Общая структура сети связи с подвижными объектами. Методы множественного доступа.
Емкость сети зависит от числа доступных частотных каналов. Их в силу объективных причин всегда не хватает. Поскольку радиоспектр имеет ограниченные ресурсы, необходимо оптимально распределить его между всеми возможными пользователями. Всякий раз, когда ряд пользователей должен совместно использовать ограниченный диапазон частот, необходимо установить правила для этого, т.е. оговорить методы множественного (многостанционного) доступа (Multiple Access Methods) к каналам передачи информации.
РЧ спектр - исходный ресурс, который должен быть разделен между пользователями, с использованием определенных процедур, иногда называемых мультиплексированием (Мultiplexing). При этом для каждого из пользователей могут быть установлены определенные ограничения (правила) использования выделенного РЧ спектра и во времени. Поэтому можно сказать, что мультиплексирование используется для упорядочения (разделения) различных пользователей частотно-временного ресурса. Для совместного использования канала (Sharing the channel) применяется мультиплексирование по частоте, времени, коду, и пространству. В большинстве современных систем связи используется комбинация этих основных методов мультиплексирования.
FDMA - множественный доступ с частотным разделением
Системы с множественным доступом по частоте (Frequency Division Multiple-Access, FDMA) или мультиплексированием по частоте получили в русском языке название системы множественного доступа с частотным разделением МДЧР. В них выделенный общий диапазон частот разделяется на отдельные стационарные частотные каналы. Каждый передатчик или приемник использует отдельную частоту.
TDMA - множественный доступ с временным разделением
Множественный доступ с временным разделением МДВР (Time Division Multiple Access, TDMA) или метод мультиплексирования с разделением по времени использует разделение пользователей по времени так, чтобы их приемопередатчики могли совместно использовать одну несущую частоту. Такой принцип организации связи используется, например, в простых дуплексных радиостанциях, где кнопка нажимается, когда абонент говорит и отпускается, когда он слушает своего собеседника.
Стандарт TDMA активно используется в современных цифровых системах подвижной связи. В отличие от систем частотного разделения, все абоненты системы TDMA работают в одном и том же диапазоне частот, но при этом каждый имеет временные ограничения по доступу в систему. Каждому абоненту выделяется временной промежуток или таймслот ТС (Timeslot), в течение которого ему разрешается передача информации. После того, как один абонент завершает передачу, разрешение дается другому, затем третьему и т.д. Если обслужены все абоненты, процесс начинается сначала.
Структура аналоговой ССПО. Достоинства, недостатки
Структура цифровой ССПО. Достоинства, недостатки
В настоящее время доминирующее положение на рынке подвижной радиосвязи занимают:
профессиональные (частные) системы подвижной связи;
системы персонального вызова;
системы беспроводных телефонов;
системы сотовой связи общего пользования.
В профессиональных системах подвижной радиосвязи наиболее эффективное использование частотного ресурса обеспечивается в системах со свободным доступом абонентов к общему частотному ресурсу, получивших название транкинговых. Различают транкинговые системы с последовательным поиском свободного канала связи и с выделенным каналом управления.
Системы персонального радиовызова (СПРВ) гармонично сопрягаются с системами радиосвязи и передачи данных. Персональный радиовызов (пейджинг) - услуга электросвязи, обеспечивающая одностороннюю передачу информации в пределах обслуживаемой зоны. По своему назначению СПРВ можно разделить на частные (ведомственные) и общего пользования.
Системы беспроводных телефонов были первоначально ориентированны на резидентское использование, т.е. в условиях офисов и квартир. Позже они стали развиваться как системы общего пользования, обеспечивающие поддержку услуг общего доступа.
Различают аналоговые и цифровые сотовые системы подвижной связи. Основные стандарты аналоговых систем-NMT и AMPS.Цифровых систем-GSM, DAMPS, IDS, CDMA. В системе NMT-450 для передачи информации от BS к MS используется поддиапазон 463-467,5 МГц, а для передачи от MS к BS поддиапазон 453-457,5 МГц. В каждом поддиапазоне размещается 180 каналов. Стандарт AMPS был первой системой, ориентированной на города. Связь от BS к MS осуществляется в поддиапазоне 870-890 МГц, от MS к BS-в поддиапазоне 825-845 МГц. В каждом из поддиапазонов размещается 666 каналов. AMPS является единственным стандартом, предоставляющим возможность плавного перехода с аналогового на цифровое оборудование при их совместном использовании в единой системе. Самый современный среди аналоговых стандартов стандарт NMT-900,работающий в диапазоне 900 МГц.
Применение в DAPS временного разделения каналов, а также сот с малым радиусом позволило значительно увеличить ёмкость по сравнению с AMPS. Японский стандарт IDS использует диапазон 810-826 МГц и 940-956 МГц (адаптирован также к диапазону 1,5 ГГц). Особенностью систем с кодовым разделением каналов CDMA является использование широкополосных сигналов. Принципы построения цифровых систем позволили применить при организации сотовых сетей новые, более эффективные, чем в аналоговых системах, модели повторного использования частот. В результате без увеличения общей полосы частот значительно возросло число каналов на соту.
На функциональной схеме ССПСЭ аналогового стандарта (рис. 1.4) для каждой АС можно указать опорный центр коммутации (ЦКПС-О), в ОРМ которого зарегистрирована рассматриваемая АС. Когда эта АС оказывается в зоне обслуживания любого другого ЦКПС, сведения о ней записываются в ВРМ. Все такие центры коммутации для рассматриваемого абонента являются ЦКПС визитера (ЦКПС-В). Центр коммутации подвижной службы обеспечивает соединение между абонентами сети, а также выход в ТФОП; отслеживает местоположение АС в своей области обслуживания; управляет процедурой эстафетной передачи АС, а также переключением частотных каналов при нарушении связи из-за помех или неисправностей; выполняет функции центра эксплуатации и технического обслуживания сети; начисляет оплату абонентам. На рис. 1.4. показана установленная линия связи между абонентами сети ТФОП и ССПСЭ. В ТФОП показаны местный коммутатор (МК) и транзитные коммутаторы (ТК); ТА - телефонный аппарат. В варианте 1 (сплошные линии) вызов к АС проходит по линии ТА, МК, ТК1, ТК2, ЦКПС-О, ЦКПС-В, БС, АС. В ССПСЭ предусмотрена шлюзовая функция (Gateway). ЦКПС, обладающий такой функцией, обозначен ЦКПС*. Шлюзовая функция - специальный принцип маршрутизации вызова через ближайший ЦКПС, который теперь становится шлюзовым. Этот ЦКПС* опрашивает ЦКПС-О по каналам ОКС 7 и находит самый короткий путь для установления связи (линия связи обозначена пунктиром). Шлюзовую функцию реализуют, как правило, все ЦКПС.
Рассмотрим ССПСЭ стандарта GSM (рис. 1.5). Схема содержит подсистему базовых станций (ПБС); сетевую подсистему (СПС) и подсистему эксплуатации и технического обслуживания (ПЭТО), а так же АС. В АС входит абонентское оборудование (АО) и абонентский идентификационный модуль (АИМ) (SIM-карта). Пока не установлен этот модуль, не выполняются соединения АС с вызывающим и вызываемым номером. Подсистема базовых станций содержит: базовые приемопередающие станции (БПС);контроллер БС (КБС) и оборудование транскодирования (ТКО). В составе СПС показаны: ЦКПС, ОРМ, ВРМ, центр аутентификации (ЦА), регистр идентификации оборудования (РИО). ПЭТО содержит центр эксплуатации и технического обслуживания (ЦЭТО) и центр управления сетью (ЦУС). Подсистема базовых станций выполняет функции радиосвязи. Все БС в зоне ПБС соединены линиями связи с контроллером. Каждая БПС обслуживает одну соту. Содержит несколько приемопередатчиков (до 16) - по одному для каждого частотного канала. Каждой БПС стандарта GSM доступны все 124 частотных канала, что позволяет реализовать метод скачкообразной перестройки частоты в стандарте GSM. Один из способов переключения частоты состоит в переключении модулирующего сигнала на входе передатчика. В этом случае число частот, используемых для скачкообразной перестройки, определяется числом приемопередатчиков БС. Контроллер БС управляет несколькими БПС. Основное назначение контроллера - правильное распределение радиоканалов между БС и АС и определение необходимости их переключений при передвижении. Другая его задача - управление конфигурацией БПС и загрузка программного обеспечения. Контроллер обеспечивает передачу вызова на АС, контролирует соединения, выполняет согласование скоростей передачи для речи, данных и сигналов вызова, кодирование и декодирование сигналов. Количество приемопередатчиков, которые может обслужить один контроллер, может быть более 100. Оборудование транскодирования включается между КБС и ЦКПС и служит для согласования скоростей цифровых потоков. В ТКО образуетсястандартный первичный цифровой поток (ПЦП) из цифровых сигналов базовых станций. ТКО может размещаться вместе с КБС. Как известно, ПЦП образуют 32 сигнала, каждый со стандартной скоростью 64 кбит/с. Номинальная скорость передачи ПЦП В1 = (30 + 2)*64 = 2048 кбит/с. В стандарте GSM скорость передачи сигнала в одном речевом канале S1GSM =13 кбит/с. В транскодере с помощью добавочных битов эта скорость увеличивается до величины B1ТК0= 16 кбит/с. Таким образом в полосе одного канала стандартной ИКМ передают сигналы четырех речевых каналов, всего речевых каналов в транскодере Nтко = 30 * 4 = 120. Оставшиеся два стандартных цифровых канала занимает сигнальная информация. Например, один канал - информация ОКС 7 и один канал - информация управления по протоколу Х.25. Сотовая сухопутная подвижная система электросвязи стандарта GSM территориально разделяется на зоны действия ЦКПС, которые, в свою очередь, делятся на зоны действия контроллеров БС, называемые зонами местоположения (ЗМ). ЦКПС отслеживает местоположение АС с помощью регистров. ВРМ позволяет вызывать АС, пока она находится в зоне действия, определенного контроллера. Когда АС перемещается в ЗМ другого контроллера, он ее регистрирует, и в ВРМ записывается новый адрес ЗМ. Входящие вызовы поступают к ЦКПС* - центру коммутации, обладающему шлюзовой функцией, который по номеру вызываемого абонента находит его ОРМ. Последний обращается к ВРМ, который "находит" АС. Шлюзовой ЦКПС* имеет интерфейс с внешними сетями связи. Здесь, как и в случае аналоговых систем, шлюзовую функцию можно установить для каждого ЦКПС. Все ЦКПС в сети Соединены линиями связи (ВОЛС, РРЛ, спутниковыми). На рис. 1.5 они показаны двойными линиями. Система стандарта GSM подчиняется принципам эталонной модели OSI. Она имеет три общих внутрисистемных интерфейса:радиоинтерфейс Um между БС и АС, 2) интерфейс А между КПС и ПБС, 3) интерфейс Abis между БПС и КБС. Положение внутрисистемных интерфейсов отражено на рис. 1.6. В данном контексте интерфейс - это точка соединения реально существующих устройств. Благодаря данным интерфейсам оператор системы может Соединять аппаратуру разных производителей. Информационные потоки, проходящие через один интерфейс, могут принадлежать различным протоколам. Кроме этих внутрисистемных интерфейсов система GSM имеет интерфейсы между сетью и внешним оборудованием и интерфейс для выхода во внешние сети: в сети подвижной связи общего пользования, в ТФОП, в цифровые сети с интеграцией служб (ЦСИС) и др.