Сотовая системы связи

Введение

В настоящее время во многих капиталистических станах, а также в ряде развивающихся стран ведется интенсивное внедрение сотовых сетей связи (ССС) общего пользования. Такие сети предназначены для обеспечения подвижных и стационарных объектов телефонной связью и передачей данных. В ССС подвижными объектами являются либо наземные транспортные средства, либо непосредственно человек, находящийся в движении и имеющий портативную абонентскую станцию (подвижный абонент). Возможность передачи данных подвижному абоненту резко расширяет его возможности, поскольку кроме телефонных сообщений он может принимать телексные и факсимильные сообщения, различного рода графическую информацию (планы местности, графики движения и т.п.), медицинскую информацию и многое другое. Особое значение
ССС приобретают в связи с активным внедрением во все сферы человеческой деятельности персональных компьютеров, разнообразных баз данных, сетей ЭВМ. Доступ к ним через ССС позволит подвижному абоненту оперативно и надежно получить необходимую информацию. Соответственно возрастет и роль систем связи, повысятся требования к качеству передачи информации, пропускной способности, надежности работы.

Увеличение объема информации потребует сокращения времени доставки и получения абонентом необходимой информации. Именно поэтому уже сейчас наблюдается устойчивый рост мобильных средств радиосвязи (автомобильных и портативных радиотелефонов), которые дают возможность сотруднику той или иной службы вне рабочего места оперативно решать производственные вопросы. Радиотелефон перестал быть символом престижа и стал рабочим инструментом, который позволяет более эффективно использовать рабочее время, оперативно управлять производством и постоянно контролировать ход технологических процессов, что обеспечивает дополнительные доходы при использовании радиотелефона в производстве.

Внедрение ССС во многие отрасли народного хозяйства позволит резко повысить производительность труда на подвижных объектах, добиться экономии материально-трудовых ресурсов, обеспечить автоматизированный контроль технологических процессов, создать надежную систему управления транспортными средствами или мобильными роботами, распределенными на большой территории и входящими в состав гибких автоматизированных систем управления.

Использование системы радиосвязи с подвижными объектами можно разделить на следующие классы: ведомственные (или частные) системы подвижной связи (ВСПС); сотовые системы подвижной связи (ССПС); системы персонального радиовызова (СПРВ).

Исторически впервые в эксплуатации появились ВСПС, так как в условиях ограничений на использование радиосвязи возможность ее применения для связи с подвижными абонентами предоставлялась государственным, ведомственным или крупным частным организациям
(полиция, пожарная охрана, такси и т. п.). Для вызова подвижного абонента (внутри ограниченной зоны обслуживания) стали использоваться СПРВ. Появившиеся совсем недавно ССПС являются принципиально новым видом систем связи, так как они построены в соответствии с сотовым принципом распределения частот по территории обслуживания (территориально-частотное планирование) и предназначены для обеспечения радиосвязью большого числа подвижных абонентов с выходом на телефонную сеть

общего пользования (ТФОП). Если ВСПС создавались (и создаются) в интересах узкого круга абонентов, то ССПС за рубежом стали использоваться в интересах широких кругов населения.

Свое название ССС получили в соответствии с сотовым принципом организации связи, согласно которому зона обслуживания
(территория города или региона) делится на большое число малых рабочих зон или сот в виде шестиугольников. В центре каждой рабочей зоны расположена базовая станция (БС), осуществляющая связь по радиоканалам с многими абонентскими станциями (АС), установленными на подвижных объектах, находящихся в ее рабочей зоне. Базовые станции соединены проводными телефонными линиями связи с центральной станцией (ЦС) данного региона, которая обеспечивает соединение подвижных абонентов с любыми абонентами телефонной сети общего пользования (ТФОП) с помощью коммутационных устройств. При перемещении подвижного абонента из одной зоны в другую производится автоматическое переключение канала радиосвязи на новую базовую станцию, тем самым осуществляется эстафетная передача подвижного абонента от передающей к последующей (соседней) базовой станции. Управление и контроль за работой базовых и абонентских станций осуществляется ЦС, в памяти ЭВМ которой сосредоточены как статические, так и динамические данные о подвижных объектах и состоянии сети в целом.

В отличие от централизованных в сотовых сетях подвижной связи радиосвязь базовой станции с абонентской станцией осуществляется в пределах малой рабочей зоны, что позволяет многократно использовать одни и те же частоты в зоне обслуживания. Число абонентов в ССС определяется пропускной способностью и числом БС, равным числу рабочих зон, которое возрастает по квадратическому закону с уменьшением радиуса рабочей зоны R при постоянном радиусе зоны обслуживания R0. Если десять лет назад радиус рабочей зоны в ССС был равен 5-15 км, то в настоящее время он равен 200 м. Так уменьшение радиуса рабочей зоны с 30 до 0,5 км позволит увеличить в 3600 раз число подвижных абонентов, оснащенных радиосвязью и имеющих возможность выхода на ТФОП. Следовательно, эффективность использования спектра радиочастот в ССС во много раз выше, чем в централизованных системах подвижной связи, что позволит в перспективе обеспечить управление большим числом наземных подвижных объектов.

С уменьшением радиуса рабочей зоны появляется возможность уменьшить мощность передатчиков и чувствительность приемников, что значительно улучшит электромагнитную совместимость (ЭМС) абонентов в ССС и ЭМС между ССС и другими системами, использующими определенные спектры радиочастот, а также позволит снизить стоимость и габаритные размеры абонентской станции, обеспечить доступ к базам данных и ЭВМ.

Отмеченные преимущества позволяют уже в настоящее время повысить оперативность управления и контроля в работе подведомственных предприятий и организаций, улучшить качество технологических процессов в системах с большим числом транспортных средств.

Стремительный рост объемов передаваемой информации требует значительного сокращения времени доставки и обработки абонентом необходимой информации. Это одна из причин быстрого роста мобильных средств связи на базе ССС.

Внедрение ССС означает появление принципиально нового вида связи - массовой радиотелесвязи, т.е. нового вида услуг. Уже сейчас абонентский терминал ССС - сотовый радиотелефон (СРТ) - признается многими зарубежными экспертами первичным терминалом, которым абонент пользуется как в стационарном состоянии (дома, на службе), так и в движении. Широкое внедрение портативных СРТ в перспективе позволит обеспечить каждого человека персональным телефоном со своим индивидуальным номером.

Создание систем массовой радиотелесвязи с большим числом подвижных абонентов, большой пропускной способностью и высоким качеством приема сообщений возможно только при использовании сотового принципа построения системы связи. Этим и объясняется повышенный интерес к ССПС.

Действующие в настоящее время зарубежные ССС по сравнению с централизованными сетями имеют следующие преимущества:

- большое число абонентов;

- высокое качество передачи телефонных сообщений и данных;

- возможность связи с ЭВМ и базами данных;

- высокая эффективность использования спектра радиочастот и лучшая электромагнитная совместимость с другими радиотехническими системами.

Использование ССС широким кругом потребителей в отраслях транспорта, связи, энергетики, строительства, сферы обслуживания, ремонта и др. приносит существенный экономический эффект. По оценкам экспертов США ежегодные доходы от внедрения и эксплуатации ССС в США достигают 2 млрд. дол.

Зарубежные эксперты отмечают возможность создания ССС без значительных начальных капитальных затрат. Сначала ССС создаются с крупными рабочими зонами (радиус зон порядка 10 км) и относительно небольшим числом абонентов. По мере поступления доходов и роста числа заявок на СРТ размеры зон уменьшаются и увеличивается число абонентов. При этом постоянно наращивается объем типового оборудования базовых станций, АТС и центральной станции за счет доходов от использования ССС действующими абонентами. Поэтому первоначальные капитальные затраты могут быть значительно меньше полных затрат, приходящихся на максимальное число абонентов.

Раздел I. Общие сведения о системах радиосвязи с подвижными объектами (ПО).

1.1. Классификация.

По назначению системы связи с ПО могут быть разделены на:
- ведомственные (специализированные) радиотелефонные системы;
- радиотелефонные системы общего пользования.

Созданные первыми, ведомственные системы применяются в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте и в строительстве, такси, скорой помощи, а также в различных аварийных службах. Эти системы предназначены для оперативного управления процессами производственной деятельности. Различают диспетчерские радиотелефонные системы, используемые для связи руководителя работ с абонентами ПО, а также для связи абонентов между собой и с радиосистемами передачи данных. Последние находят применение в автоматизированных системах управления производством, технологическими процессами и в таких системах, в которых от подвижного абонента (ПА) или к нему необходимо передавать с высокой скоростью большой объем информации.

Однако в силу разобщенности ведомственных сетей, неэффективного использования ими спектра частот, ограниченности количества обслуживаемых подвижных абонентов, сложности унификации аппаратуры связи и управления, а также ряда других причин применение ведомственных систем носит ограниченный характер.

Однако ведомственные системы радиосвязи с подвижными объектами несмотря на отмеченные недостатки могут просуществовать еще длительное время, что объясняется их практичностью и ориентацией на те условия и специфику работ, для которых они создавались и отрабатывались. Таким образом, становится актуальной задача преобразования и модификации этих систем в целях их объединения в единую сеть подвижной радиосвязи согласно концепции построения сети радиосвязи с подвижными объектами общего пользования.

Одним из вариантов решения такой задачи может быть способ организации единого автоматизированного управления ведомственными и другими локальными системами радиоподвижной связи, объединяемыми в сеть радиосвязи с подвижными объектами общего пользования.

Радиотелефонные системы общего пользования в настоящее время составляют основной вид связи с ПО. Они позволяют наиболее полно и эффективно использовать выделенный частотный спектр и, объединяя своих потребителей в одну группу, дают им возможность общего доступа к системе связи независимо от ведомственной принадлежности (по принципу городской телефонной сети).
Указанное преимущество систем обеспечивает широкий комплекс услуг: автоматическое соединение абонентов между собой и с абонентами городской телефонной сети, а также других городов и государств с использованием междугородных и международных линий, передачу речи и данных, а в ближайшем будущем телексных и факсимильных сообщений, цветных графических изображений, информации из банков данных и т.п.

Радиотелефонные системы общего пользования делятся на два вида:

- системы с большими зонами обслуживания (БЗО - радиальные системы);

- системы с малыми зонами обслуживания (МЗО - сотовые системы связи).

Системы с большой зоной обслуживания основаны на использовании одной центральной радиостанции, обслуживающей зону большого радиуса (от 50 до 100 км). Мощность передатчика этой станции выбирается в зависимости от заданной напряженности поля на границах обслуживаемой территории и заключена в пределах от
100 до 250 Вт, а антенна располагается в наиболее высокой точке зоны обслуживания. Широкому внедрению таких систем препятствует ряд присущих им недостатков, прежде всего невозможность существенного увеличения количества обслуживаемых абонентов.
Также, для систем БЗО необходимо:

- исключать влияние мощных передатчиков на приемники центральных станций, так как на центральных станциях
(УКВ-диапазон) они используются совместно;

- исключать влияние мощных передатчиков центральных станций соседних зон на работу центральной станции данной зоны;

- контролировать качество связи внутри каждой зоны для подвижных абонентов, находящихся на различных удалениях от центральной станции данной зоны;

- тщательно планировать частотную обстановку в выделенном диапазоне;

- обеспечивать равнодоступность каналов связи со стороны подвижных объектов.

Тем более, увеличение числа каналов на ограниченной территории обслуживания вызывает необходимость соответствующего увеличения числа центральных станций (ЦС), работающих с достаточно большой мощностью. Это обстоятельство при наличии круговой диаграммы направленности антенны ЦС приводит к возможности возникновения взаимных помех для большинства радиостанций ПА, находящихся в зоне обслуживания. Кроме того, значительному увеличению числа каналов препятствует ограниченность выделяемого спектра радиочастот и невозможность повторного использования каналов в близлежащих районах из-за большой мощности передатчика.

Другие недостатки связаны с многолучевостью распространения радиоволн при работе в городских условиях с плотной застройкой и наличием радиозатененных зон, что может вызвать значительные искажения сигналов и даже их пропадание на дальностях, близких к предельным. Отметим также возможность возникновения интермодуляционных помех из-за достаточно плотного расположения каналов.

В связи с перечисленными причинами возникла необходимость интенсивных поисков и исследований в области разработки систем с большой эффективностью использования выделенного спектра и высокой пропускной способностью, которые были бы в состоянии обслуживать большое количество абонентов. Эти исследования начались на рубеже 60-70-х годов и привели к созданию территориальных систем с малыми зонами обслуживания, получивших название сотовых систем радиосвязи с подвижными объектами.

Сотовые системы подвижной радиосвязи имеют принципиально новую структуру, основанную на сотовом построении и распределении частот,согласно которому зона обслуживания делится

на большое число ячеек ("сот"), каждая из которых обслуживается отдельной радиостанцией небольшой мощности, находящейся в центре ячейки (рис. 1). Небольшая мощность передатчиков в системах МЗО и, соответственно, небольшой радиус их действия, допускает организацию повторения частот приема-передачи через 1 - 2 зоны.
Это позволяет реализовать основное достоинство сотовой системы - обеспечение высококачественной радиосвязью большого количества
ПА в условиях ограниченного частотного диапазона.

К достоинствам систем МЗО также относятся:

- применение сравнительно маломощных передатчиков в базовых станциях и, как следствие этого, экономия радиоспектра за счет динамического распределения частот выделенного диапазона между зонами обеспечения связи;

- возможность гибкого эволюционного развития системы МЗО
(за счет, например, увеличения или уменьшения числа зон обслуживания);

К недостаткам систем МЗО относятся:

- увеличение стоимости систем в целом за счет использования большого числа стационарных базовых станций;

- необходимость применения аппаратуры непрерывного слежения за подвижными абонентами, т.к. распределение каналов связи меняется от зоны к зоне и поэтому возможны перерывы связи при пересечении подвижными абонентами границ сопряженных зон.

По принципам реализации управления СРПО подразделяются на следующие группы:

СРПО с ручным управлением, в которых реализуется ручная коммутация радиоканалов как между подвижными объектами, так и между подвижными и стационарными абонентами, ручная коррекция и визуальный контроль оператором режимов работ как абонентских радиопередающих станций (АРС), так и аппаратуры центральных
(базовых) станций и т.д.;

СРПО с автоматизированным управлением, в которых только часть операций выполняются человеком, а большая часть операций по обслуживанию подвижных объектов - посредством управляющих вычислительных средств (УВС) согласно заданным алгоритмам работы;

СРПО с автоматическим управлением, в которых все основные операции установления связи и контроля за работой системы реализуются за счет организации систем автоматического управления - без участия человека-оператора.

В последнее время наибольшее распространение получили СРПО, имеющие:

- сотовую или квазисотовую структуры;

- автоматизированное или автоматическое управление;

- возможность входа в сеть общего пользования или сопряжения с другой СРПО;

- возможность передачи цифровых сигналов управления и прямого и обратного преобразования информации (в том числе и речи) в цифровую форму и обратно.

Внедрение в ССПР цифровых методов обработки информации в самом ближайшем будущем позволит получить абонентам целый ряд дополнительных услуг: доступ к международным базам данных, факсимильная связь, определение местоположения ПА с большой точностью, получение медицинских данных и т.д. Как уже отмечалось выше, ССПР характеризуются высокой эффективностью использования спектра. Наконец, они могут найти применение в

качестве временного средства для полной или частичной замены в короткие сроки проводной телефонной связи в новых районах застройки и обеспечения связью абонентов, проживающих или временно находящихся в труднодоступных районах.

Интенсивное использование ССПР за рубежом началось в начале
80-х годов. К 1985 г. ССПР наиболее широко эксплуатировалась в
США, Японии, Скандинавских странах. В настоящее время осуществляется их внедрение в ФРГ, Великобритании, Франции и ряде других стран.

1.2. Принципы построения сотовых систем.

Разделить обслуживаемую территорию на микрозоны можно двумя способами: статистическим, основанным на измерении статистических параметров распространения сигналов в системах связи, или детерминированным, основанным на измерении или расчете параметров распространения сигнала для конкретного района.

При статистическом способе вся обслуживаемая территория разделяется на одинаковые по форме зоны и с помощью статистических законов распространения радиоволн определяются их допустимые размеры и расстояния до других зон, в приделах которых выполняются условия допустимого взаимного влияния.

Чтобы оптимально разделить территорию на микрозоны, т. е. без перекрытия или пропусков участков, могут быть использованы только три геометрические фигуры - треугольник, квадрат и шестиугольник (рис. 2). Наиболее подходящей фигурой является шестиугольник, так как если антенну устанавливать в его центре, то круговая форма диаграммы направленности будет покрывать почти всю его площадь.

Радиостанции ПО (рис. 1), находящиеся в микрозонах, могут связаться ЦРС, находящейся в центре этой зоны (БС). Все микрозоны связаны соединительными линиями с главной радиостанчией ССПР. В качестве соединительных линий могут использоваться кабели, радиорелейные линии. Главная радиостанция (ЦС) соединяется с телефонной сетью. Таким образом, при связи абонента АТС с абонентом ПО сигнал вызова из телефонной сети попадает на ГСПС, от нее по соединительным линиям к одной из МЗЦС и затем по радиоканалу к абоненту ПО.

Передатчик МЗЦС имеет сравнительно небольшую мощность, необходимую для связи с абонентами ПО в микрозоне, поэтому уровень создаваемых им помех значительно ниже. Это дает возможность использовать те же частоты и в других ячейках.
Расстояние до этих ячеек, в которых могут быть использованы одни и теже рабочие частоты, зависят от условий распространения радиоволн, допустимого уровня помех и числа радиостанций, расположенных вокруг данной ячейки. Считается допустимым, чтобы в сотовой шестиугольной структуре частоты повторялись через две ячейки (рис. 3). Это означает, что, используя 7 рабочих каналов, можно перекрыть всю зону обслуживания. Если интенсивность нагрузки по всей зоне одинакова, то и размеры всех ячеек выбирают одинаковыми. Обычно распределение абонентов ПО по всей обслуживаемой территории неравномерно (уменьшается от центра к периферии), поэтому целесообразно так изменять ячейки, чтобы их размеры увеличивались к периферии. Это позволяет уменьшить стоимость ССПР в целом за счет уменьшения необходимого числа БС. Однако в этом случае мощности передатчиков центральных и подвижных радиостанций будут зависеть от размеров ячеек, поэтому целесообразно использовать автоматически регулируемую по сигналу корреспондента мощность передатчика. Кроме того, для территорий с зонами разного размера надо более тщательно определять те из них, в которых можно повторно использовать рабочие каналы.

При статическом способе в большинстве случаев получаемый интервал между зонами, в которых используются одинаковые рабочие каналы, получается больше необходимого с точки зрения поддержания взаимных помех на допустимом уровне.

Более оптимален детерминированный способ разделения на зоны. При нем тщательно измеряют или расчитывают параметры системы для определения минимального числа центральных станций, обеспечивающих удовлетворительное обслуживание абонентов по всей территории, учитывается рельеф местности для определения оптимального места расположения ЦРС, имеется возможность использовать направленные антенны, пассивные ретрансляторы и смежные центральные станции в момент пиковой ногрузки и т.д.
Однако этот способ сложен и требует в ряде случаев моделирования с использованием ЭВМ.

В сотовых системах необходимо определить, какую ЦРС подключить для связи с абонентом ПО, т. е. определить местоположение абонента ПО на территории обслуживания. При этом не требуется высокая точность определения местоположения подвижного объекта. Достаточно определить только микрозону в которой он находится. При входящей связи, т. е. от ЦС к абоненту ПО, сигнал вызова может передаваться либо по специальным вызывным, либо по свободным каналам, на которые радиостанции ПО настраиваются автоматически. Местоположение определяется по уровню сигнала, поступающего от радиостанции ПО на ближайшую БС. которая и включается для ведения переговоров с абонентами ПО. При переезде в зону действия другой БС радиостанция ПО автоматически переходит на канал новой БС. При этом постоянно должен обеспечиваться контроль за радиостанцией
ПО, для чего в процессе ведения разговора с абонентом ПО на БС и далее в ЦС совместно с речью передаются контрольные сигналы.

Существуют различные методы определения координат: наиболее распространенный из них трехсторонний дальномерный метод для оценки дальности импульсными или фазометрическими системами, а также триангуляционный метод для измерения азимута
ПО по отношению к базовым станциям, принимаюшим сигнал его абонента. Есть также предложения по использованию метода электронного оповещения, при котором на границах зон устанавливаются электронные посты оповещения, предназначенные для передачи абоненту ПО информации о пересекаемой области. Эта информация запоминается радиостанцие ПО и может быть затем передана на ЦРС, принимающие заявку на обслуживание абонентов
ПО. Однако такая система требует дополнительной аппаратуры, устанавливаемой на всей территории обслуживания. Следует отметить, что методы определения координат радиостанции ПО и алгоритмов выделения ЦРС еще требуют дополнительных исследований. После выделения одной из нескольких ЦРС для связи с абонентом ПО необходимо выделить рабочий канал.

В простейших сотовых системах с относительно равномерной средней нагрузкой используется фиксированное распределение каналов, при котором за каждой зоной закрепляется один канал, а радиостанция ПО может переключаться на каналы всех зон автоматически по мере перехода из одной зоны в другую. В более сложных системах за каждой зоной может быть закреплена группа каналов (стволов); радиостанция ПО при работе в данной зоне автоматически выбирает канал, свободный в данный момент от связи. При переходе в другую зону она автоматически переключается на другую группу каналов и на поиск свободного канала в новой зоне.

При фиксированном распределении каналов во время пиковой нагрузки, которая чаще всего возникает в центре обслуживаемой территории, центральные ячейки могут быть перегружены, а

периферийные иметь свободные каналы, что приводит к неэффективному использованию спектра. В этом случае лучше применять динамическое распределение каналов, при котором любой канал может быть использован в любой микрозоне обслуживания.

В системе связи с динамическим распределением каналов обрабатывается большой объем информации. Для этого используется быстродействующая ЭВМ, в которой запоминается информация о состоянии каждого канала в каждой зоне обслуживания и изменение ее при изменении состояния системы. Абонент подвижного объекта, осуществляющий вызов, должен иметь свой адресный признак для определения состояния и для автоматизации расчета оплаты обслуживания. Центральную радиостанцию необходимо переключать с канала на канал по мере распределения каналов в пределах зоны обслуживания. При динамическом распределении увеличивается загруженность каналов и снижается интенсивность отказов по сравнению с системами, в которых используется фиксированное распределение каналов. Но управление системой усложняется.
Каждая ЦРС должна работать на всех частотах системы.
Радиостанция ПО может работать либо на одном, либо на группе равнодоступных каналов. Таким образом одноканальная радиостанция ПО может обеспечить связь на всей территории обслуживания (конечно, если канал не занят другой радиостанцией). При фиксированном распределении каналов радиостанция ПО должна работать на всех каналах системы, а каждая ЦРС должна иметь 1/7 от общего числа каналов.

Одной из основных функций БС является обеспечение сопровождения между проводной частью ССПР и АС. В состав БС входят приемники, передатчики и блоки управления для связи с ЦС.
С центральной станцией БС соединены группой разговорных каналов и несколькими каналами передачи данных. Передатчики БС и АС имеют небольшую мощность, необходимую для обеспечения связи в пределах ячейки, что дает возможность использовать одни и те же частоты в различных ячейках, разнесенных друг от друга на определенное защитное расстояние D (рис. 3). Повторное применение одних и тех же частот позволяет наиболее экономно использовать выделенный ресурс и обеспечивает высокую пропускную способность системы.

В процессе движения ПО пересекают границы ячеек. При этом
АС, установленные на ПО, по командам ЦС передаются от одной БС к другой, переключаясь на свободный частотный канал соседней ячейки. Автоматический поиск свободных каналов и установление соединения осуществляется без нарушения связи по командам ЭВМ, управляющей коммутационным оборудованием. Процедура автоматического перевода АС от одной БС к другой в процесс движения ПО получила название "эстафетной передачи". При перемещении ПО из одной ячейки в другую ЭВМ фиксирует полученные по радиоканалу управления данные о качестве сигнала, местоположения объекта и некоторые другие, с использованием специальной программы определяет соответствующий заданным требованиям свободный канал в той ячейке, куда переместился абонент. После этого ЦС посылает сигнал для автоматического переключения АС на этот канал. Помимо данной процедуры ЦС выполняет следующие функции:

- управление и контроль за работой БС и АС;

- установление соединений между абонентами и разъединение их по окончании разговора;

- слежение за качеством передачи;

- поиск ПО на территории обслуживания;

- тарификация и диагностика состояния системы.

По структуре ССПР могут быть построены по радиальному или радиально-узловому принципу или иметь распределенное управление.
По радиальному принципу строятся ССПР с небольшим количеством
БС, такие, например, как TACS (Великобритания) и AMPS (США). БС соединяются непосредственно с ЦС, которые, в свою очередь, подсоединены к телефонной сети общего пользования.

Радиально-узловой принцип применяется в случае, если ССПР обслуживает большую территорию со значительным количеством абонентов. Такими системами являются NTT (Япония) и MATS-E
(Франция). При этом БС соединяются со станциями управления, которые проводными линиями связи подключены к ЦС. Станции управления устанавливают соединение, осуществляют контроль качества принимаемой информации, производят эстафетное переключение. Кроме того, они передают сведения о произведенных операциях на ЦС. Последняя фиксирует полученную информацию и, в случае необходимости, перекоммутирует АС в зону действия другой
ЦС.

При распределенном управлении ЦС отсутствует, а функции управления осуществляют БС и АС.

Существенным является вопрос о частном планировании в ССПР.
В соответствии с принятыми принципами каждой БС выделяется определенный набор частотных каналов, который может повторяться.
Как уже упоминалось, БС, на которых допускается повторное использование выделенного набора частот, разделяются между собой защитным интервалом D (см. рис. 3). Именно возможность повторного использования одних и тех же частот определяет высокую эффективность применения частотного спектра в ССПР.
Смежные БС, использующие различные наборы частотных каналов, образуют группу из С станций. Если каждой БС выделяется набор из каналов с шириной полосы Fк, то общая ширина полосы, занимаемая
ССПР, будет Fc = Fк m C, где m - число каналов. Таким образом, величина С определяет минимально возможное число каналов в системе, поэтому ее часто называют "частотным параметром" системы (в некоторых источниках - "коэффициентом повторения частот").

Число активных абонентов во всей зоне обслуживания определяется соотношением:

- R0 ¬2

N = L¦m 1,21¦¦ -- ¦¦m, (1)

L R -

- R0 ¬2 где L 1,21¦¦ -- ¦ - число БС,

L R -

R0 - радиус зоны обслуживания,

R - радиус ячейки.

Тогда эффективность использования спектра частот определяется выражением:

(2)

из которого следует, что величина эффективности не зависит от числа каналов в наборе и увеличивается по мере уменьшения радиуса ячейки. Таким образом, использование меньших радиусов ячеек дает возможность увеличить повторяемость частот. Кроме того, из (2) видно, что целесообразно выбирать малые значения С.

Применение шестиугольной формы ячеек позволяет минимизировать необходимый частотный диапазон, поскольку обеспечивает оптимальное соотношение между величиной С и защитным интервалом

1 - D ¬2

С = ---¦¦---¦ (3)

3 L R -

Кроме того, шестиугольная форма наилучшим образом вписывается в круговую диаграмму направленности БС, установленной в центре ячейки.

Остановимся более подробно на вопросе о выборе размеров ячеек (радиусе R). Эти размеры определяют защитный интервал D
(см. рис. 3) между ячейками, в которых одни и те же частоты могут быть использованы повторно. Заметим,что величина интервала зависит также от допустимого уровня помех и условий распространения радиоволн. В предположении, что интенсивность нагрузки в пределах всей зоны одинакова, ячейки выбираются одинаковых размеров. Из соотношения (1) следует, что при заданном размере зоны обслуживания (радиус R0) радиус ячейки R определяет также число абонентов N, способных одновременно вести переговоры на всей территории обслуживания. Из этого соотношения также видно, что уменьшение радиуса ячейки позволяет не только повысить частотную эффективность и увеличить пропускную способность системы, но и уменьшить мощность передатчиков и чувствительность приемников БС и АС. Это улучшает условия электромагнитной совместимости ССПР с другими радиоэлектронными средствами и системами и снижает ее стоимость.

С другой стороны, чрезмерное уменьшение радиуса ячеек приводит к значительному увеличению числа пересечений ПА границ ячеек, что может вызвать перегрузку устройств управления и коммутации системы. Кроме того, возможно увеличение числа случаев возникновения взаимных помех. И, наконец, при малых значениях R в реальных условиях даже незначительное отклонение положения антенны относительно геометрического центра ячейки может вызвать ощутимое уменьшение отношения сигнал/помеха в системе. В связи с этим в реальных условиях при выборе величины
R приходится принимать компромиссное решение. Типовые значения радиусов выбираются на основе расчетов и опыта эксплуатации и составляют величину 0,5 - 2,5 км (в Лондоне и Стокгольме). В перспективе в особенности для районов с плотным трафиком эта величина, как полагают, будет уменьшаться.

Оценим, для примера, возможное количество активных абонентов ССПР для современного города, характеризуемого величиной радиуса зоны обслуживания R0 = 30 км при радиусе ячейки R = 1 км. Пусть число одновременно обслуживаемых одной БС активных абонентов равно 16. Подсчеты по приведенной формуле дают величину N, равную 17 тыс. Если принять разумную для практики величину активности сети (отношение числа абонентов, ведущих в каждый данный момент времени переговоры, к общему количеству абонентов в сети) равной 0,1, то общая ее емкость составит 170 тыс. абонентов. В соответствии с исследованиями зарубежных специалистов, в городах с населением, превышающим
2 млн. чел., потребность в радиотелефонных средствах оценивается на уровне 2% от населения (в городах с меньшим населением она составляет 1 - 1,5 %). Таким образом, емкость рассмотренной

сети может удовлетворить потребность города с населением порядка 8-9 млн. чел.

В реальных условиях распределение ПА в пределах обслуживаемой территории может быть неравномерным. Как правило, оно уменьшается от центра к периферии. При этом наиболее рационально выбирать величину R таким образом, чтобы ее размеры увеличивались от центра к периферии. Следует учитывать, что требуемая мощность передатчиков БС и ПА не остается неизменной, а определяется размерами ячеек. В этом случае рационально применять автоматически регулируемую в зависимости от интенсивности сигнала корреспондента мощность передатчика.

Исключительно важным вопросом, определяющим в значительной степени основные характеристики ССПР, является распределение частотных каналов между БС. Оно позволяет обеспечить низкий уровень межканальных помех, оказывающих значительное влияние на помехоустойчивость системы. Существуют три способа распределения частотных каналов: фиксированное, динамическое и гибридное.

При фиксированном распределении каждой БС выделяется определенный набор каналов. АС подвижных абонентов при нахождении их в определенной ячейке с помощью ЦС назначается свободный в данный момент времени канал из набора. При перемещении АС в другую ячейку с помощью процедуры эстафетной передачи осуществляется переключение данной АС на соответствующий свободный канал этой ячейки. Недостатком способа является неэффективное использование частотного спектра, поскольку в реальных условиях центральные ячейки города могут быть перегружены, а периферийные иметь свободные каналы.

При динамическом способе любой из частотных каналов может быть использован любой БС. При этом тем БС, на которых все каналы заняты, предоставляются на время сеанса связи каналы из других ячеек. Это осуществляется с помощью ЭВМ, в памяти которой хранится информация о состоянии каждого канала в зоне обслуживания и всех его изменениях в процессе работы системы, а также о местонахождении ПА. Таким образом, динамическое распределение каналов позволяет увеличить загруженность каналов и тем самым повысить эффективность их использования и снизить вероятность блокировки вызова в случае, когда все каналы данной ячейки заняты. Однако нагрузки на устройства управления системой связи в этом случае возрастают.

При гибридном способе распределения каждой БС выделяется фиксированный набор каналов, а также определенное их число для распределения динамическим способом. Гибридный способ при больших нагрузках позволяет предъявлять менее жесткие требования к управляющим устройствам по сравнению с динамическим, а в области малых значений нагрузки имеет преимущество перед фиксированным, состоящее в более низкой вероятности блокировки вызова. Следует отметить, что наиболее существенное достоинство динамического и гибридного распределений заключается в том, что они обеспечивают выравнивание нагрузки на канал. При фиксированном распределении это осуществляется путем увеличения числа каналов, предоставляемых БС в местах с плотным трафиком, а также уменьшением радиуса ячеек.

Необходимость многофункционального управления в ССПР имеет первостепенное значение для реализации возможности наиболее эффективного использования выделенной полосы радиочастот.
Многократное использование частот затрудняется из-за сильного изменения уровня сигнала по мере движения АС в пределах зоны

обслуживания, обусловленного многолучевым распространением сигнала, а также экранирующим и поглощающим воздействием местных объектов. Управление необходимо осуществлять таким образом, чтобы в сильно меняющихся условиях прохождения радиосигналов непрерывно осуществлялась надежная связь. Как отмечалось выше, с этой целью ЦС осуществляет функции управления эстафетной передачей АС по мере пересечения ПА границ ячеек и снижения качества сигнала ниже установленного заранее порогового уровня.
Для оценки качества сигнала по разговорному каналу постоянно передается пилот-сигнал и измеряется соотношение сигнал/шум по мощности или сигнал/помеха с помощью специальных измерительных приемников. При уменьшении величины до значений ниже порогового уровня, что может обусловливаться выходом АС из зоны действия БС, замираниями сигнала, а также рядом других причин, ЦС выбирает зону с максимальной величиной и переключает АС на новый канал (осуществляет эстафетную передачу).

Для реализации процедуры управления и обмена служебной информацией между БС и АС на группу разговорных каналов выделяется специальный канал управления. В свободном режиме АС постоянно настроена на частоту этого канала. Обмен соответствующей информацией в звене БС-ЦС производится по специальному проводному каналу, также выделенному на группу разговорных каналов.

Характерной особенностью процесса коммутации, осуществляемой в ССПР, является то, что абонент находится в движении и может оказаться в зоне обслуживания любой БС. В связи с этим для установления соединения с находящейся в движении АС необходимо иметь информацию о местонахождении абонента. При этом согласно рекомендациям МККТТ на 1985-1988 гг. координаты АС должны определяться с точностью до зоны или группы зон. Эта процедура должна осуществляться таким образом, чтобы обеспечивалось своевременное обновление данных о местоположении
АС и был максимально облегчен поиск АС при изменении зоны обслуживания. Результаты регистрации местоположения АС хранятся в специальном регистре для записи местоположения.

При анализе и расчете зон действия БС и решении ряда других задач существенную роль играет учет особенностей распространения радиоволн УКВ- и СВЧ-диапазонов в городских и пригородных условиях. К ним относятся, прежде всего, многолучевое распространение, вызываемое случайными и многократными отражениями от зданий и других объектов городской застройки, а также рассеиванием радиоволн этими объектами. В результате суммирования различных лучей на приемной стороне радиолинии возникают случайные амплитудные и фазовые флуктуации, вызывающие явления замирания сигнала. Распределение огибающей такого сигнала подчиняется закону Рэлея, а величина замираний относительно среднего уровня составляет > 40 Дб.

Одним из основных путей борьбы с замиранием является использование методов разнесенного приема. Эти методы предполагают наличие нескольких разделенных трактов передачи с независимыми замираниями, по которым передается одно и то же сообщение. Средние уровни сигналов, передаваемых по каждому тракту, должны быть также примерно одинаковы. При соответствующем комбинировании сигналов, поступающих из трактов передачи, формируется результирующий сигнал, имеющий гораздо меньшую глубину замирания и обеспечивающий соответственно большую надежность передачи.

В последнее время в этих же целях начинает применяться медленная псевдошумовая перестройка рабочей частоты. Кроме того, эффективным средством борьбы с замираниями является внедрение широкополосных цифровых систем подвижной связи с шумоподобными сигналами, ожидаемое в самое ближайшее время.

1.3. Конструктивное построение сотовых систем связи.

Оборудование для ССПР может быть разделено на несколько основных групп:

1) оборудование ЦС, обеспечивающих управление работой системы и контроль ее состояния, распределение каналов и коммутацию вызовов между БС, сопряжение ССПР со стационарной телефонной сетью;

2) оборудование БС, передающее и принимающее сигналы АС;

3) оборудование АС как перевозное, так и переносное;

4) комплект линейного оборудования для подключения БС к ЦС.

Как правило, основу оборудования ЦС составляют серийные электронные АТС, имеющие дополнительное программное обеспечение, позволяющее осуществлять процедуру переключения частотных каналов при перемещении ПА из одной ячейки в другую, контролировать техническое состояние системы, выявлять отказы и производить диагностику предполагаемых неисправностей, а также реализовывать административное управление работой системы. Так, например, в системе NMT в качестве ЦС используется электронная автоматическая телефонная станция типа DX 200МТХ с емкостью 100 тыс. номеров и максимальным числом радиоканалов 3500. Станция имеет три выхода: на телефонную сеть общего пользования, БС и к системе технической эксплуатации станции. В развертываемой в
Бельгии ССПР в качестве ЦС предполагается использовать цифровую автоматическую телефонную станцию System 12. Первоначально ЦС будет работать с 45 БС и обслуживать 5 тыс. абонентов, в дальнейшем планируется увеличение емкости до 50 тыс. абонентов, а числа БС до 245. Эту же станцию предполагается применять при создании цифровой ССПР CD-900.

Собственно электронная система коммутации ЦС содержит процессоры, запоминающие устройства, коммутационные цепи, межстанционные соединительные линии и различные служебные цепи, организованные как единая система управления.

На БС размещаются радиопередатчик и радиоприемник, контроллер, аппаратура передачи данных и контроля каналов, а также множество канальных плат и антенная система. С помощью этой аппаратуры, помимо передачи и приема, осуществляются под управлением ЦС поиск ПА и определение их местоположения, установление соединения, распределение каналов, а также передача данных и выполнение диагностических процедур на оборудовании БС.
Управление данными операциями выполняется схемной логикой и программируется контроллерами. Комплекты канальных плат передатчиков и приемников обеспечивают возможность расширения системы путем приращений, что позволяет увеличивать число каналов, приходящихся на каждую ячейку. Число абонентов в расчете на канал является гибким параметром сети, зависящим от качества обслуживания. Типовая величина составляет 20-25 ячеек на канал. С центральной станцией БС соединяется группой разговорных каналов и несколькими каналами передачи данных.
Приемопередатчики подключаются к общим антеннам с помощью развязывающе-согласующего устройства из расчета не более 12-16 на одну антенну. Антенны могут быть не направленными либо иметь секторную направленность, перекрывая, например, секторы по 60 град. или 120 град. каждый. Кроме уменьшения взаимных помех, такое построение антенной системы обеспечивает расширение объема сети по мере роста числа абонентов без затрат на строительство новых БС.

Приемопередающие устройства современных ССПР представляют собой узкополосную аппаратуру с частотной модуляцией, в которой используются канальные несущие, разнесенные с интервалом 25-30 кГц. Прорабатывается возможность использования в этих системах методов передачи с одной боковой полосой частот. В перспективных системах планируется применение широкополосных сигналов, что позволит повысить помехоустойчивость и увеличить число абонентов.

Так же, как и в случае с ЦС, на БС в качестве их элементов и узлов с успехом применяются серийно выпускаемые промышленностью микропроцессоры, ЭВМ, другая радиоэлектронная аппаратура и ее элементы.

Абонентские телефонные аппараты в ССПР могут быть двух типов: перевозные и переносные. Перевозные аппараты менее сложны в изготовлении как в отношении требований к габаритам и массе их элементов, так и с точки зрения источников питания, поскольку они, как правило, подсоединяются к имеющемуся на любом ПО источнику тока. С другой стороны, переносные аппараты предоставляют большую свободу перемещения, позволяя абоненту покинуть ПО. Кроме того, компоненты, отвечающие требованиям, предъявляемым к переносным аппаратам, с успехом могут пользоваться и в перевозной аппаратуре, реализуя ряд дополнительных операций (автоматический набор нескольких номеров, фиксация вызова и пр.). Ожидается, что в ближайшем будущем они станут наиболее распространенным типом радиотелефона.

Так, фирма Ericsson (Швеция) разработала и выпускает новое поколение радиотелефонных аппаратов, состоящее из трех вариантов аппаратуры. Два из них, предназначенные для комбинированного применения, могут устанавливаться на автомобиле или использоваться в качестве переносного аппарата для систем типов
NMT 450 и NMT 900, а третьим является карманный радиотелефон для системы NMT 900. Для использования первых двух аппаратов в переносном варианте предусмотрены три различных по емкости сменных аккумулятора, обеспечивающих непрерывную работу от 4 до
12 ч. Масса радиотелефонов, в зависимости от выбора аккумулятора, составляет от 600 до 800 г. Карманный вариант состоит из приемопередатчика, гибкой штыревой антенны и съемного аккумулятора, емкость которого по желанию пользователя выбирается в пределах от 0,75 до 0,25 А ч со сроком непрерывной работы до подзарядки 60, 40 или 20 мин. Выходная мощность передатчика может варьироваться от 0,1 до 1 Вт.

Структурная схема обоих аппаратов одинакова и включает три основных части: приемопередатчик, блок управления и логический блок.

Приемопередатчик обычно монтируется в багажнике автомобиля и представляет собой ЧМ-радиостанцию. Основные ее элементы являются традиционными для подобных устройств. Отметим только требования высокой стабильности, которым должны удовлетворять применяемые в ней генераторы, что связано с малым разносом между каналами сети. Для выполнения этого требования в передатчике обычно используется высокостабильный частотный синтезатор, формирующий по командам логического блока сетку с числом частотных каналов от единиц до нескольких сотен (наиболее часто
666 частотных каналов). Мощность перевозных передатчиков составляет единицы ватт, переносных - доли ватта.

Блок управления обеспечивает первичный контакт абонента с
БС и устанавливается в салоне автомобиля.

Логический блок является средством осуществления управления. Основную его часть составляют серийно выпускаемые промышленностью микропроцессоры, которые обрабатывают сообщения, поступающие от блока управления или демодулятора.

При создании абонентских аппаратов широкое применение находят арсенид-галлиевые ИС, подстроечные керамические резонаторы, способные работать в диапазоне частот, и другие элементы современной полупроводниковой техники. Они позволяют осуществить интеграцию радиоголовки аппарата (генераторы, делители частоты, модуляторы, усилители мощности) и других узлов, что является важным фактором уменьшения стоимости и размеров абонентской аппаратуры.

1.4. Принципы построения автоматизированных систем управления радиосвязью с подвижными объектами

В качестве наиболее характерных примеров организации СРПО и их сетей, на основе анализа которых выявляются основные требования к структуре и архитектуре АСУ радиоподвижной связью, рассмотрим основные принципы построения зарубежных автоматизированных систем радиоподвижной связи.

В зарубежных системах связи, в том числе в СРПО, не принято выделять автоматизированные или автоматические системы управления (АСУ или САУ) и рассматривать их отдельно от структуры СРПО, тем на менее, можно сделать вывод не только о наличии в составе СРПО АСУ или САУ, но и о иерархической структуре построения этих систем управления (см. также Прил. А).

Автоматизация решения основных задач управления и контроля процессом и средствами связи распределяется между всеми основными уровнями управления и контроля СРПО, к которым можно отнести:

- объектовый уровень управления (абонентские радиостанции
(АРС), станции коммутации каналов связи и т.п.);

- уровень промежуточного сбора, хранения и обработки поступающей информации от объектового уровня (информация о техническом состоянии средств связи), осуществляющий также управление объектовым уровнем посредством соответствующего распределения поступающих от системного уровня управляющих директив между объектами управления. К этому уровню относятся задачи управления и контроля, решаемые обычно управляющими вычислительными средствами базовых станций СРПО;

- системный уровень управления (реализуемый на базе вычислительных средств центральных станций), в число основных задач которого обычно входит общесистемный анализ состояния всех технических средств связи системы, качества и интенсивности прошедших сеансов связи между абонентами, учет и прогнозирование износа технических средств связи, планирование и распределение ресурсов связи, составление (в реальном масштабе времени) оптимальных маршрутов связи и т.п.

Современные подвижные АРС, размещаемые в автомобилях и других подвижных объектах, кроме радиооборудования имеют в своем составе УВС, что позволяет размещать в конструкции пульта управления АРС дисплеи, унифицируемую клавиатуру управления, малогабаритные принтеры и т.п. УВС АРС осуществляют контроль и управление всеми режимами работы радиооборудования, выбор свободного канала приема-передачи абонентской информации, настройку частоты по командам ЦС или БС. Кроме того, встроенные
УВС АРС позволяют реализовать такие процедуры, как:

- автоматический поиск и установление связи по любому свободному каналу абонентской телефонной сети;

- осуществление реперного набора посредством нажатия одной одной кнопки для вызова абонемента, если его номер запрограммирован заранее;

- инициация автоматического повторения занятого номера;

- отображение на экране дисплея времени суток, продолжительности сеанса связи, набираемого номера, последнего набранного номера, номер абонемента, повторно передаваемого в автоматическом режиме из запоминающего устройства УВС,номера абонемента, участвующего в соединении, справочной информации, запрошенной абонементом из вычислительного центра СРПО
(например, расписание авиарейсов) и т.п.

Перечисленные примеры процедур управления и контроля, предоставляемого сервиса реализованы в ряде зарубежных моделей бортовых АРС, в том числе в автономной радиотелефонной системе
GL 2000, сопряженных с телефонной сетью США и Канады. Особый интерес представляет программа ИНТАКС (США), в основу которой положена концепция квазисотовой структуры высокомобильной связи.
Специфика построения таких систем связи заключается в том, что наряду с сотовыми и сеточными структурами построения СРПО проектируются и линейные структуры радиального типа,в которых БС устанавливается вдоль возможных трасс движения подвижных объектов. Однако и в последнем случае управление квазисотовых
СРПО практически не отличается от управления СРПО с сотовой структурой.

При этом системы связи, разрабатываемые по программе
ИНТАКС, должны удовлетворять следующим требованиям:

- вся разрабатываемая подвижная радиосеть полностью цифровая;

- станции автоматической коммутации имеют все эшелоны связи, включая самые низшие;

- протяженные линии подвижной сети используют спутниковые средства связи;

- разрабатываемые системы связи позволяют обслуживать подвижных абонентов, а также пригодны к взаимодействию с другими системами связи, в том числе, с системами связи зарубежных стран;

- все вновь разрабатываемые системы связи различного назначения имеют хорошо развитые органы планирования, управления и контроля всех технических средств и комплексов связи этих систем, развитые проводные и радиолинии для передачи-приема данных от всех автоматических средств и комплексов связи и обратно, средства документирования и отображения информации в том числе и в составе бортовых АРС;

- вся разрабатываемая аппаратура связи имеет встроенные управляющие компьютеры или предусматривает их подключение;

- количество обслуживающего, специально обученного персонала для разрабатываемых систем подвижной сети - минимальное;

- все управляемые компьютеры различной мощности и назначения унифицированы по отношению друг к другу, имеют возможность сопряжения (аппаратурно и программно) не только друг с другом, но и с другими вычислительными комплексами других систем связи.

Высокая степень оснащения управляющими вычислительными средствами современных и перспективных зарубежных СРПО позволяет разработчикам этих систем решать и некоторые дополнительные задачи (кроме основных задач обеспечения связи), чем обеспечивается обеспечение надежности, достоверности и оперативности работы СРПО. К этим задачам относятся:

- прогнозирование и планирование распределения ресурсов связи (в реальном масштабе времени) в интересах обеспечения подвижных и стационарных абонентов надежной и достоверной связью как в нормальных, так и в аварийных условиях работы СРПО;

- прогнозирование и планирование перестройки конфигурации отдельных систем связи и сети связи в целом;

- реализация управления перестройки конфигурации систем и сетей связи, а также синхронизация управления режимами работы средств связи посредством выделенного канала управления на уровне только УВС;

- осуществление пакетной передачи дополнительной заказанной абонентами информации по межмашинным каналам связи (каналам управления);

- реализация принципа эволюционного развития систем и сетей связи с подвижными объектами без приостанова работы действующих систем и сетей связи;

- организация заданных дисциплин обслуживания своих абонентов и управления дисциплиной их обслуживания в зависимости от изменений условий предоставления связи;

- обеспечение необходимого сервиса обслуживания своих абонентов.

Кроме перечисленных, посредством УВС могут решаться следующие задачи:

- оперативный контроль качества установленных соединений между абонентами;

- регистрация сеансов связи;

- определение и регистрирование зон, в которых находятся подвижные абоненты, между которыми должна или может быть установлена связь;

- маркирование свободных запрашиваемых или приоритетных каналов связи;

- обеспечение управления перекоммутацией каналов связи при пересечении подвижными абонентами границ зон связи во время сеансов связи;

- контроль и оценка трафика связной аппаратуры, выделенных каналов управления и каналов связи;

- организация и передача управляющих и контроль директив и сообщений и т.д.

Очевидно, что все эти задачи , решаемые УВС систем и сетей связи, могут быть дифференцированы по уровням управления и по своей проблемной ориентации примерно следующим образом:

1. Прогнозирование и планирование работы сети связи в целом, ее систем и технических средств, осуществляемые в целях координации работы распределенных стационарных и подвижных объектов, фрагментов и систем сети связи.

2. Адаптивное управление системами связи и расчет маршрутов связи.

3. Контроль текущего состояния соединений и технических средств связи, диагностика планируемых и работающих направлений, систем, их фрагментов и комплексов технических и управляющих средств связи.

4. Реализация управления техническими средствами связи и их контроля (с возможной диагностикой их состояния).

Исходя из такого распределения задач, решаемых УВС СРПО, а также с методологической и технической точек зрения, представляется возможным все УВС СРПО, если не территориально, то функционально объединить в автоматизированные или автоматические системы управления (АСУ или САУ) техническими средствами связи. При этом все УВС должны должны отвечать требованиям однородности по своей программно - аппаратурной реализации и быть организованы в систему управления как коллектив вычислителей.

Из отечественных источников известно, что задачи прогнозирования и планирования решаются в АСУ производством
(АСУП), которые подготавливают техническую документацию и производственные задания (планы,директивы) с указанием объемов и сроков их выполнения, а остальные три класса задач решаются, как

правило, АСУ технологическими процессами (АСУ ТП). Известно,что возникающие при такой интеграции задачи являются комплексными.
Поэтому такие интегрированные АСУ целесообразно называть комплексными АСУ (КАСУ).

Таким образом, применительно к задачам управления связью
КАСУ связью (КАСУС) должна состоять из:

- общесетевой АСУС (ОС АСУС), которая решает общесетевые задачи прогнозирования и планирования работы связи, а также (при необходимости) планирует совместную работу с другими сетями связи;

- нескольких системных АСУС, предназначенных для планирования и организации работ своих систем связи сообразно с общественным планом работы, поступающим от ОС АСУС, с которой системные АСУС непосредственно связаны;

- нескольких АСУ средствами связи (АСУСС), осуществляющих целевые планы работ,получаемые в директивном порядке от собственных систем АСУС и предназначенных для реализации функций управления техническими средствами связи, а также для оперативного контроля этих технических средств связи. АСУСС, таким образом, составляет объектовый уровень управления.

Предлагаемая структура комплексной АСУС (КАСУС) позволяет объединить под единым управлением различные по специализации системы радиосвязи с подвижными объектами в единую сеть радиосвязи общего пользования. Однако, реализация КАСУС в свою очередь потребует решения таких задач:

- объединение в единую систему связи различных технических средств связи с различными возможностями сопряжения с современными УВС;

- обеспечение эволюционной замены как УВС,так и управляемых средств связи;

- разработка гибкой программно-аппаратурной среды на базе унифицированного единого ряда УВС в целях организации управления вычислительным процессом КАСУС (с точки зрения координации и синхронизации работы управляющих вычислительных устройств средств связи и КАСУС в целом);

- реализация сопряженных средств КАСУС с устройствами управления технических средств связи и между собой.

1.5. Выводы.

Одним из важнейших достоинств ССПР является высокая эффективность использования выделенного частотного спектра, достигаемая путем повторного применения одних и тех же частот в различных ячейках системы. Ограничивающим фактором при этом являются внутрисистемные помехи, включающие взаимные помехи ячеек с повторяющимися частотами, а также межканальные помехи.
Данное обстоятельство служит одним из определяющих при выборе величины защитного интервала D, а также при распределении частотных каналов в системе. Для ослабления названных помех применяется ряд специальных мер, одна из которых состоит в применении разнесенного приема, позволяющего в значительной степени снизить уровень межканальных помех. В таких системах удается не только повысить отношение мощности сигнала к мощности помехи, но и получить некоторое подавление помехи в процессе демодуляции путем соответствующего увеличения индекса модуляции.
Снижение взаимных помех достигается также соответствующей пространственной ориентацией антенн смежных каналов.

Раздел II. Алгоритмы работы ССС и протоколы управления.

2.1. Структура системы управления в ССС.

Одной из основных задач при построении ССС является разработка системы управления. При планировании ССС определяется территория обслуживания, разделяемая на ячейки шестиугольной формы, радиус описанной окружности которых может быть различным - от 20-30 км в районах с малой плотностью трафика (в основном сельскохозяйственных) до 0,5-2 км в районах с высокой плотностью трафика (в густонаселенных городских районах). Пользователи ССС, находясь в любой точке территории обслуживания, могут с помощью абонентских станций связываться с другими абонентами ССС и телефонной сети общего пользования.

Абонентская станция может быть выполнена в портативном либо мобильном варианте. Функционально АС состоит из блока управления, модема, приемопередатчика и антенны. Блок управления сопрягается с приемопередатчиком, микротелефонной трубкой и пультом управления, содержащим дисплей. В блок приемопередатчика входят устройство передачи и приема сигналов на радиочастоте. Модем осуществляет преобразование поступающих сигналов со стороны абонента или со стороны сети в соответствующую форму, необходимую для дальнейшей обработки. Базовые станции обеспечивают сопряжение между проводной частью ССС и абонентскими станциями. В состав БС действующих систем входят приемники, передатчики, блоки управления для связи с ЦС. С центральной станцией БС соединены группой разговорных каналов и несколькими каналами передачи данных. При обслуживании абонентов ССС центральная станция выполняет такие основные функции, как:

- установление соединений между абонентами;

- разъединение по окончании разговора;

- слежение за качеством передачи речи;

- переключение АС на новый канал при перемещении АС во время сеанса связи из зоны обслуживания одной БС в зону обслуживания другой БС с целью обеспечения непрерывности соединений;

- поиск подвижного абонента на территории обслуживания;

- тарификация, диагностика состояния системы.

Следует отметить, что отличие ЦС от электронных АТС стацио- нарных телефонных сетей общего пользования в основном сводится к особенностям программного обеспечения. Постоянно взаимодейст- вуя, АС, БС и ЦС выполняют команды, поступающие со стороны управляющей части сети. Структурно ССС могут быть построены по радиальному или радиально-узловому принципу (в этом случае используется централизованное управление), а также могут иметь распределенное управление. По радиальному принципу могут быть построены ССС с небольшим числом БС. Примерами таких
ССС являются АМPS (США), ТАСS (Великобритания). В таких системах каждая БС непосредственно соединяется с ЦС, которая имеет выход на телефонную сеть общего пользования.

По радиально-узловому принципу построены ССС, покрывающие большую территорию обслуживания с большим числом абонентов, на- пример системы NTT (Япония) и MATSE (Франция). В этих системах
БС непосредственно соединяются со станциями управления (СУ), ко- торые, в свою очередь, подключены к ЦС проводными линиями связи.

При таком построении СУ осуществляет установление соединения,кон- тролирует качество принимаемой информации, производит эстафетное переключение каналов АС в другую зону, выделяет свободные разго- ворные радиоканалы, передает сведения о произведенных операциях на ЦС, которые фиксируют полученную от СУ информацию и может осуществить перекоммутацию АС в зону действия другой централь- ной станции.

При распределенном управлении ССС центральная станция как координирующее звено не выделяется, поэтому подобные системы построения имеют ряд таких преимуществ, как большая живучесть и надежность, возможность более быстрого и экономичного нара- щивания емкости сети.

2.2. Организация каналов управления.

В действующих ССС передача информации производится по выде- ленным каналам передачи данных с шириной полосы частот 25 кГц.
Для обмена информацией между БС и АС на группу разговорных ра- диоканалов выделяется один канал управления (КУ). В свободном режиме АС постоянно настроена на частоту КУ. Обмен между ЦС и БС ведется по проводному каналу передачи данных, также выделенному на группу разговорных каналов.

В скандинавской системе NMT для обмена служебной информаци- ей между ЦС, БС и АС применяется быстрая частотная манипуляция
(FFSK). Скорость передачи по КУ установлена 1200 бит/с. Информа- ция передается в виде 64-разрядных кадров. Каждый кадр содержит пять полей:

- номер канала N1, N2, N3 по которому передается данное сообщение;

- префикс Р, характеризующий тип кадра;

- номер района обслуживания V1, V2, где расположена базовая станция с номером канала N1 N2 N3;

- номер АС;

- информационное поле.

В направлении ЦС-АС информационное поле содержит 12 бит; в направлении АС-ЦС номер района обслуживания V1 V2 не передается и информационное поле содержит 20 бит. В системе NMT в качестве управляющего используется любой из разговорных радиоканалов, что, по мнению специалистов, повышает эффективность управления ССС.
Во французской системе МАТSЕ для КУ выбирается, как и в NMT, лю- бой канал из группы разговорных. Скорость передачи информации по КУ составляет 2,4 кбит/с. Форматы передаваемых сообщений при- водятся на рис.4. В направлении БС-АС информационное поле содер- жит 128 бит, образующих восемь кодовых слов по 16 бит в каждом, поле управления доступом составляет два кодовых слова по 16 бит.

В направлении АС-БС информация передается в виде кадров длиной 176 бит, кроме того, введен защитный интервал между кад- рами длиной 16 бит. При передаче от АС запроса на исходящее сое- динение заявка поступает в обратный КУ (канал управления в на- правлении АС-БС) синхронно с сигналом "разрешение доступа" в ка- нал АС-БС, передаваемым от БС,и сигналом тактовой синхронизации.
Это снижает вероятность конфликтной ситуации, т.е. предупреждает поступление в обратный канал управления одновременно двух заявок от разных АС.

В системах ТАСS (Великобритания) используются два типа ка- налов управления: прямой и обратный КУ. Информация по прямому КУ в направлении от БС к АС передается со скоростью 8 кбит/с непре- рывным потоком, который при отсутствии информации для АС содер- жит контрольный текст. Это является необходимым, так как в сво- бодном состоянии АС сканирует каналы управления, выбирая канал с наиболее высоким уровнем сигнала. На рис. 5 представлены стан- дартные форматы, используемые в прямом КУ для передачи следующих сообщений:

- о состоянии соответствующего обратного канала управления
(свободно/занято);

- информационные данные (слова А) - для четных номеров АС;

- информационные данные (слова В) - для нечетных номеров
АС.

Разряды, указывающие о состоянии свободно/занято, всегда располагаются на одних и тех же позициях передаваемого формата сообщения с тем, чтобы упростить их выделение из общего потока информации. Объединение двух потоков информации (А и В) уменьшает временной промежуток, отведенный для синхропоследовательности. Достоверность принимаемой информации увеличивается благодаря многократной передаче (пять повторов), что особенно важно для каналов, подверженных замираниям и интерференции. Для обеспечения необходимых требований по вероятности ошибки информационные слова кодируются и объединяются с разрядами коррекции ошибок. В приемнике осуществляется мажоритарное накопление последовательностей соответствующим правилам принятия решения (3 из 5). В прямом канале управления на каждое кодовое слово используются 28 бит информации и 12 бит коррекции ошибок; в обратном КУ используются
36 информационных бит и 12 бит коррекции ошибок. Код с такой структурой способен исправлять однократную ошибку и обнаруживать
4 ошибки. Информационные слова - это сложные пакеты информации, разделенные на группы или на отдельные разряды, каждый из которых определяет параметры системы, номер серии, цифру в набираемом номере и т.д. Более точное содержание формата внутри слова зависит от типа сообщений.

Аналогичным образом организуется обмен информацией по КУ в системе АМРS, в которой длина формата сообщения по прямому
КУ составляет 463 бита.

В японской системе NТТ прямой канал управления называется вызывным каналом, поскольку по этому каналу производится вызов
АС; обратный КУ, называемый каналом доступа, используется при исходящем соединении. Информация по каналам управления переда- ется в цифровом виде со скоростью 300 бит/сек манчестерским ко- дом. Длина стандартного сигнала составляет 43 бита, включая 12 контрольных разрядов. Все управляющие сигналы передаются после
8-разрядной синхрогруппы. В сигнале управления, поступающем со стороны АС, содержится 24-разрядный заголовок, стартовый сигнал, используемый как синхронизирующий, и сигнал, открывающий вход- ной логический элемент БС. Заголовок и стартовый сигнал выде- ляются на БС, остальная информация поступает на СУ. В состав ин- формации, которую СУ непрерывным потоком передает по вызывному каналу, входит номер вызываемого района и номер используемого канала доступа. Если информации для АС нет, далее следует конт- рольное заполнение.

Помимо каналов управления в системе NТТ между каждой БИ и станцией управления введен канал для эстафетной передачи под- вижной станции из одной зоны в другую, в котором передаются не- обходимые сообщения со скоростью 12 кбит/сек.

В рассмотренных системах радиотелефонной связи радиокана- лы используются как продолжение кабельных линий. Обмен сигнала- ми происходит между ЦС и АС; БС выполняет функцию преобразовате- ля радиосигналов в телефонный сигнал. Радиоканалы, как правило, предоставляются со стороны ЦС. Выбор каналов определяется допол- нительными алгоритмами на станции, которые не учитывают особен- ности распространения радиоволн, поэтому при установлении связи могут возникать потери вызова из-за низкого уровня сигнала, пе- редаваемого по радиоканалу. Для повышения эффективности исполь- зования каналов необходимо контролировать радиоканалы по различ- ным параметрам, применяя децентрализованный контроль на каждой
БС.

Вместе с тем широкое применение цифровой обработки сигналов при построении систем радиотелефонной связи позволила изменить существующее положение. Примером может служить широкополосная
ССС CD=900, в которой все служебные процедуры (установление сое- динения, выделение свободных разговорных каналов) ведутся по ка- налу управления.Кроме того,по КУ БС выдает объединенную информа- цию о поиске АС в своей ячейке. Дуплексный КУ представляет собой непрерывно повторяющиеся временные "окна" (каналы) длительностью
75 мс каждый. Временные каналы нумеруются от 1 до 32 и формиру- ются в непрерывные временные кадры длительность 2,4 с. Для дос- тижения минимальной вероятности блокировки каждое "окно" делит- ся на 2 информационных блока, в результате чего формируются 2 независимых дуплексных канала.

Для повышения эффективности работы в системе организовано установление очереди для вызовов, поступающих в обоих направле- ниях передачи. Это позволяет сократить на 20-25% число КУ и сни- зить их непроизводительную загрузку.Установление очереди сводит- ся к тому, что если в момент поступления вызова все разговорные каналы заняты, то нет необходимости повторного набора номера.
При исходящих вызовах разговорные каналы назначаются только по
КУ, после чего в разговорном канале проходит тест для проверки качества связи. Если канал неисправен, он заменяется другим.
Алгоритм выбора канала построен таким образом, чтобы новый канал был достаточно разнесен от неисправного канала для уменьшения взаимного влияния.

На основе систем МАТSЕ и CD-900 разработана цифровая ССС
ЕС-900 (ФРГ), где в качестве КУ может использоваться любой раз- говорный радиоканал из группы, выделенной для БС. На каждой БС используется несколько КУ. Для каждой 16-канальной группы раз- говорных радиоканалов назначается один КУ.Так же,как и в CD-900, в системе ЕС-900 организуются двухсторонние очереди для поступа- ющих вызовов. Канал управления состоит из временных кадров дли- ной 192 бита длительностью 80 мс каждый. Структура кадра соот- ветствует системе МАТSЕ. Отличие состоит в том, что для инфор- мационного поля выделяется 160 бит (10 кодовых слов длиной по
16 бит каждое), а для управления доступом в КУ используется
16 бит. Обратный КУ от АС к БС строится аналогично системе
МАТSЕ. Наиболее эффективной считается скорость передачи по КУ в направлении от АС к БС 800 бит/с, от БС к АС 1000 бит/с, для управления доступом принимается скорость 200 бит/с.

2.3. Определение местоположения АС в ССС.

Особенность коммутационных станций ССС по сравнению со стан- циями телефонной сети общего пользования обусловлено тем, что абоненты находятся в движении и могут переместиться в зону об- служивания любой БС. Таким образом, для установления соединения с подвижной АС необходимо располагать информацией о местоположе- нии абонента. С этой целью в ССС введена процедура регистрации местоположения подвижной АС. Согласно рекомендациям МККТТ коор- динаты АС должны определяться с точностью до зоны либо до группы зон. Регистрация местоположения должна быть организована так, чтобы обеспечивалось своевременное изменение данных о местополо- жении АС и максимально облегчался поиск АС в случае изменения зоны обслуживания. Рекомендуемый МККТТ алгоритм регистрации местоположения АС показан на рис. 6.

Абонентская станция начинает процедуру установления место- положения только в том случае, если последовательность, опреде- ляющая зону обслуживания, которая записана в памяти АС, не сов- падает с вновь поступившей. Регистрация местоположения считается завершенной, если получено подтверждение от ЦС. Результаты ре- гистрации местоположения АС поступают в специальный регистр для записи местоположения.

В ССС большой емкости, охватывающей большую территорию, мо- гут действовать несколько ЦС. Каждый абонент зарегистрирован на конкретной ЦС, т.е. необходимые данные об АС записываются в ре- гистр местоположения адресной ЦС. Если АС переезжает в зону об- служивания другой ЦС (визитной), то данные о местоположении АС записываются в регистр местоположения новой ЦС и хранятся в нем до тех пор, пока АС не покинет зону обслуживания визитной ЦС, которая до этого момента будет следить за всеми передвижениями
АС и информировать о них адресную ЦС. Визитная ЦС предоставляет абоненту все необходимые виды соединений в процессе установле- ния соединения визитной ЦС может потребоваться дополнительная информация, которая хранится только на адресной ЦС. По запросу визитной ЦС адресная ЦС передает требуемую информацию. Приме- ром ССС, в которой действует несколько ЦС, взаимодействующих между собой, является система NТТ, которая введена в действие с 1979 г. в районе г.Токио. Первоначально управление сетью осу- ществлялось одной ЦС. Для увеличения числа абонентов и террито- рии обслуживания потребовалось увеличить число ЦС до 9 в 1984 г.
Для взаимодействия между собой использованы каналы переключения между ЦС, обмен информацией по которым производится в соответ- ствии с системой сигнализации МККТТ N 7.

Наличие в ССС нескольких ЦС сказывается на времени установ- ления связи. Практически независимо от числа узлов коммутации в системе сигнализации МККТТ N 7 среднее время установления сое- динения при исходящем вызове составляет около 8 с, что, по мне- нию экспертов, не является ограничивающим фактором для внедрения рассматриваемой структуры сети.

2.4. Управление входящего вызова в ССС.

В действующих ССС процедура установления соединения входя- щего вызова любой АС осуществляется следующим образом. При пос- туплении на ЦС заявки на входящее для АС соединение ЦС по кана- лу передачи данных передает на БС команду вызова данной АС, ко- торая, получив от БС вызов, передает в КУ сигнал подтверждения получения вызова, транслирующийся через БС на ЦС. В ответ ЦС передает на АС номер свободного разговорного радиоканала. После настройки на частоту выделенного радиоканала АС сообщает на ЦС о своей готовности, которая, в свою очередь, посылает сигнал
(звонок) вызываемому абоненту. Когда абонент снимает трубку, ЦС подключает разговорный тракт, при этом в течение сеанса связи постоянно контролируется качество передачи.

Протокол установления входящего вызова в системе NМТ пред- ставлен на рис. 7. В исходном состоянии АС настроена на вызыв- ной канал с максимальным уровнем сигнала. Вызов в сторону АС производится от ЦС через все БС, которые относятся к так называ- емой зоне вызова, где расположена АС в данный момент времени.
Получив сигнал вызова, подвижная станция по обратному КУ пере- дает подтверждение, поступающее на ЦС. Получив подтверждение, на ЦС выделяется разговорный радиоканал (РК), номер которого сообщается по КУ на АС, после чего КУ освобождается. Далее осу- ществляется контроль установленного разговорного тракта АС-ЦС на правильность выполненный операций. При этом по запросу ЦС от АС передается ранее принятый номер РК, который проверяется на соответствие. В случае отсутствия ошибок ЦС передает испол- нительную команду вызова "включить сигнал" (звонок). Входящий вызов завершается окончательным проключением разговорного трак- та и включением на БС тонального сигнала 4 кГц (внеполосная модуляция в РК) для непрерывного контроля качества передачи.

Процедура установления входящего вызова в системах АМРS и ТАСS практически идентична, однако отличается от рассмотрен- ного протокола. В исходном состоянии АС настраивается на час- тоту КУ с наиболее высоким уровнем сигнала. По КУ передается непрерывной поток информации, содержащий сигналы входящего вы- зова. Получив со стороны сети заявку на входящее соединение,
ЦС по проводному каналу передачи данных дает команду всем БС вызвать данную АС. Этот вызов транслируется на АС по КУ. Получив сигнал вызова, АС с помощью метки "свободно/занято", имеющейся в формате КУ, проверяет возможность доступа в обратный КУ и выдает через БС на ЦС подтверждающее сообщение, которое содержит собственный номер АС. Приняв это сообщение, ЦС анализирует поступившую информацию, определяет номер обслуживающей БС, выбирает свободный РК на данной БС и в информационном формате канала управления отмечает состояние этого канала как "занято"
(в течение 1-4 мс).Это позволяет снизить вероятность конфликтной ситуации при занятии КУ несколькими абонентами.

Затем по разговорному каналу ЦС посылает повторный вызов на
БС с указанием номера выделенного РК и номера специального сигнала SAT (Supervisopy Audio Tone), который применяется для контроля исполнения команд и контроля качества передачи. В качестве сигнала SAT в одной ячейке ССС может использоваться одна из трех тональных частот: 5970, 6000 и 6030 Гц.
Следовательно, в ССС с коэффициентом повторения частот С=7 можно обслуживать 21 ячейку без повторения этих сигналов в

радиоканалах с одинаковой частотой. Сигнал SAT постоянно передается в канале во время разговора. В том случае, когда обнаружено это прерывание, АС включает таймер и , если SAT не будет обнаружен по истечении определенного времени, АС переключается на частоту КУ и сеанс связи заканчивается.

В процессе эстафетной передачи абонента из зоны в зону АС уведомляется о номере сигнала SAT специальным сообщением.
Получив информацию от ЦС, АС перестраивается на указанную частоту свободного радиоканала и по этому радиоканалу передает на ЦС выделенный сигнал SAT. При его распознавании на БС принимается решение о готовности дуплексного радиоканала БС-АС к передаче, о чем сообщается на ЦС соответствующим сигналом. Далее производится коммутация наземной телефонной линии ЦС-БС радиоканалом БС-АС и соответствующей командой АС приводится в готовность. Если абонент свободен, то от АС по назначенному разговорному радиоканалу на БС передается тональный сигнал ST
(Signalling Tone) частотой 8 кГц, который прерывается при снятии трубки абонентского аппарата. По сигналу ST БС сообщает на ЦС о готовности АС, и ЦС посылает абоненту сигнал вызова (звонок).
При снятии сигнала ST ЦС проключает весь разговорный тракт, передает в канал сигнал SAT и следит за результатами измерений качества передачи. При завершении разговора от АС передается сигнал ST и сигнал о перестройке на частоту КУ, поэтому БС сообщает на ЦС об окончании связи, после чего коммутационное оборудование освобождается.

Следует отметить, что в отличие от алгоритма входящего вызова системы NMT в данном алгоритме контроль достоверности принимаемых сообщений частично перенесен на блок управления АС.
Например, с его помощью определяется соответствие между принятым номером РК и номером КУ, который обслуживает данную группу разговорных радиоканалов.

В системе NTT имеются отличия от описанного выше порядка установления входящего вызова, обусловленные тем, что при построении сети используются два служебных канала - канал управления и канал эстафетной передачи АС, а также промежуточные станции управления. При поступлении вызова он передается на адресную ЦС, где хранится вся информация об АС. В зависимости от точности определения местоположения АС, станция управления посылает на одну или несколько БС сигналы вызова АС, которые по прямому КУ излучаются в эфир. Вызов от СУ может повторяться дважды. После ответа АС станция управления начинает поиск свободного разговорного радиоканала в группе каналов, выделяемых для данной ячейки. После того как канал найден, СУ передает на
ЦС первый ответный сигнал, содержащий информацию о номере ячейки, в которой находится АС, и номер выбранного РК, передаваемого также через БС на АС по КУ. От СУ на ЦС передается второй ответный сигнал, получив который ЦС через СУ передает вызванному абоненту сигнал вызова (звонок). Одновременно СУ выдает команду на БС об изменении напряженности поля в разговорном радиоканале, результаты которого передаются по каналу эстафетной передачи.

После снятия абонентом телефонной трубки на СУ и ЦС проключается разговорный тракт.

Сравнив рассмотренные процедуры установления входящего вызова, отметим следующее:

1. В системах АМРS и ТАСS отказ в установлении соединения из-за неисправности разговорного радиотракта может произойти на

начальных этапах установления соединения, в то время как проверка разговорного радиоканала в системе NTT происходит на заключительном этапе. Это приводит к увеличению времени непроизводительного занятия ЦС, СУ и оборудования БС в системе
NTT.

2. В системе NTT протоколы установления соединений не содержат операции подтверждения приема каждой переданной команды, что может привести к ложным срабатываниям.

3. В системе NTT введен дополнительный канал - канал эстафетной передачи, что привело к усложнению алгоритмов работы системы, а следовательно, и программного обеспечения.

4. В системе NMT контроль качества передачи осуществляется по единому в сети пилот-сигналу (4 кГц), что делает систему более чувствительной к уровню взаимных помех, обусловленных повторным использованием радиоканалов с одинаковой частотой.

2.5. Установление исходящего вызова в ССС.

Исходящий вызов от АС может быть предназначен как для абонента ТФОП, так и для абонента ССС. Для установления исходящего соединения на АС набирается номер вызываемого абонента;этот номер передается на БС и далее транслируется на ЦС по каналу передачи данных. После анализа информации и выделения свободного РК в действующих ССС организуется тест контроля состояния каналов, устанавливается соединение и в сторону вызываемого абонента посылается вызов. После ответа абонента проключается тракт.

В системе NMT в исходном состоянии АС настраивается на частоту КУ, в качестве которого используется один из разговорных радиоканалов. Абонент АС набирает номер, который переписывается в запоминающее устройство (ЗУ), и снимает трубку. После выбора свободного РК по нему передается сигнал "канал занят". Со стороны ЦС производится подтверждение принятия сигнала "канал занят", на который АС выдает ответное подтверждение. При получении этого подтверждения ЦС передает на АС сигнал готовности к приему номера. Из ЗУ АС по разговорному радиоканалу транслируется номер вызываемого абонента, и после подтверждения приема номера на БС проводная телефонная пара подключается к радиоканалу. Ответ вызываемого абонента служит основанием для проключения разговорного тракта и включения тонального пилот-сигнала с частотой 4 кГц на БС для контроля качества передачи. Таким образом, обмен сигналами в системе NMT ведется по разговорным радиоканалам, система работает с взаимным многократным подтверждением приема каждого сигнала, что обеспечивает высокую надежность установления связи.

В системах АМРS и ТАСS управление при исходящем вызове основано на на применении сигналов SAT и ST. Как и в системе NMT, номер вызываемого абонента записывается в ЗУ абонентской станции. Затем АС проверяет состояние обратного КУ на занятость, т.е. определяет возможность доступа в прямой КУ.
Получив доступ, АС передает исходящий вызов, в котором содержится номер вызывающей АС и номер вызываемого абонента; БС транслирует исходящее сообщение по каналу передачи данных на ЦС, где осуществляется проверка на несанкционированный доступ вызывающего абонента к данной системе. Если абонент имеет право доступа к сети, то ЦС инициирует в течение 1-4 мс состояние обратного КУ как "занято", выделяет свободный РК и сигнал SAT; одновременно с этим устанавливается соединение в сторону вызываемого абонента и ему передается вызов. Получив номера РК и сигнала SAT, АС настраивается на частоту разговорного радиоканала и по нему передает соответствующий сигнал SAT через
БС на ЦС, после получения которого осуществляется проверка разговорного тракта ЦС-БС-АС. Далее ЦС ожидает ответа абонента и при снятии абонентом трубки проключает разговорный тракт и ведет контроль за качеством речи.

Установление исходящего вызова в системе NTT в отличие от рассмотренных выше систем производится с участием СУ. Набранный номер записывается в память АС, и по каналу КУ через БС на СУ поступает сигнал "начало вызова", в котором содержится номер вызывающего абонента. Затем СУ выбирает свободный РК и передает

номер этого радиоканала на АС. Одновременно СУ передает на ЦС синхросигнал по каналу передачи данных, а в сторону БС СУ дает команду эстафетной передачи об изменении напряженности поля для контроля качества передачи. После завершения процедуры организации разговорного тракта СУ считывает номер вызываемого абонента из ЗУ АС и устанавливает соединение между абонентами.
Таким образом, в системе NTT обмен сигналами происходит по служебным каналам трех типов, что усложняет алгоритм и программное обеспечение управляющего комплекса, а также схему АС и БС и снижает надежность установления связи.

Сопоставляя протоколы входящего и исходящего вызовов в рассмотренных системах, можно отметить, что организация разговорного тракта содержит однотипные операции управления. Это означает, что программы, обеспечивающие входящий вызов, могут быть реализованы в виде подпрограмм режима исходящего вызова.

2.6. Протоколы поддержания непрерывной связи в ССС.

Одной из основных проблем при разработке ССС является обеспечение непрерывной связи в течение сеанса передачи во время передвижения АС по территории обслуживания. Принцип этой операции, вызываемой "эстафетной передачей" АС, заключается в следующем. Для оценки качества передачи в установленном разговорном тракте по РК непрерывно передается пилот-сигнал для постоянного измерения отношения сигнал/помеха по мощности .
Если величина принимает значение ниже установленного порогового уровня, то начинается процедура эстафетной передачи. Снижение мощности принимаемого полезного сигнала может происходить при выходе АС из зоны действия БС, а также при перемещении подвижного абонента в зону с длительными замираниями сигналов. В действующих системах при ухудшении качества передачи от ЦС по БС поступает команда измерить величину в РК. Измерение производится с помощью специальных приемников, которые могут быть настроены на частоту любого радиоканала системы. Оценивая полученные от БС результаты измерений, ЦС выбирает зону с максимальным отношением сигнал/помеха и переключает АС на новый радиоканал.

Протокол обмена сообщениями в режиме эстафетной передачи в системе NMT представлен на рис. 8. В этой системе контроль за качеством речи ведется по тональному пилот-сигналу с частотой
4 кГц, который методом внеполосной модуляции вводится в разговорный тракт на БС1, излучается совместно с речевым сигналом и ретранслируется обратно. При снижении величины ниже порогового значения ЦС выдает на соседние базовые станции команду произвести измерение отношения сигнал/помеха с указанием номера радиоканала РК1. По результатам измерений ЦС выбирает БС с максимальным значением величины (например, БС2) и выделяет свободный радиоканал РК2 в зоне действия БС2. По радиоканалу РК1 через БС1 на АС передается номер нового радиоканала РК2, по которому АС и ЦС взаимодействуют сигналами
"передача-подтверждение". По окончании обмена ЦС производит переключение соответствующих устройств и проводной телефонной пары для продолжения разговора по новому разговорному каналу.
После всех переключений необходимых цепей с БС1 на БС2 ЦС освобождает телефонную пару, соединенную с РК1 на БС1.

В системах АМРS и TACS протокол обмена сообщениями в рассматриваемом режиме отличается от систем NMT лишь тем, что контроль за качеством передачи ведется с помощью сигнала SAT. По мере приближения АС к границе ячейки величина отношения сигнал/помеха уменьшается. Поэтому БС1 может выдать на ЦС сигнал
"ухудшение качества", по которому ЦС идентифицирует шесть окружающих БС и дает им команду измерить уровень сигнала SAT1 в данном РК. Центральная станция сравнивает полученные результаты и выбирает новую ячейку с более высоким уровнем сигнала, например БС2, в направлении которой передает номер нового РК и номер SAT2. Это сообщение транслируется на АС в разговорном радиоканале, по которому ведется сеанс связи. Подтверждением получения информации является кратковременное (на 50 мс) прерывание сигнала SAT2, зафиксировав которое БС1 посылает сигнал исполнения на ЦС. В новом радиоканале АС передаем на ЦС сигнал готовности, ЦС производит соответствующую перекоммутацию, освобождая БС1, и проключает новый разговорный тракт. Контроль

за качеством передачи ведется по сигналу SAT2, дискретная информация передается в РК методом бланкирования, при котором речевые сигналы прерываются. Вся процедура эстафетной передачи занимает около 250 мс, поэтому для абонента момент переключения происходит незаметно.

В системе NTT различаются три случая эстафетной передачи:

- АС перемещается в пределах зоны обслуживания СУ;

- АС перемещается в пределах зоны обслуживания ЦС;

- АС перемещается в зону обслуживания другой (визитной) ЦС.

Рассмотрим эстафетную передачу АС при ее перемещении в пределах зоны обслуживания СУ. При ухудшении качества передачи по каналу эстафетной передачи БС1-СУ передается сигнал
"ухудшение качества" и СУ передает по каналу эстафетной передачи команду на соседние БС "измерить напряженность поля на "заданной частоте" и выбирает ту БС, результат измерения которой удовлетворяет двум условиям:

- величина напряженности поля должна быть максимальной из всех полученных;

- разница между выбираемой величиной напряженности поля и исходной, полученной от БС1, должна быть не менее 5 дБ.

Выбрав БС2, СУ ищет свободный РК2 в направлении БС2 и по каналу передачи данных передает на ЦС сигнал занятия РК2. После того как установлен разговорный тракт ЦС-СУ, СУ передает номер
РК2 на АС через БС1 по каналу эстафетной передачи. При этом АС настраивается на частоту радиоканала РК2 и передает по каналу эстафетной передачи на СУ сигнал подтверждения, получив который
СУ освобождает РК1 и производит соответствующую перекоммутацию.
Весь процесс эстафетной передачи в этом случае занимает около
800 мс.

Таким образом, в системе NTT алгоритм взаимодействия между телефонными станциями сети оказывается наиболее сложным, поскольку введены промежуточные станции управления. Вместе с тем такой подход не предъявляет жестких требований к производительности СУ, так как нагрузка в системе управления распределяется между ЦС и СУ, а требование высокой пропускной способности обеспечено введением дополнительного канала управления.

2.7. Примеры реализации центральной системы.

В системе NMT в качестве ЦС используется электронная автоматическая телефонная станция типа DХ 200 МТХ. Эта станция может применяться на всех уровнях сети, т.е. в качестве оконечной, зоновой, узловой и междугородной станций.
Максимальная абонентская емкость DХ 200 МТХ, используемой в качестве ЦС, - 100 тыс. номеров, максимальное число радиоканалов
3500. Система имеет пропускную способность 100 тыс. вызовов в час, что соответствует интенсивности обрабатываемой нагрузки
2500 эрл. (при средней занятости 90 с). Система управления может расширяться по мере необходимости.

При обслуживании станцией DХ 200 МТХ комбинированной нагрузки проводной и радиотелефонной сетей максимальная абонентская емкость определяется удельной нагрузкой абонентских линий. Структурная схема станции приведена на рис. 9. Станция DХ
200 МТХ, используемая в качестве ЦС, имеет три выхода на окружающие технические средства: выход на ТФОП, выход к БС, выход к системе технической эксплуатации станции. Станция DХ 200
МТХ одновременно используется и как одна из АТС, следовательно, должна выполнять те же функции, что и любая АТС ТФОП. На DХ 200
МТХ установлено оборудование соединительных линий, обеспечивающее линейное согласование станционного оборудования и линий связи, обмен сигналами в процессе обслуживания соединения.
Так как DХ 200 МТХ является электронной станцией, то при подключении аналоговых соединительных линий устанавливаются cогласующие устройства ИКМ. Коммутационная система ЦС, состоящая из модулей 32х32 линий ИКМ, производит коммутацию временных каналов линий ИКМ в соответствии с командами управления, которые выдаются в процессе установления вызова.
Емкость коммутационной системы наращивается добавлением модулей, которые образуют группы с максимальной емкостью 256 линий ИКМ
(7680 разговорных каналов). С целью повышения надежности работы коммутационная система полностью дублируется.

Обработка вызовов на станции функционально разделена и производится микропроцессорными блоками (микро-ЭВМ), соединенными между собой с помощью быстродействующей шины сообщений. Для повышения надежности микропроцессорные блоки дублированы. Оборудование станции может наращиваться по мере роста емкости станции. Оборудование рассмотренной станции предназначено для работы в ТФОП. При использовании DХ 200 МТХ в
ССС к оборудованию станции добавляются специальные блоки: а) блок обслуживания нижних уровней протокола сигнализации NMT
(блок не дублируется, устанавливается на каждой поступающей от
БС линии ИКМ); б) блоки обслуживания сигнализации между АС и ЦС
(при определении местоположения АС и в процессе эстафетной передачи АС). Число блоков зависит от емкости станции, минимально устанавливаются два блока. Техническая эксплуатация
DХ 200 МТХ осуществляется с помощью системы технической эксплуатации.

Функции управления станцией делятся на три уровня обработки информации: первичная, вторичная и контроль за работой АТС
(мониторинг). Такое деление позволяет оптимизировать оборудование для каждого из соответствующих уровней управления.

Нижний уровень (уровень3) включает предварительную обработку внутристанционной информации, а также информации, поступающей от абонента. Оборудование состоит из ряда блоков сопряжения, главной задачей которых является управление сигналами набора номера и линейными сигналами в режиме реального времени.
Вторичная обработка информации (уровень 2) также связана с обработкой поступающей от абонента информации: управление сигнализацией, анализ поступающей цифровой информации, маршрутизация. Верхний уровень управления (уровень 1) обеспечивает работоспособность станции. Разделение функций управления на три уровня и их реализация рассредоточенными микро-ЭВМ повлекла за собой соответствующее разделение программного обеспечения на программы технической эксплуатации, программы обслуживания вызовов, программы предварительной обработки. Посредством такого функционального деления различные задачи разделены на каждом уровне. Каждая задача выполняется с помощью своей программы-задания. Программы-задания каждой микро-ЭВМ образуют пакет прикладных программ, внутреннее взаимодействие между которыми осуществляется посредством обмена сообщениями.

Пакет программ технической эксплуатации является самым большим в системе и включает в себя программы, обеспечивающие эксплуатацию, техническое обслуживание и диалог между оператором и ЭВМ. Эти программы делятся на группы: программы обслуживания абонентов, маршрутизации, учета нагрузки и стоимости разговора, административного управления. Программы технической эксплуатации обеспечивают контроль и наблюдение за работой оборудования станции, анализ поступающей аварийной сигнализации и восстановление работоспособности станции, статистическую обработку отказов. Имеющиеся в пакете программы взаимодействия обеспечивают связь с периферийным оборудованием.
В состав пакета также входят программы, обеспечивающие обмен данными между диспетчером и станцией. Поскольку пакет программ весьма велик, а сами программы вызываются и исполняются через сравнительно большие промежутки времени, то они записаны на магнитном носителе и по мере необходимости загружаются в оперативную память для выполнения.

Структура программ обслуживания вызова основана на принципе разделения процессов вызова на входящий и исходящий. Программы обслуживания сигнализации соответственно разбиты на программы регистровой и линейной сигнализации. Пакет программ линейной сигнализации производит обработку и формирование линейных сигналов по запросам из пакета обслуживания вызовов, причем может обслуживаться любая система линейной сигнализации. Имеется пакет программ для обслуживания сигнализации в соответствии с рекомендациями МККТТ N 7. Имеется также пакет программ MFC/РВ, который обслуживает линии с многочастотной и тастатурной сигнализациями, из которого посылаются сообщения в пакет обслуживания вызова о поступлении сигналов и ведется управление посылкой сигналов МFC по директиве, полученной от программы обслуживания вызова.

Поскольку сигнализация всех возможных типов проходит преобразование в формат стандартной внутренней сигнализации станции, то для работы с любым типом внешней сигнализации достаточно добавить соответствующую программу преобразования в программное обеспечение станции. Поэтому DХ 200 МТХ легко адаптируются к любым сетям. Кроме того, в пакет программ

обслуживания вызова входят программы управления системой коммутации и программы доступа к центральному ЗУ, а также программы для определения характеристик трафика. Этот пакет представляет собой совокупность программ, образующих систему, готовую к загрузке в память ЭВМ. Программы, участвующие в обслуживании нагрузки и поэтому используемые наиболее часто, хранятся в оперативных ЗУ. Более редко используемые программы хранятся на магнитном носителе и загружаются в оперативную память микро-ЭВМ по мере необходимости.

Программное обеспечение предварительной обработки состоит из небольших пакетов, основной функцией которых является обработка сигналов, необходимых для программ обслуживания соединения, в реальном масштабе времени. Пакет этих программ используется также для первичной обработки сигналов от абонентов, для обеспечения обменом сигналами по абонентской линии и подключении ее к свободному каналу в соответствии с сообщениями из программы обслуживания вызовов.

Системное обеспечение является базисом, который организует совместную работу всех программ и их выполнение в ЭВМ. Имеется стандартный набор программ, состоящий из операционной системы и некоторых дополнительных программ. Собственно операционная система предназначена для обслуживания вызовов и обеспечения обмена сигналами между остальными программами. Все параметры, описывающие конкретные индивидуальные характеристики данной станции, сгруппированы в блок станционных параметров. Таким образом, увеличение емкости станции вызывает лишь необходимость изменения данных в этом блоке. Благодаря большой глубине модульности все программы могут быть последовательно проверены, что обеспечивает надежность работы. Поскольку программные элементы независимы, то введение какого-либо нового требования или функции затрагивает лишь соответствующий элемент, который можно модифицировать, заменять или расширять независимо от других.

В ССС в качестве ЦС широко используется цифровая автоматическая телефонная станция с распределенным управлением типа System 12, при этом обмен информации между ЦС и АС ведется через модемы, работающие со скоростью 1200 бит/с. Поскольку
System 12 полностью цифровая станция, аналого-цифровое преобразование информации производится на БС. Канальный модуль
АС может осуществлять управление максимум 30 каналами, в числе которых могут быть КУ и РК, относящиеся к одной или нескольким
БС.

Для использования электронной АТС типа System 12 в ССС в программное обеспечение станции вводятся два новых программных модуля в дополнение к существующим: для управления каналами, оборудованными модемами, и для обработки информации по определению местоположения АС, эстафетной передаче АС, обработке информации об изменении качества передачи. При организации ССС в
Бельгии предполагается, что первоначально ЦС типа System 12 будет работать с 45 БС и обслуживать 5000 абонентов, в последующем планируется увеличение емкости сети до 50000 абонентов и увеличение числа БС до 245. Максимальная емкость
System 12 при использовании ее в качестве ЦС ограничивается только стоимость кабельной сети. Поэтому считается целесообразным организовать в ССС вторую ЦС также типа System
12. Применение System 12 планируется и при проектировании полностью цифровых ССС, например СD-900.

2.8. Выводы.

Рассмотренные алгоритмы работы сотовых сетей связи и протоколы управления в различных режимах работы показали, что в системах, эксплуатируемых в настоящее время, имеется ряд отличий, обусловленных различием характеристик используемой аппаратуры, вычислительной и коммутационной техники.

При создании перспективных цифровых ССС имеются чрезвычайно важные проблемы, среди которых следует выделить выбор методов уплотнения каналов связи, рациональных методов модуляции для передачи речевых сообщений, способных обеспечить хорошую разборчивость при низких скоростях передачи по радиоканалам, что приведет к высокой спектральной эффективности цифровых ССС. При их разработке необходимо ориентироваться на результаты проводимых испытаний цифровых сотовых сетей связи, учитывая имеющийся опыт эксплуатации действующих ССС, а также рекомендации МККР и МККТТ.

Раздел III. Принципы проектирования ССС.

3.1. Цели проектирования и исходные данные.

Приведенные ниже принципы проектирования основываются на опыте проектирования сотовых сетей связи во многих странах мира и, прежде всего, на опыте фирмы NOKIA.

Целью проектирования сети является:

- обеспечение охвата требуемой зоны обслуживания с высоким качеством речевой связи;

- обеспечение емкости для обслуживания абонентской нагрузки с низкой интенсивностью потерь.

Путем эффективного проектирования сети (например, путем разделения зоны действия базовой станции на секторные сотовые ячейки), а также использования имеющихся сооружений (зданий, мачт, линий передач и т.д.), можно достичь минимальной стоимости инфраструктуры сотовой сети. При проектировании сотовых сетей каждый проект выполняется с учетом желаний и возможностей заказчика.

Для составления окончательного проекта сети требуется четкая информация о следующих основных параметрах:

- количество имеющихся свободных каналов (в зависимости от ширины полосы и разноса между каналами)

- планируемые зоны обслуживания (города и магистральные дороги)

- топография и типы местностей в зонах обслуживания (карты)

- существующие сооружения и т.п. (список предлагаемых пунктов расположения базовых станций)

- оценка распределения и прироста абонентов и нагрузки

- прочие параметры проектирования (нагрузка на абонента, допустимая интенсивность потерь, минимальная приемлемая напряженность поля и т.д.)

Так как все вышеупомянутые параметры фактически нам не известны, мы производим здесь только предварительный расчет максимальной емкости. Он содержит оценку требуемых материалов
(базовых станций и каналов).

Перед проектированием сети стоят две разные цели, зависимые от обслуживаемой местности.

1. В сельских местностях главная задача - это произвести большие зоны охвата с высокой мощностью передачи и высокими антеннами (обычно с помощью ненаправленной антенны).

2. В городах, где нагрузка интенсивная, главная задача - это обеспечение максимальной емкости и компактных размеров ячеек с небольшой мощностью и низкими антеннами (часто с помощью направленной антенны и секторных ячеек). Проблема проектирования сетей городских районов состоит в том, что применяются одни и те же частоты с минимальной внутриканальной помехой.

В городских районах целесообразно использовать "зонтичные" базовые станции, т.к. они охватывают и такие районы, которые недостаточно хорошо охвачены малыми ячейками.

3.2. Проектирование радиотелефонной сети.

В начале проектировщику радиотелефонной сети нужны данные о вышеупомянутых параметрах. Их он может получать путем изучения предлагаемых пунктов расположения базовых станций.
Топографические карты необходимо иметь при составлении плана сети (прогноз зоны охвата и распределение каналов с минимальными взаимными помехами) с помощью автоматизированных средств проектирования. Измерения зоны охвата выдают информацию о фактическом распространении радиоволн и одновременно дают заказчику точное определение охвата и функционирования сети.

Проектирование сети охватывает и определение параметров телефонной станции подвижной службы (ТСПС), что влияет на удачную передачу соединения из одной сотовой ячейки в другую.

Проектирование сети - это бесконечный процесс. Действующая сеть выдает информацию о распределении трафика и прироста абонентов и эта информация может, в свою очередь, влиять на составленные раньше проекты устройства сетей. Проектирование сети постоянно расширяется, как и сама сеть.

3.3. Технические характеристики и основы для расчета сетей.

Полоса частот 2 х 4,5 МГц
Разнос между каналами 25 кГц
Количество каналов 180
Размер узла (модель группы повторяющихся ячеек) 9
Макс. интенсивность потерь в ЧНН 5% (3 мин. на час)
Средняя создаваемая нагрузка на абонента 25 мЭрл
Тип базовой станции (БС) NMT-450
Количество каналов/статив в БС 8
Чувствительность базовой станции