Файл: Сети и системы телекоммуникаций.pdf

Рис. 1.1: Абонентский терминал системы Inmarsat
К сожалению, российские спутниковые системы связи (несмотря на свое активное развитие на заре эры космонавтики) на фоне зарубежных аналогов смотрятся более чем удручающе - на текущий момент в отно- сительно функционирующем состоянии развернута лишь система Гонец-
Д1М, состоящая из 5 низкоорбитальных космических аппаратов. Указан- ная система обеспечивает лишь возможность полудуплексной передачи речи и передачу данных со скоростью до 9,6 кбит\с, а также возмож- ность передачи больших объемов данных в режиме почты с обеспечением пропускной способности до 20 Мбайт\сутки. К сожалению, по сравнению с заявленными выше показателями зарубежных аналогов, данные цифры выглядят устаревшими минимум на 20, а временами и на 30 лет интен- сивного развития.
15

Рис. 1.2: Абонентский терминал системы Гонец
В отдельный важный класс спутниковых телекоммуникационных си- стем выделяются ГНСС - глобальные спутниковые навигационные систе- мы - российская ГЛОНАСС (29 спутников), северо-американская GPS (31
спутник), европейская Galileo (4 спутника) и китайская Бэйдоу
9
(16 спут- ников на геостационарной орбите). Указанные системы характеризуются исключительно приемом данных абонентскими устройствами (

на спут- ники

в данных системах абонентскими устройствами ничего не посыла- ется и соединение с ними тоже не устанавливается!), наличием режимов стандартной и повышенной
10
точности, обеспечивают ряд дополнитель- ных специфичных сервисов, таких, как подача сигнала точного времени.
В связи с ограничениями на объем материала, рассмотрение систем ГНСС
лежит за пределами представляемого курса.
1.3.2
Транкинговые системы АССиПД
Транкинговые (транковые) системы связи следует считать в некото- ром роде родоначальником всех современных беспроводных сетей связи и передачи данных городского охвата - сетей WMAN. Указанные системы работают по централизованному принципу - присутствует одна (односай- товая сеть) или несколько (многосайтовая сеть) мощных базовых станций,
каждая из которых покрывает значительную область - зачастую несколь- ко десятков квадратных километров; первая система такого рода была развернута в Детройте в 1936 г. для связи патрулей полиции с центром управления. Каждая из базовых станций - сайтов
11
реализует функцио-
9
Baidou -

Северный Ковш

(китайское название созвездия Большой Медведицы)
10
Для использования в военных целях.
11
Сайт - (eng.) site - участок, место.
16

нал отдельного

транка

12
, к которому подключаются

брэнчи

13
- линии абонентских терминалов. Принципиальным отличием транковых систем связи от сотовых, рассматриваемых детально далее, является объедине- ние всего функционала управления участками сети непосредственно на базовых станциях, что существенно ограничивает масштабируемость и модульность системы, но повышает возможности централизованного кон- троля и облегчает реализацию ряда специфичных услуг.
На сегодняшний день транкинговые системы практически незыблемо обосновались на рынке силовых ведомств, спасательных служб и для реа- лизации внутренней радиосвязи крупных промышленных холдингов. Так,
поддержка наиболее популярной в Европе группы стандартов TETRA
внедрена также в новые портативные военные радиостанции

Азарт-П1

,
принятые на вооружение МО в 2012 г.; радиостанциями стандарта APCO-
25 оснащены все ведомственные структуры США. Завершим данный под- раздел более подробным рассмотрением возможностей данных стандар- тов.
Рис. 1.3: Слева - радиостанция TETRA, справа - APCO-25.
Транковая связь стандарта TETRA
Стандарт TETRA
14
был раз- работан Европейским Институтом Телекоммуникационных Стандартов -
ETSI
15
в начале 1990-х годов; первая версия стандарта была официально опубликована Европейским Комитетом по Радиокоммуникациям (ERC
16
)
12
Транк - (eng.) trunk - ствол.
13
Брэнч - (eng.) branch - ветвь.
14
Terrestrial Trunked Radio - наземная транковая связь.
15
ETSI - European Telecommunications Standards Institute.
16
ERC - European Radiocommunications Committee
17

в 1995-м году. Возможно охарактеризовать следующие ключевые особен- ности современной версии данного стандарта:
• Высокая спектральная эффективность - 4 полнофункциональных дуплексных цифровых голосовых канала в полосе 25 кГц
17
• Крайне быстрое установление соединения - менее 0,25 сек. (с момен- та инициации вызова).
• Возможность работы на скоростях до 400 км\ч.
• Поддержка прямого соединения (в обход базовой станции) двух або- нентов.
• Обеспечение надежной конференц-связи - соединения одновременно многих абонентов.
• Возможность быстрого развертывания в зонах возникновения ЧС
18
На сегодняшний день стандарт TETRA широко используется в Россий- ской Федерации для организации ведомственной (МВД, МЧС, ФСБ) и корпоративной связи крупных промышленных предприятий.
Транковая связь стандарта APCO-25
Система APCO-25 19
, также известная, как Проект 25 20
) представляет собой стек стандартов циф- ровой радиосвязи для использования в ведомственных целях на муни- ципальном, федеральном и региональном уровне. Основное отличие от стандарта TETRA заключается в возможности построения сетей и систем связи разнообразной структуры (в отличие от единого рекомендуемого стандарта построения в случае TETRA). В свою очередь, радиостанции
APCO-25 лишь последнего поколения поддерживают передачу данных,
при этом с существенно большими ограничениями, чем TETRA.
Системы на базе APCO-25 в нашей стране развернуты и успешно эксплуатируются в МВД в ряде городов федерального значения, как на- пример - Москве, Санкт-Петербурге и Казани. В целом, доля радиосетей
APCO-25 (по сравнению с количеством сетей TETRA) по РФ существенно ниже.
17
Для сравнения - в GSM поколений от 2 до 2,75 - 8 каналов в полосе 200 кГц.
18
Чрезвычайных ситуаций.
19
Association of Public-Safety Communication Officials - объединенная ведомственная сеть связи.
20
Project 25 или P25.
18

1.3.3
Сотовые системы АССиПД
Так называемые сотовые системы связи на сегодняшний день явля- ются доминирующими на рынке современных телекоммуникаций, а также наиболее перспективными как для операторов, так и конечных пользо- вателей. Название

сота

следует из покрытия зоны обслуживания пра- вильными многоугольниками-сотами
21
В центре каждой из сот находится базовая станция, в простейшем случае равномерно обслуживающая всю соту, в более сложных - делящая ее на участки-сектора.
Сотовые системы связи по возрасту чуть старше спутниковых - идео- логия построения сети связи в виде совокупности сот была предложена сотрудниками Bell Laboratories в 40-х годах XX-го века. В чем же пре- имущества сотовой сети связи?
Использование сотового построения сети (согласно т.н. принципам частотно-территориального планирования, которые будут рассмотрены позже) позволяет в значительной степени сэкономить диапазон исполь- зуемых частот. Если быть еще более точным, для всей системы сотовой связи обычно выделяется единый частотный диапазон с фиксированными границами, не зависящими от общей площади зоны покрытия.
Каким же образом обеспечивается эффект экономии частот? Часто- ты могут использоваться повторно благодаря ограниченной мощности пе- редатчиков базовых станций - одна и та же частотная группа может ис- пользоваться уже через соту благодаря существенному затуханию сигнала с расстоянием даже в свободном пространстве. Наиболее простой сотовой структурой является структура с гексагональными сотами и БС
22
с ан- теннами круговой направленности (на рис. слева). При использовании секторных антенн (секторном дроблении соты) возможно существенное повышение эффективности повторного использования частот (рис. спра- ва).
Объединяющей структурной единицей сотовой сети
23
является так называемый кластер. Кластер образован совокупностью соседних сот, в которых используются неповторяющиеся частотные группы. Число сот в кластере называется его размерностью.
В зависимости от радиуса соты различают макросоты - с радиусом
21
Обычно, правильными шестиугольниками.
22
Базовыми станциями.
23
И базовой единицей частотно-территориального планирования - ЧТП, которое будет рас- смотрено ниже.
19

соты более 500 м.; микросоты - от 50 до 500 м. и пикосоты - менее 50 м.
Макросоты предназначены для обслуживания абонентов в быстродвижу- щемся транспорте; микросоты - в основном, в условиях плотной городской застройки, а пикосоты - в закрытых зонах и помещениях (метро, вокза- лах, торговых центрах и пр.) Примеры и поколения современных сотовых сетей связи будут детально рассмотрены в рамках следующей лекции.
Рис. 1.4: Соты с антеннами круговой (слева) и секторной (справа) направленности
1.3.4
Децентрализованные АССиПД
Дальнейшее развитие принципов построения сетей связи стало воз- можным с появлением нового эффективного метода т.н. множествен- ного доступа в сеть - множественного доступа с кодовым разделением каналов. Появление данного типа разделения каналов позволило обеспе- чить невозможное на первый взгляд - вещание одновременно нескольких каналов в одной и той же полосе частот в одно и то же время.
Использование кодового разделения каналов позволило исключить принципиальную необходимость в сотовой организации сети - теперь все абонентские терминалы и базовые станции могли использовать одну и ту же полосу частот. Базовые станции стали играть роль лишь некото- рых концентраторов с высокой вычислительной мощностью, являющихся узловыми элементами сети. Однако, с ростом вычислительных мощно- стей элементной базы стало возможным реализовать функционал базовой станции в абонентском терминале. Таким образом и стали появляться так называемые децентрализованные или mesh
24
-сети - сети нового поколения и новых возможностей; сети, в которых каждый абонентский терминал является узловым элементом. Сети такого типа представляют собой слож- ные телекоммуникационные системы с возможностями автоматического разворачивания; динамического выбора топологии; самовосстановлением при сбоях и другими уникальными возможностями.
24
Mesh - сетка.
20

Рис. 1.5: Пример взаимодействия устройств в рамках mesh-сети
21

Лекция 2
Поколения беспроводных АССиПД
2.1 0G: предшественники мобильных сетей связи
В качестве сетей 0G
1
рассматриваются все сети радиотелефонии,
функционирующие совместно с ТфОП
2
и имеющие собственные ТфОП- номера для каждого из абонентов. Первой коммерческой сетью такого рода являлась сеть MTS
3
, развернутая совместно Motorola и Bell Systems в США в 1946 году. Другими известными сетями нулевого поколения яв- ляются A-Netz (1952 г., Западная Германия); Bell System IMTS (США,
1962);

Алтай

(Россия, 1963-1965); Autoradiopuhelin (Финляндия, 1971).
Рис. 2.1: Мобильная станция поколения 0G производства Bell Systems
1
G – generation - номер поколения мобильных сетей связи.
2
ТфОП - телефонная сеть общего пользования
3
MTS - Mobile Telephony Service - услуги мобильной телефонии.
22

2.2 1G: 1-е поколение мобильных сетей связи
-

аналог

С 1-го по 3-е поколение мобильных сетей связи между терминами

мобильный

и

сотовый

можно поставить фактический знак равен- ства - подавляющее большинство сетей, подходящие под характеристики данных поколений имеют сотовую топологию построения.
Все системы 1G были аналоговыми, т.е. использовали в процессе приема-передачи информации и голоса исключительно аналоговые сигна- лы. Основным отличием от сетей 0-го поколения являлась независимость от инфраструктуры ТфОП (при этом обеспечение полной совместимости схем абонентской адресации) и исполнение абонентских терминалов в ви- де носимых и наладонных устройств-

трубок

. К сожалению, благодаря использованию исключительно аналоговых сигналов множество недостат- ков сетей 0-поколения плавно перешли в сети 1G:
• Высокая мощность передатчиков, зачастую небезопасная для чело- веческого организма;
• Существенные массо-габаритные характеристики абонентских тер- миналов;
• Доступность лишь одного вида услуг - дуплексной (а зачастую - и лишь симплексной) передачи речи;
• Возможность прослушивания радиоканала;
• Высокая чувствительность к помехам;
• Малая системная емкость - возможное количество одновременно ак- тивных пользователей.
Работы по созданию первых стандартов поколения 1G начались в 70-х годах. Первый единый стандарт сотовой связи получил название NMT-
450 4
; функционировал в диапазоне 450 МГц и с 1981 и вплоть до начала
XXI-века эксплуатировался в Швеции, Финляндии, Исландии, Дании и
Норвегии. В Россию данный стандарт пришел после распада СССР в са- мом начале 90-х годов и являлся федеральным стандартом сотовой связи
4
Nordic Mobile Telephone - система мобильной телефонии северных стран.
23

(наряду с GSM) вплоть до 2005-2006-го годов. Наиболее известные сото- вые операторы данного стандарта в России -

СОТЕЛ

, Delta Telecom и др.
Рис. 2.2: Мобильная станция поколения 1G производства Nokia
Вышедшие чуть позже, но ставшие наиболее массовыми сетями 1-го поколения стали сети AMPS
5
- запущенные в эксплуатацию в 1983 г. в
США. Третьим по популярности, но не получившим долженствующего развития стал стандарт TACS
6
, первая сеть которого была развернута в
Соединенном Королевстве в 1985 г.
Рис. 2.3: Мобильные станции AMPS (слева) и TACS (справа)
5
AMPS - Advanced Mobile Phone Services - расширенные услуги мобильной телефонии.
6
Total Access Telecommunication System - всеобщая система доступа к телекоммуникаци- онным услугам.
24