Глава 10. Сети и системы сотовой связи.
Общие принципы организации радиосвязи. Классификация радиосистем передачи
Основные понятия и определения. Классификация диапазонов радиочастот и радиоволн. Структура радиосистем передачи
Глава 9. Общие принципы и особенности построения систем радиосвязи.
Радиосвязь – вид электросвязи, осуществляемый с помощью радиоволн. Под радиоволнами принято понимать электромагнитные волны, частота которых выше 30 кГц и ниже 3000 ГГц,распространяющиеся в среде без искусственных направляющих сред (линий). С понятием радиоволны тесно связано понятие радиочастоты, т.е. частоты радиоволн.
Скорость распространения электромагнитных волн в какой-либо среде равна
где скорость распространения света в вакууме; диэлектрическая, магнитная проницаемость среды. Для воздуха, а скорость распространения электромагнитных волн близка к скорости света в вакууме, т.е. м/с.
Электромагнитные волны создаются источником периодически изменяющейся ЭДС с периодом T. Если в некоторый момент электромагнитное поле (ЭМП) имело максимальное значение, то такое же значение оно будет иметь спустя время T. За это время ЭМП переместится на расстояние
|
|
Минимальное расстояние между двумя точками пространства, поле в котором имеет одинаковое значение, называется длиной волны. Длина волны зависит от скорости ее распространения и периода T изменения ЭДС, передающей это поле. Так как частота тока равна,то длина волны
Длина волны связана с частотой колебания известным соотношением
Радиочастотный спектр – область частот, занимаемая радиоволнами. Полоса частот – область частот, ограниченная нижним и верхним пределами. Диапазон частот – полоса частот, которой присвоено условное наименование.
В соответствии с Регламентом радиосвязи весь радиочастотный спектр разделен на 12 диапазонов, которые определены как области радиочастот, равные (0,3...3) х 10 N Гц, где N - номер диапазона. Для целей радиосвязи используется девять диапазонов и, следовательно, N = 4...12.
Диапазон радиоволн - определенный непрерывный участок длин радиоволн, которому присвоено условное метрическое наименование. Каждому диапазону радиоволн соответствует определенный диапазон радиочастот.
Классификация диапазонов радиочастот или радиоволн приведена в табл.
Такая классификация в первую очередь связана с особенностями распространения радиоволн и их использования.
Номер диапазона | Диапазон длин волн | Диапазон частот | ||
Наименование | Границы | Наименование | Границы | |
Мириаметровые или сверхдлинные волны (СДВ) | 10...100 км | Очень низкие частоты (ОНЧ) | 3...30 кГц | |
Километровые или длинные волны (ДВ) | 1...10 км | Низкие частоты (НЧ) | 30...300 кГц | |
Гектометровые или средние волны (СВ) | 100...1000 м | Средние частоты (СЧ) | 300...3000 кГц | |
Декаметровые или короткие волны (KB) | 10...100 м | Высокие частоты (ВЧ) | 3...30 МГц | |
Метровые или ультракороткие волны (УКВ) | 1...10 м | Очень высокие частоты (ОВЧ) | 30...300 МГц | |
Дециметровые волны (ДМВ) | 10...100 см | Ультравысокие частоты (УВЧ) | 300...3000 МГц | |
Сантиметровые волны | 1...10 см | Сверхвысокие частоты (СВЧ) | 3...30 ГГц | |
Миллиметровые волны | 1...10 мм | Крайне высокие частоты (КВЧ) | 30...300 ГГц | |
Децимиллиметровые волны | 0,1...1 мм | Гипервысокие частоты (ГВЧ) | 300...3000 ГГц |
Кроме того, в технике радиосвязи широкое применение находят следующие понятия:
|
|
диапазон рабочих радиочастот - полоса частот, в пределах которой обеспечивается работа радиостанции; сетка рабочих радиочастот (сетка частот) - множество следующих через заданные интервалы рабочих радиочастот; шаг сетки рабочих радиочастот (шаг сетки частот) - разность между соседними дискретными значениями рабочих частот, входящих в их сетку; радиостанция - один или несколько передатчиков и приемников или их комбинация, включая вспомогательное оборудование, необходимые для осуществления радиосвязи; присвоенная полоса радиочастот - полоса частот, в пределах которой радиостанции разрешено излучение; рабочий канал - полоса частот, которая используется для передачи информации (сообщения); присвоенная радиочастота - частота, соответствующая середине присвоенной радиостанции полосы частот; рабочая радиочастота - частота, предназначенная для ведения радиосвязи радиостанцией.
§ Обобщенная структурная схема многоканальной системы радиосвязи
Для введения других понятий и определений следует рассмотреть обобщенную структурную схему радиосистемы передачи (РСП). Под радиосистемой передачи понимается совокупность технических средств, обеспечивающих образование типовых каналов и трактов, а также линейных трактов, по которым сигналы электросвязи передаются посредством радиоволн в открытом пространстве. Поскольку подавляющее большинство РСП являются многоканальными, то приведем обобщенную структурную схему многоканальной РСП (рис.), где приняты следующие обозначения:
КГО - каналообразующее и групповое оборудование, обеспечивающее формирование сигналов типовых каналов и трактов из множества подлежащих передаче первичных сигналов электросвязи на передающем конце и обратное преобразование сигналов типовых каналов и трактов в множество первичных сигналов на приемном конце.
СЛ - проводные соединительные линии, обеспечивающие подключение каналообразующего и группового оборудования к РСП в случае их территориальной удаленности.
Рис. Обобщенная структурная схема многоканальной радиосистемы связи
Для формирования радиосигнала и передачи его на расстояния посредством радиоволн используются различные радиосистемы связи. Радиосистема связи представляет собой комплекс радиотехнического оборудования и других технических средств, предназначенных для организации радиосвязи в заданном диапазоне частот с использованием определенного механизма распространения радиоволн. Вместе со средой (трактом) распространения радиоволн радиосистема связи образует линейный тракт или ствол, состоящий из оконечного оборудования ствола (ООС) и радиоствола.
ООСпер - оконечное оборудование ствола передающего конца, где формируется линейный сигнал, состоящий из информационного группового сигнала и вспомогательных сигналов (сигналов служебной связи, сигналов контроля работоспособности оборудования РСП и др.), которыми модулируются высокочастотные колебания.
|
|
РСТ - радиоствол, назначением которого является передача модулированных радиосигналов на расстояния с помощью радиоволн. Радиоствол называется простым, если в его состав входят лишь две оконечные станции и один тракт распространения радиоволн, и составным, если помимо двух оконечных радиостанций он содержит одну или несколько ретрансляционных станций, обеспечивающих прием, преобразование, усиление или регенерацию и повторную передачу радиосигналов. Необходимость использования составных радиостволов обусловлена рядом факторов, основными из которых являются протяженность радиолинии, ее пропускная способность и механизм распространения радиоволн.
ООСпрм - оконечное оборудование ствола приемного конца, где проводятся обратные преобразования: демодуляция высокочастотного радиосигнала, выделение группового (многоканального) сигнала и вспомогательных служебных сигналов.
Совокупность технических средств и среды распространения радиоволн, обеспечивающих передачу сигналов от источника к приемнику информации, называется радиоканалом (каналом радиосвязи). Радиоканал, обеспечивающий радиосвязь в одном азимутальном направлении, называется радиолинией.
Упрощенная структурная схема одноканальной радиолинии приведена на рис.
Рис. Структурная схема радиолинии
Функционирование радиолинии осуществляется следующим образом: передаваемое сообщение поступает в преобразователь (микрофон, телевизионная передающая камера, телеграфный или факсимильный аппарат и др.), который преобразует его в первичный электрический сигнал. Последний поступает на радиопередающее устройство радиостанции, которое состоит из модулятора (М), синтезатора несущих частот (СЧ) и усилителя модулированных колебаний (УМК). С помощью модулятора один из параметров несущей частоты (высокочастотного колебания) изменяется по закону первичного сигнала. С помощью антенны (А) энергия радиочастот передатчика излучается в тракт распространения радиоволн. На приемном конце радиоволны наводят ЭДС в приемной антенне (А). Радиоприемное устройство радиостанции с помощью селективных (избирательных) цепей (СЦ) отфильтровывает сигналы от помех и сигналов других радиостанций. В детекторе (Д) происходит процесс, обратный модуляции, - выделение из модулированных колебаний исходного электрического сигнала. Далее в преобразователе этот сигнал преобразуется в сообщение, которое и поступает к абоненту.
|
|
Существует множество различных классификаций радиосистем передачи (РСП) в зависимости от признаков, положенных в их основу. Приведем классификацию РСП по наиболее важным признакам:
v по принадлежности к различным службам в соответствии с Регламентом радиосвязи различают РСП фиксированной службы (радиосвязь между фиксированными пунктами), радиовещательной службы (передача сигналов для непосредственного приема населением), РСП подвижной службы (радиосвязь между движущимися друг относительно друга объектами);
v по назначению различают международные, магистральные, внутризоновые, местные РСП, военные РСП, технологические РСП (для обслуживания объектов железнодорожного транспорта, линий электропередачи, нефте- и газопроводов и т. д.), космические РСП (обеспечивающие радиосвязь между космическими аппаратами или между земными пунктами и космическими аппаратами);
v по диапазону используемых радиочастот или радиоволн (см. табл.);
v по виду передаваемых сигналов различают РСП аналоговых сигналов (телефонных, радиовещательных, факсимильных, телевизионных, сигналов телеметрии и телеуправления), РСП цифровых сигналов (телеграфных, сигналов от ЭВМ) и комбинированные РСП;
v по способу разделения каналов (канальных сигналов) различают многоканальные РСП с частотным разделением, временным, фазовым и комбинированным разделением каналов; существуют также специальные РСП с разделением канальных сигналов по форме (например, асинхронно-адресные системы с кодово-адресным разделением сигналов);
v по виду линейного сигнала различают аналоговые, цифровые и смешанные (гибридные) РСП. В аналоговых РСП на вход радиоканала (ствола) поступает аналоговый сигнал, соответственно аналоговым является и радиосигнал; к аналоговым РСП относятся и импульсные РСП, т.е. системы с импульсной модуляцией (и временным разделением каналов); в цифровых РСП на вход радиоствола и тракт распространения поступает цифровой сигнал; в смешанных РСП линейный сигнал состоит из аналогового линейного сигнала и поднесущей, модулированной цифровым сигналом;
v по виду модуляции несущей аналоговые РСП подразделяются на системы с частотной, однополосной и амплитудной модуляциями, а цифровые РСП - на системы с амплитудной, частотной, фазовой и амплитудно-фазовой манипуляциями;
v по пропускной способности различают РСП с малой (менее 10 Мбит/с), средней (10…100 Мбит/с)и высокой пропускной способностью (более 100 Мбит/с);
v по характеру используемого физического процесса в тракте распространения радиоволн различают: системы радиосвязи и радиовещания на длинных, средних и коротких радиоволнах без ретрансляторов; радиорелейные системы передачи прямой видимости (РРСП), где происходит распространение радиоволн в пределах прямой видимости; тропосферные радиорелейные системы передачи (ТРСП), где используется дальнее тропосферное распространение радиоволн засчет их рассеяния и отражения в нижней области тропосферы при взаимном расположении радиорелейных станций за пределами прямой видимости; спутниковые системы передачи (ССП), использующие прямолинейное распространение радиоволн с ретрансляцией их бортовым ретранслятором искусственного спутника Земли (ИСЗ), находящимся в пределах радиовидимости земных станций, между которыми осуществляется радиосвязь; ионосферные РСП на декаметровых волнах (дальнее распространение декаметровых волн засчет отражения от слоев ионосферы); космические РСП (прямолинейное распространение радиоволн в космическом пространстве и атмосфере Земли); ионосферные РСП на метровых волнах (дальнее распространение метровых волн благодаря рассеянию их на неоднородностях ионосферы) и др.
Для построения многоканальных телекоммуникационных систем самое широкое распространение получили радиорелейные и спутниковые системы передачи, использующие дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазоны радиоволн. В этом же диапазоне строятся и современные системы подвижной (мобильной) радиосвязи самого различного назначения.
Первые радиотелефоны использовали обычные фиксированные каналы, и, если один из них был занят, абонент вручную переключался на другой. С развитием техники радиотелефонные системы совершенствовались, уменьшались габариты устройств, осваивались новые частотные диапазоны, улучшалось коммутационное оборудование, в частности, появилась функция автоматического выбора свободного канала (trunking). Но все это не могло решить главной проблемы - ограниченности частотного ресурса при огромной потребности в предоставлении услуг.
Выход был найден: обслуживаемая территория разбивается на небольшие участки, называемые сотами (cell). Каждая из ячеек обслуживается передатчиком с ограниченным радиусом действия и числом каналов. Это без помех позволяет повторно использовать те же самые частоты в другой ячейке, но удаленной на значительное расстояние. Теоретически их можно использовать в соседней ячейке. Но на практике зоны обслуживания сот могут перекрываться из-за различных факторов, например изменения условий распространения радиоволн. В результате появляются взаимные помехи. Поэтому в соседних ячейках используются различные частоты.
За более чем 20-летний период развития сформировались три поколения систем сотовой связи (ССС):
• первое поколение - аналоговые системы;
• второе поколение - цифровые системы сегодняшнего дня (GSM, CDMA);
• третье поколение - универсальные системы мобильной связи будущего.
Функциональная схема
Рис. Сотовая система подвижной радиосвязи общего пользования
Как следует из рис., в центре каждой ячейки находится базовая станция (БС), обслуживающая все подвижные станции (ПС) - абонентские или радиотелефонные аппараты в пределах своей ячейки. При перемещении абонента из одной ячейки в другую происходит передача его обслуживания от одной базовой станции к другой. Все базовые станции, в свою очередь, замыкаются на центр коммутации (ЦК), с которого имеется выход на телефонную сеть общего пользования, в частности, если связь устанавливается в городе, - выход в обычную городскую телефонную сеть (ГТС).
Прежде всего, в действительности ячейки никогда не бывают строгой геометрической формы. Реальные границы ячеек имеют вид неправильных кривых, зависящих от условий распространения радиоволн, рельефа местности, характера и плотности растительности и застройки и других факторов. Более того, границы ячеек вообще не являются четко определенными, так как рубеж передачи обслуживания подвижной станции из одной ячейки в соседнюю может в некоторых пределах смещаться с изменением условий распространения радиоволн и в зависимости от направления движения ПС. Точно так же и положение БС лишь приближенно совпадает с центром ячейки, который к тому же не так просто определить однозначно, если ячейка имеет неправильную форму. Далее, система сотовой связи может включать более одного центра коммутации, что может быть обусловлено, в частности, эволюцией развития системы или ограниченностью емкости коммутатора, но чаще базовые станции взаимодействуют с центром коммутации с использованием контроллеров базовых станций.
В цифровых системах сотовой связи (например GSM)используется понятие «система базовой станции» (СБС), в которую входит контроллер базовой станции (КБС) и несколько базовых приемопередающих станций (БППС), как показано на рис.
Рис. Система базовой станции
Один контроллер может управлять несколькими БППС и выполняет следующие функции:
־ управляет распределением радиоканалов;
־ контролирует соединения и регулирует их очередность;
־ обеспечивает режим работы с прыгающей частотой, модуляцию и демодуляцию сигналов, кодирование и декодирование сообщений.
Три БППС, которые подключаются к одному общему КБС, могут обслуживать каждая свой 120-градусный сектор, а шесть БППС с одним КБС - шесть 60-градусных секторов.
При перемещении абонента между ячейками одной системы происходит передача обслуживания от одной станции к другой,а при перемещении на территорию другой системы - роуминг, т.е. процедура, обеспечивающая поддержание связи при перемещении абонента из зоны обслуживания одного оператора в зону обслуживания другого оператора.
Коммутация каналов базовых станций осуществляется в центре коммутации, который подключается к телефонной сети общего пользования (ТФОП) на правах оконечной станции или УПАТС.