Тема 2 Сети подвижной связи Занятие 1 Основы

Тема 2 Сети подвижной связи Занятие 1 Основы радиосвязи Учебные вопросы 4. Профессиональные системы подвижной радиосвязи. 5. Системы сотовой связи. 6. Аналоговые и цифровые системы радиорелейной связи. 7. Спутниковые системы связи. 8. Системы фиксированного беспроводного телекоммуникационным ресурсам. доступа к

Литература 1. Постановление Правительства РФ от 28. 03. 2005 г. № 161 «Об утверждении Правил присоединения сетей электросвязи и их взаимодействия» . 2. Приказ МЧС России от 15. 02. 2005 г. № 73 «О мероприятиях по совершенствованию обеспечения связью ДЛ системы МЧС России» . 3. Приказ МЧС России от 15. 08. 95 г. № 569 «О развитии государственной системы предупреждения и ликвидации ЧС» . 4. Регламент радиосвязи. 5. Головин О. В. и др. Радиосвязь – М. : Горячая линия – Телеком, 2003. Инв. № 1230 у. Гл. 4 -7. 6. Тепляков И. М. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей – М. : Радио и связь, 2004. Инв. № 1232 у. Гл. 4. 7. Маковеева М. М. , Шинаков Ю. С. Системы связи с подвижными объектами – М. : Радио и связь, 2002. Инв. № 1229 у. Гл. 1. 2, 9, 10. 8. Гаранин М. В. и др. Системы и сети передачи информации: Учеб. пособие для вузов. – М. : Радио и связь, 2001. Инв. 1230 у. Гл. 10, 12. 2/6/2018 2

4 -й учебный вопрос Профессиональные системы подвижной радиосвязи 2/6/2018 3

По способам использования частотного ресурса системы подвижной радиосвязи разделяются на следующие классы: -системы связи с закрепленным за абонентами частотным каналом связи (традиционная, конвенциональная малоканальная наземная радиосвязь); - системы связи со свободным доступом абонентов к общему канальному ресурсу (транкинг); -системы связи с пространственно-разнесенным повторным использованием частот (сотовая радиосвязь). К профессиональным, как правило, относят первые два класса систем подвижной радиосвязи. Наиболее развитыми системами подвижной радиосвязи являются: -профессиональные (частные) системы подвижной радиосвязи (Professional Mobile Radio – РМR, Public Access Mobile Radio – РАМR); - системы сотовой подвижной радиосвязи (Сеllular Radiо Systems); -системы беспроводных телефонов (Соrdless Теlephony); 2/6/2018 4 - системы персонального радиовызова (Paging Systems).

Рис. 1. Симплексная PMR 2/6/2018 5 Рис. 2. Дуплексная (полудуплексная) PMR

Ретранслятор управляющего канала Рис. 4 Схема однозоновой системы транкинговой связи. Абонентские радиостанции Цифровая шина данных Антенно-фидерный тракт ПЭВМ Ретранслятор (ПРД, ПРМ) n Контроллер управляющ его канала Оперативный дежурный Контроллер n-го канала ……. …. Модем Ретранслятор (ПРД, ПРМ) 1 ……. …. Городская АТС Контроллер 1 -го канала Модуль управления базой ……. …. Цифроаналоговый коммутатор

Телефонная сеть общего пользования Рис. 5. Схема построения многозоновой транкинговой системы связи.

Транкинговые системы могут работать в следующих режимах: 1. Режим персональной (индивидуальной) радиотелефонной связи. 2. Групповой (диспетчерский) режим связи. 3. Режим связи через внешнюю сеть. 4. Режим непосредственной связи между радиостанциями. Рис. 4. Блокировка транкинговой радиосети Число каналов в системе Число пользователей на канал, при котором: Р=90% Р=95% Р=99% 5 58 44 27 10 75 62 45 15 83 71 54 20 88 76 60 2/6/2018 8 Таблица 1. Характеристики качества обслуживания

Рис. Система транкинговой связи

Рис. 5. Частотный план БС р/тлф сети МЧС России в диапазоне 450 МГц Рис. Транкинговые системы радиосвязи

Рис. Доступ к Тф. ОП стационарных абонентов Рис. Доступ к Тф. ОП локально мобильных абонентов Рис. Многоступенчатая схема привязки абонентов

а) Многозоновые сети транкинговой радиосвязи федерального и регионального уровней МЧС РОССИИ БС абоненты GPS / ГЛОНАСС РЕГИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР абоненты ЦБС ЦК МУЛЬТИПЛЕКСОР голосданные ЛВС ЦБС МУЛЬТИПЛЕКСОР голосданные КТЧ БС УАТС БС ЛВС БС абоненты УАТС абоненты ЕСЭС РФ ВИДЫ СВЯЗИ, ОБЕСПЕЧИВАЕМЫЕ ПО СЕТИ ТРАНКИНГОВОЙСВЯЗИ ТЕЛЕФОННАЯ ОТКРЫТАЯ МУЛЬТИПЛЕКСОР голосданные ЛВС абоненты БС УАТС ТЕЛЕФОННАЯ (ЗАЩИЩЕННАЯ) ЦБС ФАКСИМИЛЬНАЯ ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ абоненты БС СУБЪЕКТЫ РФ б) Однозоновые локальные сети транкинговой радиосвязи местного уровня Условные обозначения: - передача навигационной информации ВИДЫ СВЯЗИ, ОБЕСПЕЧИВАЕМЫЕ ПО СЕТИ ТРАНКИНГОВОЙ СВЯЗИ ТЕЛЕФОННАЯ ОТКРЫТАЯ Городская АТС GPS / ГЛОНАСС БС абоненты ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ Примечание: БС - базовая станция ВСС РФ - взаимоувязанная сеть связи РФ ЦК - цифровой канал КТЧ 2/6/2018 - канал тональной частоты ОБЪЕКТЫ ГОЧС СУБЪЕКТОВ РФ Система транкинговой радиосвязи МЧС России БС (ЦБС) - базовая и центральная базовая станции транкинговой радиосвязи - транкинговая портативная р/станция - транкинговая автомобильная р/станция - линии связи (линии привязки) абонентского доступа к телефонной сети общего пользования (ТСОП ВСС РФ) 12

Традиционный подход предполагает варианты множественного доступа: 1. Множественный доступ с частотным разделением каналов связи. 2. Множественный доступ с временным разделением каналов связи. 3. Множественный доступ с кодовым разделением каналов связи. FDMA - Frequency Division Multiple Access Рис. 6. Метод множественного доступа с частотным разделением 2/6/2018 13

ТDMA - Time Division Multiple Access Рис. 7. Метод множественного доступа с временным разделением СDMA - Code Division Multiple Access Рис. 8. Метод множественного доступа с кодовым разделением 2/6/2018 14

5 -й учебный вопрос Системы сотовой связи 2/6/2018 15

История развития сотовой связи, хронология 1947 год Выдвинута идея создания сотовых сетей подвижной связи (США - Д. Ринг). 1974 год Начало разработки сотовых сетей подвижной связи общего пользования (США). 1979 год Создание системы сотовой подвижной связи стандарта AMPS (США). 1981 год Начало внедрения сотовых систем связи стандарта NMT-450 в Скандинавских странах (Дания, Швеция, Финляндия и Норвегия). 1982 год Начало разработки системы сотовой подвижной связи стандарта GSM (ETSI). 1985 год Начало исследований в МСЭ по созданию единой системы подвижной связи третьего поколения IMT-2000. 1989 год Разработка фирмой "Qualcomm" первой сотовой системы связи, использующей технологию СDМА (США). 1990 год Начало работ по созданию UMTS (ETSI). 1991 год Начало внедрения сотовых сетей подвижной связи в России. 16

Принципы функционирования сотовой связи В системах радиальной или радиально-зоновой УКВ-связи, характерными представителями которых, в частности, являются широко известная транкинговая система «Алтай» и ее модификации, максимальная дальность действия зависит от мощности передатчика, чувствительности приемника и уровня шума и ограничивается необходимостью прямой видимости между антеннами станций. Передатчики таких (и подобных) систем для обеспечения максимальной дальности связи имеют достаточно большую мощность. Количество передатчиков, работающих в отведенной полосе частот, ограничено, потому что разнос частот между соседними каналами должен составлять не менее 12, 5 к. Гц (для передачи сообщений одного абонента требуется один частотный канал). В 70 -е годы предложен новый принцип организации связи, позволивший увеличить число абонентов и повысить качество связи. Было предложено разбивать на небольшие участки, называемые сотами, или ячейками. Для оптимального, т. е. без перекрытия или пропусков участков, разделения территории на соты могут быть использованы только три геометрические фигуры: треугольник, квадрат и шестиугольник. Наиболее подходящей фигурой является шестиугольник, так как, если антенну с круговой диаграммой направленности устанавливать в его центре, то будет обеспечен 17 доступ почти ко всем участкам соты.

Повторное использование частот Каждая из ячеек обслуживается своим передатчиком с невысокой выходной мощностью и ограниченным числом каналов связи. Это позволяет без помех использовать повторно частоты каналов этого передатчика в другой, удаленной на значительное расстояние, ячейке. Теоретически такие передатчики можно использовать и в соседних ячейках. Но на практике зоны обслуживания сот могут перекрываться под действием различных факторов, например, вследствие изменения условий распространения радиоволн. Поэтому в соседних ячейках используются различные частоты. 18

Состав системы сотовой связи Каждая из сот обслуживается многоканальным приемопередатчиком (базовой станцией - БС), служащим своеобразным интерфейсом между сотовым телефоном и центром коммутации подвижной связи. Число каналов БС кратно 8, например, 8, 16, 32. . . Один из каналов является управляющим (control channel). или каналом вызова (calling channel), который непосредственно устанавливает соединения при вызове подвижного абонента, а разговор начинается после того, как найден свободный канал и произойдет переключение. Любой из каналов сотовой связи представляет собой пару частот для дуплексной связи, чтобы улучшить фильтрацию сигналов и исключить взаимное влияние. Все БС соединены с центром коммутации подвижной связи (коммутатором) по выделенным проводным или радиорелейным каналам. Центр коммутации MSC—это АТС системы сотовой связи, обеспечивающая управление сетью. Несмотря на разнообразие стандартов сотовой связи, алгоритмы их функционирования, имеющие особенности, в основном сходны. Если радиотелефон находится в режиме ожидания, его приемник постоянно сканирует все каналы системы, для вызова абонента всеми БС по управляющим каналам передается сигнал вызова. Телефон вызываемого получает сигнал и отвечает по свободному каналу управления. БС, принявшие ответный сигнал, передают информацию о его параметрах в центр коммутации, который, переключает разговор на ту БС, где максимальный уровень сигнала радиотелефона вызываемого абонента. 19

Алгоритмы функционирования систем сотовой связи 20

Виды роуминга: - Автоматический, т. е. предоставление абоненту возможности выйти на связь «в любое время в любом месте» ; - Полуавтоматический (абоненту для пользования услугой в каком-либо регионе необходимо предварительно поставить в известность своего оператора - Ручной, простой обмен одного радиотелефона на другой, подключенный к сотовой системе другого оператора. Четыре стандарта сотовой системы связи – аналоговые NMT-450, AMPS, цифровые D-AMPS, GSM-900/1800/2000 – отличаются друг от друга принципами построения и такими характеристиками, как вид (аналоговый/цифровой), частотный диапазон, уровень защищенности, удельная емкость сети, качество передачи, количество и ассортимент сервисных возможностей. SIM-карта Для максимальной защиты от несанкционированного подключения применяется специальный модуль подлинности абонента — SIM-карта. Эта карточка, во встроенной микросхеме, где хранится информация о конкретном абоненте, выдается при подключении и может использоваться с любой моделью мобильного аппарата стандарта GSM. Чтобы похититель-взломщик не смог ею воспользоваться, в нее вводят специальный идентификационный номер (PIN 21 код), и 8 -значный PUK-код.

6 -й учебный вопрос Аналоговые и цифровые системы радиорелейной связи 2/6/2018 22

Радиорелейная связь (от радио и франц. relais – эстафета), радиосвязь, осуществляемая при помощи цепочки приемо-передающих радиостанций, как правило, отстоящих друг от друга на расстоянии прямой видимости их антенн. Осуществляется обычно на деци- и сантиметровых волнах. В радиорелейных линиях возможны три типа радиорелейных станций: оконечная (ОРС), промежуточная (ПРС) и узловая (УРС). На ОРС производится преобразование сообщений, поступающих по соединительным линиям, в сигналы, передаваемые по РРЛ, и обратно. На ОРС начинается и заканчивается линейный тракт передачи сигналов. С помощью УРС разветвляются и объединяются потоки информации, передаваемые по разным РРЛ, на пересечении которых и располагаются УРС. К УРС относят также станции РРЛ, на которых осуществляется ввод и вывод первичных сигналов, посредством которых расположенный вблизи от УРС населенный пункт связывается с другими. ПРС выполняют функции активных ретрансляторов без выделения передаваемых сигналов электросвязи и введения новых. 2/6/2018 23

Отношение ширины полосы пропускания одиночного колебательного контура к его резонансной частоте равна где – добротность контура. ВЧ АУ ГС Прд Передающая часть Прм ГС АУ Приёмная часть АУ – аппаратуру уплотнения (мультиплексор), ГС - групповой сигнал, (Прд) и (Прм) - ВЧ аппаратура – передатчик и приемник: в передатчике групповой сигнал преобразуется в сигнал ВЧ и усиливается; в приемнике сигнал ВЧ преобразуется в групповой сигнал и усиливается. Часть линии с ВЧ излучением называется стволом. . 2/6/2018 Рис. 9. Система радиорелейной связи 24

Рис. Структурная схема основного оборудования ОРС Рис. Структурная схема одноствольного ретранслятора РРЛ. 1, 10 - антенны; 2, 6 фидерные тракты; 3, 7 - прм-прд; 4, 9 - прм; 5, 8 – прд.

2/6/2018 26 Рис. 11. Обеспечение «зигзагообразности» радиорелейной трассы

По диапазону рабочих (несущих) частот РРЛ подразделяются на линии метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов. По способу уплотнения каналов и виду модуляции несущей можно выделить: а) РРЛ с частотным уплотнением (разделением) каналов (ЧРК) и ЧМ гармонической несущей; б) РРЛ с временным уплотнением (разделением) каналов (ВРК) и аналоговой модуляцией импульсов, которые модулируют сигнал-переносчик (гармонический сигнал несущей частоты); в) цифровые РРЛ (ИКМ). 2/6/2018 27

7 -й учебный вопрос Спутниковые системы связи 2/6/2018 28

2/6/2018 Рис. 12. Принцип осуществления спутниковой связи 29

2/6/2018 Рис. 13. Зона радиовидимости ИСЗ земными станциями 30

Радиосвязь, использующая PC на ИСЗ, имеет ряд особенностей, определяющих ее специфику. 1) Удаление ретранслятора от ЗС значительно превышает расстояния между соседними станциями и обычной р/релейной или даже тропосферной связи, что вызывает необходимость использования мощных передатчиков, антенн с большим коэффициентом усиления, высокочувствительных приемных устройств. 2) Большая протяженность линий спутниковой связи вызывает временную задержку сигнала. 3) Перемещение ИСЗ-ретранслятора по орбите относительно ЗС с различной угловой скоростью приводит к изменению уровня сигнала в точке приема, а также к появлению эффекта Доплера (изменению несущих частот на радиолиниях спутниковой связи). 4) Влияние ряда внешних факторов на работу элементов оборудования ретрансляторов. 5) Постоянный рост потребностей в передаче большого числа 2/6/2018 31 мощных потоков информации.

2/6/2018 Рис. 14. Радиолиния спутниковой связи 32

Достоинствами спутниковой связи являются: • большая дальность связи при охвате значительных территорий; • оперативность строительства линий и сетей, обеспечение связи в труднодоступных районах и через препятствия (океаны, горы и т. п. ); • передача потоков информации любого вида (высококачественной двусторонней многоканальной телефонии (аналоговой, цифровой формы, телеграфной и фототелеграфной связи, телевидение и т. п. ); • обеспечение высокого качества связи независимо от расстояния между земными станциями, времени года, суток и атмосферных помех; • обеспечение одновременной связи по широко разветвленной сети между многими пунктами (корреспондентами) при установке ЗС на движущихся (морские и космические корабли, самолеты, вертолеты, автомашины, железнодорожные платформы и т. п. ), так и на неподвижных объектах; • высокая надежность и экономичность и малая уязвимость от ЯО; • высокая мобильность и маневренность связи. Недостатками спутниковой связи являются: • сложность системы спутниковой связи в целом и большие первичные затраты на ее строительство, эксплуатацию и управление; • возможность радиоэлектронного воздействия на систему, а также физического уничтожения ее элементов; • ограничение информационной емкости сетей спутниковой связи 2/6/2018 33 пропускной способностью ретрансляторов.

2/6/2018 34

Основными параметрами орбитальной группировки являются: 1. Высота орбиты 2. Наклонение орбиты 3. Степень охвата поверхности Земли Тип орбиты GEO MEO LEO 36000 500015000 1500 -2000 Количество КА 3 -4 8 -12 48 -66 Площадь зоны покрытия для одного КА, % 34 15 -25 2 -5 Время пребывания КА в зоне радиовидимости непрерывно 1, 5 -2 ч 10 -15 мин Задержка при передаче речи, мс не менее 500 250 -400 170 -300 Частота переключения с одного спутника на другой не требуется 50 мин 8 -10 мин Минимальный рабочий угол 5 25 10 -15 Высота орбиты, км места

Система ИНМАРСАТ предоставляет следующие виды услуг: • телефонную, • телеграфную, • Факсимильную, • передачу данных, • прием сигналов спутниковых навигационных систем. 2/6/2018 Рис. 16. Зоны радиопокрытия системы INMARSAT 36

Рис. 17. «Носимые» абонентские терминалы Globalstar Рис. 18. «Возимые» абонентские терминалы Globalstar Система Globalstar предусматривает организацию двух типов служб: • телекоммуникационные службы, включая речевую (радиотелефонную) связь и передачу данных, • службы определения местоположения. Рис. 19. Терминалы фиксированного абонентского доступа системы 2/6/2018 37 Globalstar

Система «Гонец» предоставляет пользователям следующие виды услуг: • радиотелефонный обмен между абонентами • передача цифровых данных (факсы, телексы, графические изображения) • глобальный персональный радиовызов абонентов • сбор информации с любых датчиков технологического и экологического контроля • определение местоположения (координат) подвижных объектов и передача этой информации в центр управления группировкой. 2/6/2018 Рис. 21. Схема построения НССС «Гонец-Д 1» 38

Система «Сигнал» предоставляет абонентам следующие виды услуг: • организацию дуплексной речевой связи со скоростью 2, 4 Кбит/с, • передачу данных со скоростью 1, 2 -2, 4 Кбит/с; • персональный вызов со скоростью 300 и 600 бит/с с возможностью увеличения скорости передачи до 9, 6 Кбит/с путем объединения нескольких каналов. 2/6/2018 Рис. 22. Структурная схема системы СИГНАЛ 39

Рис. 24. Схема определения координат объекта в системах спутниковой связи с использованием GPS/Глонасс-приемников 2/6/2018 40

Орбитальная группировка GPS (ГЛОНАСС)

Рис. 1. Оперативная служба ГИБДД – принимает сигнал тревоги в случае угона и мгновенно устанавливает местонахождение похищенного автомобиля. 1. Спутники. 2. Приемник навигационных сигналов, показывающий точное местонахождение автомобиля. 3. Передатчик сигнала. 4. Приемник-накопитель закодированных сигналов о координатах автомашины в режиме реального времени

8 -й учебный вопрос Системы фиксированного беспроводного доступа к телекоммуникационным ресурсам 2/6/2018 43

2/6/2018 Рис. 25. Классификация систем беспроводного доступа 44

Технологии класса p-m-p В качестве критерия деления технологий класса p-m-p (point-tomultipoint - "точка - много точек") на отдельные группы выбраны услуги, реализуемые с помощью этих технологий: CLL (Cordless Local Loop) - обеспечение локальной мобильности (дом, офис и т. д. ) абонентов Тф. ОП; WLL (Wireless Local Loop) - расширение зоны обслуживания АТС Тф. ОП; FBWA (Fixed Broadband Wireless Access) - предоставление услуг современных мультисервисных сетей (МСС), включая транспортные услуги; на базе данных технологий строятся беспроводные сети масштаба города WMAN (Wireless Metropolitan Area Network); WLAN (Wireless Local Area Network) - организация беспроводных локальных сетей; в последние годы данная группа технологий все шире используется для построения беспроводных сетей доступа к сетям передачи данных (ПД) и Интернет в местах, где большое число клиентов (выставочные центры, отели, аэропорты и т. д. ); WPAN (Wireless Personal Area Network) - реализация концепции "интеллектуальный дом"; Сотовое ТВ - организация интерактивных сетей доступа к мультимедийным услугам, реализуемым на базе систем эфирного 2/6/2018 45 телевизионного вещания путем организации в них обратного канала.

Технологии класса р-р Технологии данного класса, обеспечивающие соединения "точка - точка", служат для предоставления транспортных услуг. Технологии ЦРСП (цифровые радиорелейные системы передачи) - предназначены для подключения оборудования (мультиплексоров, концентраторов и пр. ) удаленных корпоративных или частных пользователей к Тф. ОП. Группа технологий FSO (Free Space Optic) - предназначена для предоставления транспортных услуг по подключению оборудования корпоративных или частных пользователей к Тф. ОП или МСС на уровне PDH или SDH. Оборудование FSO работает в инфракрасном спектре частот. В отечественной литературе для обозначения этих технологий используются аббревиатуры БОЛС (беспроводные оптические линии связи) или АОЛП (атмосферные оптические линии передачи). 2/6/2018 46