Сравнительный анализ технологий мобильной связи

План

• 1.1. Что такое мобильная связь.
• 1.1. 1.Виды систем мобильной связи.
• 1.2. Историческая справка.
• 1.2.1. Основные даты.
• 1.2.2. Три поколения сотовой связи.
• 1.3. Состояние дел в области мобильной связи в настоящее время.
• 1.4. Основы построения сотовых сетей связи.
• 1.4.1. Особенности построения ССПР.
• 1.4.2. Использование частотного ресурса.
• 1.1. Что такое мобильная связь
• 1.1.1. Виды систем мобильной связи

Пейджинговые системы – системы персонального радиовызова (СПРВ), обеспечивающие в своем подавляющем большинстве одностороннюю передачу информации в пределах обслуживаемой зоны. СПРВ – совокупность технических средств, через которые с помощью сетей связи общего (ведомственного) пользования происходит передача по радиоканалу сообщений ограниченного объема. Обычно на экране пейджера размещено несколько сотен знаков (букв, цифр). Пейджинговая связь существенно дешевле сотовой связи, поэтому до сих пор сохраняет свое присутствие на рынке. Однако развитие пейджинговых систем находится под сомнением из-за постоянного роста услуг сотовой телефонии.

Сотовые системы – наиболее массовое средство мобильной связи. В марте 2002 г. был утвержден Генплан развития сети GSM в России. В настоящее время число ее абонентов (1200 млн) практически сравнялось с числом абонентов стационарной телефонной сети общего пользования (ТфОП). Подавляющее большинство из них – абоненты стандарта GSM 824 млн (69 %) -это каждый 7-й житель Земли. В России на конец 2002 г. 16,5 млн (92 %) – это абоненты GSM. Телефонная плотность в России: 12,2 человек на 100 жителей (на конец 2002 г.), что приближается к телефонной плотности ТфОП.

«На фоне снижения объема продаж числа мобильных телефонов в мире в общем на 16 % (у Ericsson 22 %) увеличивается количество услуг (далее это будет обсуждаться). В России продолжается бурный рост числа абонентов: ежегодно примерно на 121 %. Лидеры в этом процессе: Приволжский регион – прирост абонентов на 193 %, Уральский – на 172 %, Сибирский -на 167 %. Три крупнейших оператора практически захватили более % рынка (81 %); МТС – 37 %, Вымпелком – 28 %, «Мегафон» – 16 %, остальные компании несколько меньше указанных, например услугами СМАРТС пользуются 3,2 % всех абонентов сотовой связи в России. Тенденции роста сохраняются. Далее более подробно будут рассмотрены сотовые системы связи как наиболее массовое средство мобильной связи.

Современные транкинговые системы связи мало чем отличаются от сотовых систем. Их основное назначение – обеспечение надежной связью корпоративных пользователей (армия, МВД, медицина, службы спасения, транспорт, крупные производственные комплексы и т. п.). Название «транкинговые системы» происходит от английского слова trunk – пучок. Под термином «транкинг» понимается метод равного доступа абонентов к общему выделенному пучку каналов связи, при котором конкретный канал закрепляется для каждого сеанса связи индивидуально в зависимости от распределения нагрузки в системе.

Основными особенностями транкинговых систем по сравнению с сотовыми являются:

• • более надежные системы защиты от несанкционированного доступа (например, в стандарте TETRA три степени защиты),
• • большая скорость установления вызова (в стандарте TETRA менее 1сек, в GSM много больше),
• • специфические услуги, например коллективный вызов, связь АС—»АС минуя базовую станцию и т. д.

До последнего времени в России получали распространение сравнительно несовершенные зарубежные стандарты LTR, SmartTrunk, MPT-1327 и др., а также отечественные стандарты «Валемонт», «Алтай». Они по своим характеристикам заметно уступают цифровым стандартам типа TETRA, IDEN, Arco 25, по сути приближающимся к современным сотовым сетям.

В 2002 г. Приказом Министерства по связи и информатизации была образована рабочая группа из представителей потенциальных заказчиков системы: Министерства Российской Федерации по связи и информатизации (с 2004 по 2008 гг. – Министерство информационных технологий и связи Российской Федерации, с 2008 г. по настоящее время – Министерство связи и массовых коммуникаций Российской Федерации), Минобороны, Министер ство путей сообщений, РАО ЕЭС, ФГУП «ГРЧЦ», Минтранс, ФСБ, МВД, Связьтранснефти, НИИРа, ГСПИ РТВ, СОНИИРа, «Гипросвязи», РАСУ по разработке проекта Тетрарус – российского варианта системы TETRA.

Разработанное ТЗ определяет следующие организации в качестве исполнителей системного проекта «Тетрарус»: «Гипросвязь» (головной исполнитель), ЦНИИС и НИИР.

Системы абонентского доступа обеспечивают организацию абонентского доступа с использованием радиоканала к телефонным сетям общего пользования и сетям передачи данных. В литературе для таких систем получил распространение термин WLL (Wireless Local Loop).

Речь идет о системах осуществляющих телефонную связь с мобильным либо стационарным телефонным аппаратом, которые соединены радиоканалом с фиксированной базовой станцией, которая, в свою очередь, подключена к АТС телефонной сети общего пользования (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема подключения БС к АТС телефонной сети общего пользования

Основные преимущества:

• изкие расходы на строительство и эксплуатацию (снижение до 25% в год по сравнению с ТфОП) по сравнению с ТфОП (экономия на кабельных материалах и строительстве – особенно земляные работы);

• • ыстрота развертывания (это позволяет ускорить получение доходов от эксплуатации и вложить их в развитие сети);
• • азнообразие конфигурации сети и возможность допустить неопределенность в прогнозировании трафика.

Области применения весьма обширны, основные из них следующие:

• • телефонная связь (например, система Tangra (Франция), диапазон частот 864,1-868,1 МГц);
• • офисная, домашняя, телефонная связь (например, стандарт DECT -Digital Enhanced Cordless Telecommunication, используется обычно на сравнительно малых расстояниях, диапазон частот ~ 1900 МГц);
• • передача данных (DRMASS (Япония), фирма NEC, диапазон частот 1,5 ГГц, 2,4 ГГц, возможна работа в диапазонах 10 ГГц, 15 ГГц, используется для сбора данных на нефтегазопроводах).

Спутниковые системы мобильной связи появились более 20 лет назад (первая глобальная система мобильной радиотелефонной связи разработана компанией Comsat в середине 70-х годов – геостационарный космический аппарат (КА) Marisat). Это система «Инмарсат». Существует более 30-ти национальных и международных проектов, основанных на использовании геостационарных низко – и среднеорбитальных КА, наиболее известны следующие из них: международные (Iridium, Globalstar).

Ниже приведены краткие характеристики трех из них.

Iridium имеет 66 КА 6 резервных, 6 орбитальных плоскостей, высоты орбит менее 1000 км. После ввода в строй в 1998 г. просуществовала всего около полутора лет, из-за дороговизны себя не оправдала, сейчас восстановлена с 2001 г. охват связью – весь земной шар.

Globalstar имеет 48 КА 8 резервных, 8-мь орбитальных плоскостей, высоты орбит ~ 1400км. Существует в настоящее время. Зона охвата от 70° южной широты до 70° северной. Российским оператором является ЗАО «ГлобалТел» (три станции сопряжения вблизи городов Москвы, Хабаровска, Новосибирска). Зона покрытия вся Россия. «ГлобалТел» имеет роуминговые соглашения практически со всеми национальными операторами сотовой связи стандарта GSM, международными операторами сотовой связи стандарта Globalstar. Возможно осуществление связи более чем с 50 странами мира. Существуют портативные (мобильные телефоны), мобильные (устанавливаемые на наземных водных и воздушных средствах), фиксированные (устанавливаемые на стационарных объектах), абонентские терминалы. Стационарные терминалы могут работать совместно с АТС учрежденческой и местной связи, системами DECT и др. Кроме голосовой связи, есть асинхронная передача данных, конференц-связь, факсимильная связь на прием, короткие сообщения (SMS), определение местоположения мобильных объектов с помощью навигацион ной спутниковой системы GPS и др. Специальные модемы позволяют создавать распределенные системы управления и связи для месторождений нефти, газа, трубопроводов шельфовых платформ и т. п. Стоимость телефона -700 $, одна минута разговора 1,39 $.

«Инмарсат» создана в 1979 г. (ветеран спутниковой связи). Каждый спутник обеспечивает связь приблизительно на 1/3 земной поверхности и стратегически расположен над одним из четырех океанов. Для совершения звонка телефон системы «Инмарсат» настраивается на один из спутников. Первоначально система была ориентирована на связь с морскими судами и обладала высокой надежностью, т. к. обеспечивала среди прочих сигналы SOS. В настоящее время на орбите находятся спутники 3-го поколения.

В настоящее время обслуживает не только абонентов на море, но и на суше. Терминалы популярного стандарта «Инмарсат» – «Инмарсат мини -М» имеет вес около 2 кг, цену 3000 $, стоимость минуты разговора 2,5 S. Есть версии для железнодорожного вагона, автомобиля, судна, яхты. Имеет услуги: телефон, факс, электронная почта, передача данных, телекс, GPS -спутниковая навигационная система позволяющая определить местоположение объекта (Global Pocishion Mobile).

• 1.2. Историческая справка
• 1.2.1. Основные даты. Сотовая связь еще очень молода – ее окончательная идея была сформулирована в 1971 году в США как ответ на насущную необходимость развития широкой сети радиотелефонной связи с подвижными объектами в условиях жестких ограничений на доступные полосы частот (впервые идея была высказана в 1947г. Д. Рингом, США). Однако этому, можно сказать, революционному скачку предшествовал пятидесятилетний период эволюционного развития, в течение которого осваивались различные частотные диапазоны и совершенствовалась техника связи.

Первое использование радиотелефонной связи с подвижными объектами в США относится к 1921 году. Полиция города Детройта использовала одностороннюю диспетчерскую связь в диапазоне 2 МГЦ для передачи информации от центрального передатчика к приемникам, установленным на автомашинах. В 1933 году полиция города Нью-Йорка начала использовать систему двухсторонней радиотелефонной связи с подвижными объектами также в диапазоне 2 МГц. В 1934 году Федеральная комиссия связи США выделила для радиотелефонной связи с подвижными объектами диапазон 30-40 МГц, и в 1940 году радиотелефонной связью пользовались уже около 10 тысяч полицейских машин. Во всех этих системах использовалась амплитудная модуляция. Частотная модуляция начала применяться с 1940 года и к 1946 году полностью вытеснила амплитудную. Первый общественный подвижный радиотелефон появился в 1946 году (Сент-Луис, США; фирма Bell Telephone Laboratories), в нем использовался диапазон 150 МГц. В 1955 году начала работать 11-канальная система в диапазоне 450 МГЦ. Обе системы были симплексными и в них использовалась ручная коммутация. Автоматические дуплексные системы начали работать соответственно в 1964 году (150 МГц) и в 1969 год (450 МГц).

Аналогичным образом, но с естественными отличиями и в меньших масштабах развивалась ситуация и в других странах. Так, в Норвегии общественная радиотелефонная связь использовалась в качестве мобильной морской связи с 1931 года; в 1955 году в стране было 27 береговых радиостанций. Наземная мобильная связь начала развиваться после Второй мировой войны в виде частных сетей с ручной коммутацией. Таким образом, к 1970 году радиотелефонная связь с подвижными объектами, уже получила достаточно широкое распространение, но с другой стороны – явно не успевала за быстро растущими потребностями, при ограниченном числе каналов в жестко определенных полосах частот. Выход был найден в виде системы сотовой связи, что позволило резко увеличить емкость за счет повторного использования частот в системе с ячеечной структурой.

Конечно, как это бывает в жизни, отдельные элементы системы сотовой связи существовали и раньше. В частности, некоторое подобие сотовой системы использовалось в 1949 году в городе Детройте (США). Диспетчерская связь такси – с повторным использованием частот в разных ячейках при ручном переключении каналов пользователями в ранее оговоренных местах. Однако архитектура той системы, которая сегодня известна как система сотовой связи, была изложена только в техническом докладе компании Bell System, представленном в Федеральную комиссию связи США в декабре 1971 года. Следует, однако, отметить, что сама идея сотовых сетей была выдвинута Д. Рингом в США еще в 1947 году. Таким образом, начало развития собственно сотовой связи можно полагать 1971 год. С середины восьмидесятых годов ее развитие становится особенно бурным.

В 1974 году Федеральная комиссия связи США приняла решение о выделении для сотовой связи полосы частот в 40 МГц в диапазоне 800 МГц; в 1976 году к ней было добавлено еще 10 МГц в том же диапазоне. В 1977 году в городе Чикаго начались испытания первой опытной системы сотовой связи на 2 тысячи абонентов. Поэтому 1977 год можно считать годом начала практического применения сотовой связи. Первая коммерческая система практического применения сотовой связи была введена в эксплуатацию также в Чикаго в октябре 1979 года компанией American Telephone and Telegraph (AT&T).

В Скандинавских странах (Дания, Норвегия, Швеция, Финляндия) – сотовая связь используется с 1981 года, в Испании и Англии – с 1982 года. По состоянию на конец 2002 года сотовая связь работала практически во всех странах континентов, обслуживая более 1200 миллионов абонентов.

В России связь с подвижными объектами можно считать развивается с 1952 года, когда, разработанные Воронежским научно-исследовательским институтом связи радиостанции начали выпускать серийно. Первая система связи с подвижными объектами «Алтай» в СССР была разработана в 1962 году.

Сотовая связь в России начала внедряться с 1990 года и получила коммерческое использование – с 1991 года, к концу февраля 2003 года число абонентов преодолело рубеж 20 млн

• 1.2.2. Три поколения сотовой связи. Несмотря на то, что история сотовой связи насчитывает лишь немногим более 20 лет, за этот период с ней успели произойти довольно существенные изменения, и не только количественные, но и качественные которые продолжаются и в настоящее время. Это дает основание говорить, с известной степенью условности, о трех поколениях систем сотовой связи:
  • • первое поколение – аналоговые системы, уходящие в прошлое;
  • • второе поколение – цифровые системы сегодняшнего дня;
  • • третье поколение – универсальные системы мобильной связи недалекого будущего.

Все первые системы, или, как часто говорят стандарты, сотовой связи были аналоговыми. К ним относятся (ниже рассмотрены основные три):

• 1) AMPS (Advanced Mobile Phone Service – усовершенствованная мобильная телефонная служба, диапазон 800 МГц) использовался в США, Канаде, Центральной и Южной Америке, Австралии; используется до сих пор в России в качестве регионального стандарта (в основном в цифровой модификации D-AMPS – Digital AMPS);
• 2) TACS (Total Access Communications System – общедоступная система связи, диапазон 900 МГц) – использовалась в Англии, Италии, Испании, Австрии, Ирландии с модификациями ETACS (Англия) и JTACS/ NTACS (Япония); это второй по распространенности стандарт среди аналоговых; еще недавно, в 1995 году, он занимал и общее второе место в мире по величине абонентской базы, но и в 1997 году был оттеснен на четвертое место более быстро развивающимися цифровыми стандартами;
• 3) NTM 450 и NTM 900 (Nordic Mobile Telephone – мобильный телефон северных стран, диапазоны 450 и 900 МГц соответственно) – используется в Скандинавии и во многих других станах; известен также как «скандинавский стандарт», третий по распространенности среди аналоговых стандартов мира; стандарт NTM 450 является одним из двух стандартов сотовой связи, принятых а России в качестве федеральных.

Во всех аналоговых стандартах применяются частотная модуляция для передачи речи и частотная манипуляция для передачи информации управления (или сигнализации – signaling). Для передачи информации различных каналов используются различные участки спектра частот – применяется метод множественного доступа с частотным разделением каналов (Frequency Division Multiple Access – CDMA); с полосами каналов в различных стандартах от 12,5 до 30 кГц. С этим непосредственно связан основной недостаток аналоговых систем – относительно низкая емкость являющаяся прямым следствием недостаточно рационального использования выделенной полосы частот при частотном разделении каналов. Этот недостаток стал очевиден уже к середине 80-х годов, в самом начале широкого распространения сотовой связи в ведущих странах, и сразу же значительные силы были направлены на поиск более совершенных технических решений. В результате этих усилий и поисков появились цифровые системы второго поколения. Переход к цифровым системам сотовой связи стимулировался также широким внедрением цифровой техники в связь в целом и значительной степени был обеспечен разработкой низкоскоростных методов кодирования и появлением сверхминиатюрных интегральных схем для цифровой обработки сигналов.

Вместе с тем переход к цифровым системам натолкнулся и на известные трудности, так как в США аналоговый стандарт AMPS получил столь широкое распространение, что прямая замена его цифровым оказалась практически невозможной. Поэтому были разработаны промежуточные аналогово-цифровой стандарт IS-54 (D-AMPS) и цифровой стандарт IS-136 (IS – сокращение от Interim Standard, т. е. «промежуточный стандарт»), при этом была сохранена совместимость с AMPS, но повышена емкость канала управления и заметно расширены функциональные возможности системы.

Стандарт GSM (подробный разговор, о котором пойдет ниже), продолжая совершенствоваться технически (последовательно вводимые фазы 1,2,2 ), в 1989 году пошел на освоение нового частотного диапазона 1800 МГц. Это направление известно под названием системы персональной связи. Отличие от исходной системы GSM 900 не столько техническое, сколько маркетинговое при технической поддержке: более широкая полоса частот в сочетании с меньшими размерами сот позволяет строить сотовые сети значительно большей емкости, и именно расчет на массовую систему мобильной связи с относительно компактными, легкими, удобными и недорогими абонентскими терминалами был заложен в основу этой системы. Соответствующий стандарт (в виде дополнений к исходному стандарту GSM 900), был разработан в Европе в 1990-1991 годах. Система получила название DCS 1800 (Digital Cellular System – цифровая система сотовой связи; первоначально использовалось также наименование PCN – Personal Communication

Network, что в буквальном переводе означает «сеть персональной связи») и начала использоваться с 1993 года. В 1996 году было принято решение именовать ее GSM 1800. В США диапазон 1800 МГц оказался занят другими пользователями, но была найдена возможность выделить полосу частот в диапазоне 1900 МГц, которая получила название систем персональной связи (Personal Communication System – PCS), в отличие от диапазона 800 МГц, за которым сохранено название сотового (celluar). Освоение диапазона 1900 МГц началось с конца 1995 года; работа в этом диапазоне предусмотрена стандартом D-AMPS (версия IS-136, но аналогового AMPS в диапазоне 1900 МГц уже нет), и разработана соответствующая версия стандарта GSM («американский GSM 1900» -стандарт IS-136).

Все перечисленные выше цифровые системы второго поколения основаны на методе множественного доступа с временным разделением каналов (Time Division Multiple Access – TDMA). Однако уже в 1992-1993 годах в США был разработан стандарт системы сотовой связи на основе метода множественного доступа с кодовым разделением каналов (Code Division Multiple Access – CDMA) – стандарт IS-95 (диапазон 800 МГц). Он начал применяться с 1995-1996 годов в Гонконге, США, Южной Корее, причем в Южной Корее наиболее широко (разработчик – фирма «Samsung»), а в США начала использоваться версия этого стандарта для диапазона 1900 МГц (разработка фирмы «Qualcomm»). Направление персональной связи нашло свое преломление и в Японии, где в 1991-1992 годах была разработана и с 1995 года начала широко применяться система PHS диапазона 1800 МГц (Personal Handyphone System -буквально «система персонального ручного телефона»).

Таким образом, основными цифровыми стандартами сотовой связи можно считать следующие:

• • D-AMPS (Digital AMPS – цифровой AMPS; диапазоны 800 МГц и 1900 МГ ц); иногда употребляется наименование N A TDM А – «североамериканский TDMA»;
• • GSM (Global System for Mobile communications – глобальная система мобильной связи, диапазоны 900,1800 и 1900 МГц) – это уже второй по распространенности стандарт мира, обслуживающий более четверти всех абонентов;
• • CDMA (Code Division Multiple Access – множественный доступ с кодовым разделением каналов, диапазоны 800 и 1900 МГц).

Дальнейшее развитие сотовой подвижной связи осуществляется в рамках создания проектов систем третьего поколения, которые будут отличаться унифицированной системой радиодоступа, объединяющей существующие сотовые и «бесшнуровые» системы с информационными службами XXI века. Они будут иметь архитектуру единой сети, и предоставлять связь або нентам в различных условиях, включая движущийся транспорт, жилые помещения, офисы и т. д. В Европе такая концепция, получившая название «Универсальная система электросвязи» (Universal Mobile Telecommunications System – UMTS), предусматривает объединение функциональных возможностей существующих цифровых систем связи в единую систему третьего поколения, называемой Наземной системой мобильной общественной электросвязи будущего (Future Public Land Mobile Telephone System – FPLMTS), с предоставлением абонентам стандартизированных услуг подвижной связи общего пользования ведутся Международным союзом электросвязи.

1.3. Состояние дел в области мобильной связи в настоящее время

Несколько последних лет сотовая связь бурно развивается, преодолев по количеству абонентов рубеж более 1 млн и приблизившись к числу абонентов стационарной телефонной сети. В России число абонентов мобильной связи – более 20 млн, ежегодно увеличиваясь более чем в два раза. Примерно 2/3 мобильных телефонов принадлежат стандарту GSM. В России их более 90 %.

Практически полностью исчезают аналоговые стандарты AMPS и NTM. Они еще есть в странах Восточной Европы и СНГ, насчитывая всего несколько миллионов абонентов.

Расширяются системы с кодовым разделением сигналов CDMA. Они обладают наиболее высоким качеством.

Такое бурное расширение мобильной связи объясняется резким уменьшением стоимости трафика и подключения на 1-2 порядка за последние несколько лет (с единиц и тысяч долларов до единиц центов и десятков долларов). Другой причиной роста является рост числа услуг: мобильный Интернет, электронная коммерция, передача данных, короткие сообщения и др.

Движение к 3-му поколению оказалось весьма сложным. Слепая вера в перспективу сетей третьего поколения заставил забыть ведущих операторов сотовой связи в мире о благоразумии. В ряде европейских стран за лицензии было выплачено казне до нескольких десятков миллиардов долларов (в Великобритании – примерно 35 млн $, в Германии – 45 млн $). Однако спрос на услуги третьего поколения оказался намного меньше. До сих пор основная потребность – голосовой трафик. В России имеется несколько опытных зон эксплуатации систем сотовой связи 3-го поколения. Появились рекомендации по организации систем сотовой связи 3-го поколения силами нескольких операторов, так как одному оператору трудно собрать необходимые средства.

Прежде чем рассматривать состояние дел в области мобильной связи в настоящее время следует сказать несколько слов о развитии новых технологий вообще и телекоммуникаций в частности. Существует два основных закона, характеризующих развитие новых технологий. Они сформулированы на основе изучения большого объема данных, собранных в течение длительного времени. Первый закон развития науки, техники, технологий, товаров и услуг – логистический закон развития (логистика – синоним термина «математическая логика» и представляет собой раздел математики). Второй – основной закон спроса на товары и услуги – закон Парето, или правило 20/80.

Логистический закон разделяет процесс внедрения новой технологии на периоды инноваций, роста и насыщения рынка. Пока идет инновационный процесс, результативность технологии практически нулевая, затем наблюдается медленный подъем, связанный с продвижением технологии на рынок, после чего начинается бурный рост, переходящий в конце концов в этап насыщения. Хорошей иллюстрацией логистического закона является изменение числа мобильных телефонов в мире и в частности в России (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Изменение числа мобильных телефонов в мире в целом и в России в частности

Закон Парето устанавливает связь между экономическим состоянием страны или группы населения, их благосостоянием, производительностью труда, его определяющей и спросом на услуги связи.

На рис. 1.3 представлено распределение валового национального продукта (ВНП) в расчете на душу населения и мобильных телефонов в расчете на 100 жителей для случая разбиения населения всего мира на три группы.

Рис. 1.3. Распределение валового национального продукта (ВНП) в расчете на душу населения и мобильных телефонов в расчете на 100 жителей

Нормирование по обеим осям производится в процентном отношении. Распределение получено путем последовательного применения «Правила 20/80». Статистика показывает, что такое соотношение концентрации усилий наблюдается во всех областях человеческой деятельности, в том числе и в науке. Как следует из рис. 1.3, наиболее богатая группа населения, составляющая около 15 % обладает 80 % ВНП и примерно 70 % мобильных телефонов.

Теперь можно оценить перспективы развития тех или иных направлений мобильной связи. Начнем с наиболее массового – сотовой связи, получившей широкое распространение. По итогам 2001 г. объем продаж мобильных телефонов в мире впервые за всю историю существования отрасли снизался на 3,2 % до 399 млн штук. И это притом, что с 1996 г. по 2000 г. рынок рос в среднем на 60 % ежегодно. Ведущие фирмы мира понесли существенные убытки: Ericsson – 1,98 млн $, Alcatel – 4,96 млн Є, Motorola – 3,94 млн $, Nortel Networks – 2,7 млн $, NEC – 150 млн йен. Не оказались в убытке только Nokia и Siemens. Тенденция сохранилась и в 2002 г. Спад рынка в 2002 г. составил около 16 %, наибольший у Ericsson – 22 %, потери которого составили 3,8 млн $. И это несмотря на то, что общее количество проданных мобильных телефонов – около 417^120 млн Некоторый рост объяснялся ростом продаж в Азиатско-Тихоокеанском регионе. В целом можно сказать, что в 2002 г. по сравнению с 2001 г. темпы спада несколько замедлились, но сама тенденция не пропала. Замедление темпа связано с несколькими факторами:

• • покупкой новых аппаратов с дополнительными услугами и лучшим качеством (например, с цветными дисплеями стандарта CDMA);
• • сменой изношенных аппаратов, половина телефонов куплена в 2002г. на замену,
• • увеличением числа сотовых телефонов в одной семье, в США и Европе количество телефонов в семье определяется таблицами 1,2.

Лидером производства телефонов остается фирма Nokia: она производит 44,4 % «трубок» формата GSM и 9,4% – CDMA (Samsung – лидер производства телефонов CDMA 273 %)•

Падение доходов в традиционной области заставляет операторов искать новые виды услуг. Расширяются услуги коротких сообщений SMS (Short Message Service), мультимедийных сообщений MMS (Multimedia Service), протокола беспроводных приложений WAP (Wireless Applications Protocol), обеспечивающий открытый стандарт доступа к IP – сети непосредственно с мобильного терминала, высокоскоростной передачи данных (GPRS -General Packet Radio Service – общая радиослужба пакетной передачи). В настоящее время более 140 коммерческих сетей уже поддерживают услугу GPRS. Доход от передачи услуг SMS в 2002 г. составил в мире 18,9 млн $. К середине 2003 г. число владельцев MMS телефонов в Европе составило примерно 2 %, а к концу года – 8 %. Число абонентов, выходящих с помощью сотового телефона в сеть Интернет в США в 2001 г. составило около 22 %, а в 2002 г. – уже 39 %. Количество пользователей, проявляющих интерес к инновационным сервисам, в Европе составило 42 %.

Рост среднего количества сотовых телефонов в домах у жителей США в целом и в одной семье в частности представлен в табл. 1.1. и 1.2.

Таблица 1.1

Среднее количество телефонов в одной семье

Таблица 1.2

Количество сотовых телефонов в домах жителей США, в %

Другим направлением поиска новых видов услуг является резкое расширение нетрадиционных услуг передачи данных (охрана, определение местоположения мобильных объектов, мониторинг различных величин, управление объектами на расстоянии и т. п.). Общая идея организации таких услуг иллюстрируется рис. 1.4.

Рис. 1.4. Схема развития нетрадиционных услуг передачи данных

Сигнал датчика преобразуется в АЦП в цифровой, далее поступает в модем, преобразующий его в сигнал стандарта сотовой связи (например, GSM) и затем передается диспетчеру для обработки и принятия решения. Все ска занное выше ведет к росту нетрадиционных услуг (например, в Японии около 20-25 % доходов услуг мобильной связи составляют нетрадиционные услуги мобильной связи). Еще совсем недавно они составляли единицы процентов.

Если операторы мобильной связи развитых стран подходят к третьему этапу – насыщению в соответствии с логическим законом, то российские операторы до стадии насыщения еще не дошли. Только за февраль 2003 г. общее число новых подключений мобильных телефонов составило 1,17 млн, т. е. выросло на 6 %.

Характерным подтверждением правила Парето является Северо-Западный регион России. Он является вторым после Москвы по общему уровню проникновению – 24 % (в среднем по России 14 %) и 37 % в Петербурге на конец февраля 2003 г. Это в первую очередь является следствием высокой торгово-экономической активности. Средний ежемесячный доход населения на Северо-Западе -171 $ (в среднем по России 143 $), 21 % доходов население тратит на услуги (в среднем по России 15 %). Из приведенных данных становится очевидно, что развитие новых технологий, в частности мобильной связи, строго коррелировано с экономическим развитием региона.

О третьем поколении мы говорили в разделе «Что такое мобильная связь». Сейчас эйфория по его быстрому внедрению проходит. Цифры, подтверждающие необоснованность надежд на быстрое внедрение, мы приведем ниже. Прогноз по внедрению WAP и UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) технологий, сделанный в 1999 г. не оправдался к 2001 г. (прогноз по WAP – 33 %, реально 3 %, прогноз по UMTS -1 млн абонентов, реально – 0).

Вероятно, следует сказать и о ситуации, возникшей в России со стандартом CDMA. До недавнего времени в России были разрешены только однозоновые системы на базе стандарта CDMA. Однако поскольку необходимо было искать какой-то выход со стандартом NTM, т. е. чем-то его заменять, то было разрешено получать лицензии на системы CDMA-450 – в диапазоне частот около 450 МГц. К этому времени была разработана аппаратура CDMA 2000, в частности фирмой Lucent Technologies. В настоящее время в Санкт-Петербурге начата коммерческая эксплуатация системы Sky Link около 60-ти базовых станций.

1.4. Основы построения сотовых сетей связи

Любой сигнал в системах связи можно характеризовать тремя измерениями. Первое измерение – частота или ширина спектра сигнала. Второе -время или длительность сигнала. Третье – энергия или мощность сигнала. В ССПР используют принцип многоканальной передачи сообщений. При этом по общему передают большое число сигналов индивидуальных абонентов, поступающих по индивидуальным каналам. Разумеется, многоканальная передача возможна в тех случаях, когда пропускная способность общего канала не меньше суммарной производительности индивидуальных абонентов в каждый данный момент времени которые являются независимыми источниками информации. На рис. 1.5 приведена структурная схема системы многоканальной связи.

Рис. 1.5. Структурная схема системы многоканальной связи

Сообщения a_x(t), a₂(t)… a_n(t) каждого источника сигнала ИС_р ИС₂… ИС_п с помощью индивидуальных передатчиков П_р П₂ … Пп преобразуются в соответствующие канальные сигналы .^(z), ,v₂(z),…, s_n(t) (например, аналоговые или цифровые). Совокупность канальных сигналов образует групповой сигнал s(t). Наконец групповой сигнал s(t) преобразуется передатчиком или передатчиками группового сигнала П _с в сигнал общего канала.?(/). На приемном конце сигнал поступает на индивидуальные приемники Пр_р Пр² … Прп из группового сигнала s(t) выделяют соответствующие канальные сигналы «](?), 5₂(z) … s (t), которые преобразуются демодуляторами D_p D₂… D_n в сигналы .?,(/), s₂(t) … ,s_n(z), предназначенные для абонентов.

Источники сигналов, индивидуальные передатчики, приемники и демодуляторы расположены в телефонной трубке абонента. Передатчик, передатчики группового сигнала – на базовой станции. Сигналы s_ps₂ … и s_p s₂… s_n передаются по радиоканалам. Следует указать, что рассмотренная выше структурная схема ССПР приведена в упрощенном виде с целью пояснить способы формирования и разделения сигналов.

Чтобы индивидуальные приемники могли выделить соответствующий сигнал отдельного канала, должны существовать определенные признаки, присущие только данному сигналу. Таким признаком может быть концен трация энергии сигнала на определенной частоте, в определенном диапазоне частот или в конкретном временном интервале, или в конкретном сигнале определенной формы (с определенным кодом).

Самый простой метод, исторически возникший первым в ССПР – частотное разделение FDMA (Frequency Divition Multiple Access). В каждом сеансе связи за абонентом закрепляется узкая полоса частот, то есть метод манипулировал первым измерением – полосой частот. Этот метод получил распространение в аналоговых стандартах ССПС, использующих аналоговые сигналы. В рабочих каналах, передающих информацию от абонента к абоненту, обычно используют частотную модуляцию. В каналах управления используются цифровые сигналы.

Известны и в разное время получили достаточно широкое распространение девять основных аналоговых стандартов. Некоторые из них используются и в настоящее время, в частности, в России NTM 450 (Nordic Mobile Telephone) и AMPS в качестве федерального и регионального стандартов, утвержденных соответствующими документами Министерства связи. Диапазоны частот, используемые аналоговыми стандартами, лежат в районе 450, 800 МГц.

Второе измерение параметров сигнала – время легло в основу временного метода разделения каналов связи TDMA (Time Division Multiple Access). Абонент получает в частотном канале определенные по длительности временные окна, которые он использует для передачи информации. В стандарте GSM используется частотно-временное разделение каналов связи. Восемь временных окон составляют кадр длительностью 4,615 мс, в свою очередь кадры объединяются в мультикадры, суперкадры и гиперкадры, длительность периода гиперкадра Зч. 28 мин. 53 сек. 760 мс и он состоит из 2 715 647 кадров (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Структура длительности кадров

Таким образом, каждый частотный канал состоит из восьми физических каналов. Абонент использует одно и тоже временное окно во время сеанса связи. Описанный метод получил распространение в цифровых стандартах ССПР, таких, как широко распространенный в Европе стандарт GSM, в США – D-AMPS (иногда называется ADC), ^в Японии – JDC (PDC). В них, и в рабочих, и в каналах управления используются цифровые сигналы. Стандарт GSM используется в качестве федерального стандарта в России. Цифровые стандарты используют диапазоны частот 800, 900, 1800, 1900 МГц.

Наконец, признаком, присущим только данному сигналу и позволяющему выделить его среди других, является его форма (или код). Метод, основанный на кодовом разделении каналов связи называется CDMA (Code Divition Multiple Access). Основная идея метода заключается в том, что в одной и той же полосе частот можно передавать сигналы, не влияющие друг на друга. Это ансамбль сигналов, свободных в точке приема от взаимных влияний друг на друга. Исходный сигнал от абонента преобразуется в один из сигналов этого ансамбля. Преобразованный сигнал имеет шумоподобный характер, а занимаемая им полоса частот равна полосе частот, отведенной для ССПС. В отличие от методов FDMA и TDMA, где энергия сигнала концентрируется в заданном диапазоне частот или временном интервале, сигналы, использующие метод CDMA, распределены в непрерывном частотно-временном пространстве. Таким образом, метод с кодовым разделением по сути дела манипулирует и частотой, и временем, и энергией. Образно говоря, каждый абонент «помечается» своим кодом. На приемном конце из группового сигнала выделяют путем сравнения тот канальный сигнал, который соответствует коду конкретного абонента. Международный стандарт IS-95, разработанный в США используется в России. Стандарт использует диапазон частот 800 МГц, причем занятая сигналами полоса частот равна 1,25 МГц. В настоящее время используются и другие стандарты, использующие метод CDMA (например, CDMA2000, WCDMA – широкополосный CDMA).

Основные достоинства метода CDMA связаны с широкополостностью используемых в нем сигналов:

• 1) узкополосная помеха приводит к искажению лишь небольшой части широкополосного сигнала, в то время как при узкополосном сигнале помеха может исказить весь сигнал;
• 2) наличие широкополосного шумоподобного сигнала, обладающего уникальным кодом, обеспечивает высокую скрытность, затрудняет несанкционированный доступ (трудно расшифровать код конкретного абонента). В тоже время выделить необходимый сигнал легко, аналогично выделению речи на знакомом языке из многоязычного разговора;

3) большая емкость (число абонентов) в системе. Например, в стандарте IS—95 шумоподобные сигналы формируются с помощью взаимоортогональных функций Уолша (64 таких функции), т. е. в канале шириной 1,25 МГц одновременно могут работать 64 абонента в области одной базовой станции. Реально из-за процедуры handover одновременно работают 25-30 абонентов. В GSM при полосе частот 200 кГц и 8 временных окон, когда физические каналы работают последовательно во времени, максимальное число каналов 6×8 = 48. Однако, как и в случае CDMA, часть резервируется для handover, и наличие канальных помех требует резервирования каналов. Поэтому реальная емкость даже простейших систем, например IS-95 стандарта CDMA выше GSM .

Кроме указанных вышек, связанных с широкополостностью сигнала, существует еще несколько преимуществ:

• • «мягкий» handover, когда абонент работает не с одной, как в GSM, базовой станцией, а с несколькими, и разрыва связи при переходе в движении абонента от одной базовой станции к другой не происходит;
• • выравнивание мощностей абонентских станций находящихся на разном расстоянии, чтобы более мощные станции не «глушили» менее мощные, т. к. все работают в одном диапазоне, позволяет снизить мощность абонентских станций и сэкономить энергию аккумулятора (мощность CDMA телефона составляет 0,01-200 мВт);
• • может быть с пользой использован фактор многолучевости (в GSM он вреден – создает помехи), для этого информация передается в виде пакетов, следующих друг за другом с интервалом 20 мс (инерционность не воспринимаемая ухом), и в абонентских станциях используются несколько демодуляторов, которые позволяют принимать сигналы, разнесенные из-за многолучевого распространения, и они суммируются.
• 1.4.1. Особенности построения ССПР. Общая структурная схема ССПР, представленная на рис. 1.7, позволяет пояснить одну из важных особенностей работы сотовых сетей, у которых при достаточно узком диапазоне отведенных для использования частот (Af около 5 %) обеспечивается обслуживание большого числа абонентов (сотни тысяч) на сравнительно небольших территориях (размеры даже большого города).

Ее основными элементами являются:

• • центры коммутации подвижной связи – ЦКПС (Mobile Service Switching Center – MSC),
• • базовые станции – БС (Base Station – BS),
• • абонентские станции – AC (Mobile Station – MS).

Рис. 1.7. Общая структурная схема ССПР

Абонентские станции в большинстве своем подвижные (поэтому и называются в зарубежной литературе mobile station). Однако в некоторых случаях таксофоны, беспроводные телефоны общего пользования, телефоны ССПР используются как стационарные. Поэтому далее используется термин «абонентская станция», имеющий более общий характер, чем «подвижная станция».

Через базовые станции и центры коммуникации подвижных станций абоненты ССПР осуществляют связь между собой и с абонентами телефонной сети общего пользования. В общем случая ЦКПС устанавливаются на коммутационных узлах стационарной телефонной сети общего пользования и обеспечивают:

• • переключение пользовательского канала при перемещении АС в занятом состоянии из зоны действия одной БС в зону действия другой,
• • подключения каналов от стационарной телефонной сети общего пользования к конкретной БС,
• • обслуживание вызовов АС при связи их между собой, что позволяет освободить от этого стационарную телефонную сеть общего пользования.

Базовые станции соединяются с ЦКПС кабелем или радиорелейной линией. На базовых станциях располагаются приемопередатчики, сигналы передатчиков покрывают определенную площадь, называемую «сотой». Размеры соты в основном определяются трафиком, условиями распространения радиоволн, диапазоном используемых частот.

Наиболее полно и с наименьшим наложением покрывает площадь, где действует ССПР, ячеистая структура с ячейками правильной шестиугольной формы, которую принято называть сотой (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Ячеистая структура с ячейками правильной шестиугольной формы

Важным отличием ССПР от стационарной телефонной сети общего пользования является то, что в последних абонентская линия закрепляется за абонентом, и она индивидуальна, в то время как в ССПР закрепление двухстороннего радиоканала осуществляется за вызовом, а не за абонентом. Такой подход позволяет более эффективно использовать каждый из радиоканалов, но требует организации дополнительного вызывного канала для адресации входящих вызовов к каждой АС. По этому каналу передается номер вызываемой АС, все АС, находящиеся в свободном состоянии, постоянно контролируют вызывной канал, сравнивая принятый код номера с зафиксированным в памяти. При совпадении номеров АС отвечает и только после ответа АС предоставляется двухсторонний пользовательский радиоканал. Рассмотренное отличие является не единственным обстоятельством позволяющим преодолеть противоречие между узким диапазоном частот, отведенных для использования, и большим числом абонентов.

1.4.2. Использование частотного ресурса. Другой важной особенностью ССПР является решение проблемы экономии спектра радиочастот, что также позволяет преодолеть указанное в предыдущем параграфе противоречие. Проблема решается путем многократного использования выделенного частотного ресурса при пространственном разнесении приемопередатчиков с совпадающими рабочими частотами. Это возможно, поскольку распространение радиоволн в УВЧ диапазоне, где работают ССПР, уверенно обеспечивается в зоне прямой видимости. Для оценки влияния друг на друга сот с одинаковыми частотными каналами, введено понятие соканальных помех, то есть помех по совпадающим частотным радиоканалам. Эффективность использования спектра радиочастот зависит от того, насколько близко могут быть расположены соты с одинаковыми частотными радиоканалами (чем ближе, тем эффективнее использование). Соты можно разделить на группы, имеющие одинаковый частотный план распределения радиоканалов. Они называются кластерами (cluster – в дословном переводе «пучок»). По мере совершенствования ССПР были разработаны различные приемы, позволяющие уменьшить расстояние между сотами с одинаковыми частотными радиоканалами. В результате без увеличения общей полосы частот, отводимой для системы связи, значительно возрастает число каналов связи в перерасчете на одну соту.

Вывод, В лекции рассмотрены все основные виды мобильной связи, используемые для РЭС гражданского назначения, и именно: пейджинговые системы, сотовые системы, транкинговые системы, системы абонентского доступа, а также спутниковые системы мобильной связи. Описаны достоинства и недостатки данных систем. Приведен краткий исторический обзор развития указанных систем от аналоговых к цифровым. Дан анализ состояния дел в области мобильной связи в настоящее время. Представлены этапы развития нетрадиционных услуг передачи данных. В четвертом пункте подробно описаны основы построения сотовых сетей связи и рассмотрены их особенности. Дано описание использования частотного ресурса, а также рассмотрены вопросы его оптимизации.

Вопросы для самопроверки

• 1. Расскажите о существующих видах мобильной связи.
• 2. Перечислите достоинства и недостатки пейджинговых систем.
• 3. Перечислите достоинства и недостатки сотовых систем.
• 4. Перечислите достоинства и недостатки современных транкинговых систем связи.
• 5. Перечислите достоинства и недостатки систем абонентского доступа.
• 6. Перечислите достоинства и недостатки спутниковых систем мобильной связи.
• 7. Назовите основные даты развития сотовой связи
• 8. Укажите три поколения развития сотовой связи.
• 9. Расскажите о состоянии дел в области мобильной связи в настоящее время.
• 10. Основы построения сотовых сетей связи.
• 11. Перечислите преимущества широкополосного сигнала.
• 12. Расскажите об особенностях использовании частотного ресурса.

Литература: 1,13, 22, 23.

Раздел 2

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДИК ОЦЕНКИ АНАЛИЗА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ