Вт	15 1,5 0,15	6 1 0,1
Радиус ячейки, км	15-40	2-20

 

Как следует из таблицы 6.6, рабочие частоты стандарта NMT-450 находятся в двух полосах: 453,0-457,5 и 463,0-467,5 МГц, т.е. разнос каналов приёма и передачи равен 10 МГц.

Поскольку общее число  каналов ограничено (разнос соседних каналов равен 20-25 кГц), то для того, чтобы увеличит абонентскую ёмкость системы, предусматривается организация малых зон связи.

Состав  системы сотовой связи стандарта NMT-450

Принцип работы системы  подвижной связи основан на взаимодействии с телефонной сетью общего пользования. Структурная схема подобной типовой сети представлена на рис. 6.3.

В состав сети сотовой  подвижной связи входит:

• Центр коммутации подвижной связи (MSC);
• Базовые станции (BTS);
• Подвижные станции (MS);
• Различные контроллеры.

Центр коммутации подвижной  связи обеспечивает управление системой подвижной радиосвязи и является соединительным звеном между подвижными станциями и телефонной сетью общего пользования. Каждый MSC обслуживает группу базовых станций, совокупность которых образует его зону обслуживания.

Система спроектирована таким образом, что, в зависимости от значимости абонентов, она может предоставлять им некоторые преимущества в обслуживании, например, приоритет вызова, сокращённый набор и т.п.

Каналы связи каждой базовой  станции подразделяются на разговорные каналы и каналы управления (вызова). По каналу управления передаётся специальный сигнал опознавания. По свободным разговорным каналам транслируется другой сигнал опознавания, подтверждающий, что канал свободен и может быть использован для ведения переговоров. Все подвижные станции, находящиеся в зоне действия базовых станций, постоянно работают на приём на частоте канала управления для ведения разговора.

В системе NMT для обмена служебной  информации между MSC, BTS и MS, кроме служебных  сигналов, определяющих каналы управления и разговорные каналы, используются сигналы, определяющие зону обслуживания, страну, в которой находится подвижный абонент, а также сигналы, обозначающие номер канала. Все эти служебные сигналы являются цифровыми и формируются с помощью быстрой частотной манипуляции FFSK (Fast Frequency Shift Keying). Принцип формирования FFSK-сигнала представлен на рисунке 6.5. Из этого рисунка видно, что цифровой сигнал, определенный как логическая единица, представляет собой один период колебания частотой 1200 Гц, а сигнал логического нуля - 1,5 периода колебания частотой 1800 Гц. Таким образом, цифровой сигнал передается по каналу связи со скоростью 1200 бит/с.

Рисунок 6.5. Принцип формирования FFSK-сигнала.

Служебная информация  в системе NMT передаётся в 64-разрядном пакете и располагается в середине полного рабочего кадра. Каждый такой пакет содержит пять полей (рисунок 6.6.):

• номер канала N1N2N3, по которому передаётся данное сообщение;
• префикс Р, характеризующий тип кадра;
• номер района обслуживания Y1Y2, где расположена базовая станция с номером канала N1N2N3;
• помер подвижной станции X1-X7;
• информационное поле.

 

 

Рисунок 6.6. Структура  рабочего кадра стандарта NMT

При передачи в направлении MSC-MS информационное поле содержит 12 бит; в направлении MS-MSC номер района обслуживания Y1Y2 не передаётся, информационное поле содержит 20 бит. В системе NMT в качестве управляющего может использоваться любой из разговорных радиоканалов, что, по мнению специалистов, повышает эффективность управления сотовой системой связи.

Организация соединений и принципы адресации  абонентов

В системе сотовой  подвижной связи стандарта NMT вызов всех типов подвижных станций  производится одновременно всеми базовыми станциями, расположенными в зоне связи. Когда подвижная станция принимает сигнал вызова, содержащий её опознавательный номер (номер радиотелефона), она отвечает сигналом подтверждения на соответствующей частоте канала управления. После этого MSC передаёт канал связи той базовой станции, в зоне которой оказался абонент.

Для организации всех соединений в системе сотовой  связи используется специальная  схема адресации, которая выполняет следующие задачи:

• предоставляет возможность вызывающему абоненту информировать телефонную сеть о номере вызываемой подвижной станции;
• служит для передачи информации в телефонную сеть;
• предоставляет возможность подвижной станции отвечать на вызов MSC;
• опознает в MSC вызывающую станцию.

Номер абонента ZX1X2X3X4X5X6X7 присутствует во всех передачах в  направлениях:

• MSC-MSC;
• MSC-MS;
• MSC-BTS.

Цифра Z используется только внутри самой системы и прибавляется к номеру абонента тем радиотелефонным  коммутатором, в зоне обслуживания которого он находится. Кроме того, формируется ещё код доступа, состоящий из префикса Pn (0 или 9) и двух цифр Y1Y2, а при организации международного вызова вместо кода доступа - код страны I1I2I3, после чего служебная информация посылается в эфир.