Современные системы подвижной связи

Одной из наиболее быстро развивающихся отраслей связи сегодня является подвижная связь, использующая как наземные, так и спутниковые системы. Особенно быстрыми темпами развиваются сети сотовой связи. Согласно последнему отчету ООН за 2014 г. мобильной связью пользуется уже более половины человечества. По классификации МСЭ, системы подвижной связи относятся к системам беспроводного доступа абонентских линий. Основным признаком систем беспроводного доступа является наличие радиоканала на абонентском участке.

На первом этапе развития телекоммуникаций в начале XX в. электросвязь создавалась как морская подвижная связь. В те годы этот вид связи являлся единственно возможным для организации связи судов между собой и с берегом. Еще до 1904 г. более пятидесяти судов военно-морского флота России было оснащено судовыми радиостанциями.

Нормальное функционирование системы связи предусматривает обмен информацией в любых службах электросвязи, который должен осуществляться, но определенным, заранее оговоренным правилам (стандартам). Сейчас эти правила разрабатываются рядом международных организаций электросвязи.

Потребности в средствах наземной подвижной связи для оперативного управления действиями полиции привели в 1921 г. к созданию в США первой диспетчерской системы телеграфной подвижной связи. По сути это была система пейджинговой связи, так как имела однонаправленное действие и служила для передачи распоряжений дежурным бригадам полиции. На начальном этапе развития систем наземной подвижной связи в них использовали телеграфные режимы работы, а позже — телефонные режимы с применением для передачи сообщений амплитудной модуляции. В 1940 г. в США в диапазоне ОВЧ создана первая система подвижной связи с использованием частотной модуляции (см. гл. 2). В 1948 г. в США создана первая полностью автоматическая радиотелефонная система подвижной связи. В СССР серийный выпуск первых систем подвижной электросвязи был налажен в 1952 г.

Системы подвижной (часто — мобильной) радиосвязи (СПР) обеспечивают одновременно связью большое число мобильных абонентов, местоположение которых на определенной территории произвольно. Поэтому практически все СПР построены по методу многостанционного (множественного) доступа.

Принципы организации многостанционного доступа напоминают принципы уплотнения каналов. В теории связи под многостанционным доступом (МД) понимают возможность обращения к одной базовой приемопередающей станции (БПС; от англ. — Base transceiver station — BTS) или спутниковому ретранслятору нескольких мобильных станций (МС; англ, mobile station — MS; это могут быть абонентский терминал; радиотелефон; мобильный телефон; сотовый телефон), когда последние могут одновременно передавать и получать через БПС информацию.

Эффективность методов МД в основном оценивается по пропускной способности, быстродействию, используемому частотному ресурсу и другим показателям систем связи. Проблема выбора наилучшего метода МД заключается в нахождении базиса (ансамбля) ортогональных сигналов, при которых обеспечиваются оптимальные параметры и характеристики системы подвижной электросвязи. В радиотехнике и теории передачи информации формирование базисов ортогональных сигналов основано на разделении сигналов, но частоте, времени и форме. В соответствии со способами формирования базисов ортогональных сигналов различают три основных метода организации МД.

Многостанционный доступ с частотным разделением каналов (МДЧР; аналог — ЧРК; англ, — frequency division multiple access — FDMA) является наиболее простым по организации работы, при котором каждая подвижная станция работает в некоторой полосе частот на отведенном участке диапазона. Между рабочими полосами соседних каналов предусмотрены небольшие защитные интервалы, позволяющие с требуемой точностью разделить принимаемые сигналы различных подвижных станций. Однако в любой стране используемый частотный спектр — уникальный стратегический запас, и это невосполняемый государственный ресурс.

Многостанционный доступ с временным разделением каналов (МДВР; аналог — ВРК; англ. — time division multiple access — TDMA) получил применение в системах подвижной связи из-за ограниченности специально выделенного странам и регионам частотного спектра. При таком доступе ортогональность сигналов в подвижных станциях достигается выделением каждой из них для излучения или приема сигналов определенного, периодически повторяемого временного интервала — 7Х) МД-кадра. Длительность кадра в основном определяется сетевым трафиком. Интервалы излучения сигналов БПС и подвижных станций взаимно синхронизированы, что исключает их временное перекрытие. Первая спецификация технологии ТОМА разработана в американской Ассоциации телекоммуникационной промышленности (Telecommunications industry association) в 1988 г. в соответствии с «Техническими требованиями пользователей» (UPR). Эта спецификация в том же году была опубликована как стандарт /5−54 на многостанционный доступ с временным разделением каналов систем связи. Для повышения пропускной способности сети связи ТОМА, как правило, используется совместно с FDMA.

Многостанционный доступ с кодовым разделением каналов (МДКР; англ. — code division multiple access — CDMA) основан на использовании широкополосных или шумоподобных (pseudonoise) сигналов (обоим вариантам соответствует аббревиатура ШПС). В системах мобильной связи стандарта CDMA используются все преимущества и частотного, и временного разделения каналов. Во-первых, сигнал имеет большую длительность, распределен во времени, и поэтому пиковая излучаемая мощность много меньше, чем при FDMA и TDMA, хотя средняя мощность одинакова. Во-вторых, при сигналах большой длительности нет крутых и мощных фронтов импульсов излучения. Третье преимущество — системы стандарта CDMA позволяют вводить множество кодовых комбинаций, обеспечивая почти идеальную скрытность переговоров и помехозащищенность. Однако реализация кодового метода многостанционного доступа к каналу связи сопряжена с определенными техническими трудностями, связанными как с проблемой синхронизации в работе всех абонентских станций, так и с выравниванием по мощности сигналов, принимаемых базовой станцией с целью исключения подавления слабого сигнала сильным.

Отметим, что методы разделения одномерных сигналов уже рассматривались. В спутниковых системах связи используются различные методы многостанционного доступа с пространственным разделением (МДПР; space-division multiple access — SDMA) по направлению прихода радиоволн (применяют двулучевую приемную антенну, к которой подключены два приемника с одинаковыми полосами частот, что позволяет осуществлять одновременный доступ к спутнику из двух разных точек на Земле) и их пространственной поляризации {polarization-division multiple access — PDMA).

Существующие системы подвижной связи можно разделить на пять групп:

• 1) системы сотовой подвижной связи (ССПС);
• 2) профессиональные системы подвижной связи (ПСПС);
• 3) системы персонального радиовызова (СПРВ), или пейджинговые (от англ, paging — письменное сообщение) системы;
• 4) системы подвижной спутниковой связи (СПСС);
• 5) системы беспроводных телефонов (СБТ).

Все перечисленные системы подвижной связи построены на основе сотовой концепции и работают по определенным протоколам.