Міністерство освіти Республіки Білорусь
Установа освіти
«Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки»
кафедра Мереж і пристроїв телекомунікацій
РЕФЕРАТ
На тему:
«Стандарти стільникового зв'язку 1-го і 2-го поколінь. Організація хендовери »
МІНСЬК, 2008
Стандарти стільникового зв'язку 1-го покоління.
Перші системи двосторонньої радіотелефонного зв'язку між рухомими об'єктами співаючи вилися більше 50 років тому. Зв'язок здійснювалася на фіксованих частотах, а передавав мі сигнали займали в ефірі широку смугу частот. З розвитком техніки традицион ної (конвенціональної) радіозв'язку виникли проблеми, пов'язані з обмеженим частотним ресурсом і низькою пропускною здатністю таких систем.
Ідея створення стільникових систем була заснована на розбитті території, що обслуговується на невеликі зони (соти), в кожній з яких розміщена, як правило, одна базова станція. Такий принцип організації зв'язку дозволяє збільшити число абонентів і підвищити якість зв'язку за рахунок повторного використання одних і тих самих частот в різних стільниках.
Однак пройшло багато років, перш ніж такі системи були реалізовані на практиці. Лише на початку 80-х років у ряді країн були розгорнуті комерційні системи стільникового зв'язку, що використовують для передачі мови аналогову частотну модуляцію. Однією з перших почала надавати послуги система NMT -450 (Nordic Mobile Telephone), створена в 1981 р. поряд Скандинавських країн. Незабаром з'явилися і інші системи, що працюють в діапазоні частот 400-500 МГц. Це були системи стандарту З-450 (Німеччина), Radiocom -2000 (Франція), RTMS-101Н (Італія).
Найбільш потужний поштовх до розробки нових систем стільникового та транкінгового радіо зв'язку був даний, коли почалося інтенсивне освоєння діапазону частот 800-900 МГц. С по явищем таких систем як AMPS (США), NMT -900 (Скандинавські країни), TACS і ETACS (Англія), HCMTS, J - TACS (Японія) почалася ера систем рухомого стільникового зв'язку (СПСС). Всі перераховані стандарти є аналоговими і відносяться до першого покоління систем стільникового зв'язку.
За своїми характеристиками СПСС першого покоління вигідно відрізнялися від викорис вуються раніше систем двосторонньої мовного зв'язку. Завдяки стільниковому принципом територіально-частотного планування вдалося добитися кращої якості зв'язку при більш ви сокой ефективності використання частотного спектру.
Стандарт NMT -450 особливо зручний при забезпеченні зв'язку на великих територіях з відносно малою щільністю населення. Цей стандарт до цих пір займає міцну позицію на ринку рухомого зв'язку. У Росії на частку NMT -450 припадає близько 10% всіх абонентів стільникових мереж, і він прийнятий поряд з GSM як федерального.
Перший досвід експлуатації аналогових систем дозволив виявити також і ряд прису щих їм недоліків: можливість прослуховування переговорів, наявність двійників, перевантаженість частотного діапазону внаслідок його неефективного використання, ограни ченности зони дії. Крім того, поширення радіохвиль в умовах інтенсивних міських забудов пов'язано з виникненням глибоких селективних завмирань, викликаних багатопроменевим поширенням радіохвиль. Наявність завмирань призводить до погіршення ставлення сигнал / шум на виході ЧС приймача на 10-20 дБ. Таким чином, з точки зору якості передачі мови системи першого покоління не виправдали сподівань, які на них очікувань.
Починаючи з середини 80-х років, в світі почалося інтенсивне зростання числа рухомих абонентів, що перевершив усі найсміливіші прогнози. Стало ясно, що існуючі аналогові системи, що базуються на великому числі несумісних один з одним стандартів, не відповідають сучасним вимогам, і перехід від діючих аналогових мереж до циф світовим технологіям є неминучим. Число абонентів аналогових мереж з кожним го будинок стрімко зменшується, а в деяких країнах намітився повна відмова від них.
Стандарти 2-го покоління
Перші проекти цифрових систем стільникового зв'язку, які зараз прийнято відносити до дру рому поколінню, з'явилися на початку 90-х років. Вони відрізняються від аналогових систем двома принциповими відмінностями [6]:
а) можливістю використання спектрально-ефективних методів модуляції у поєднаннi поєднаннi з тимчасовим (TDMA) і кодовим (CDMA) поділом каналів замість тради ційно використовуваного в аналогових системах частотного розділення каналів (FDMA);
б) наданням користувачам широкого спектру послуг за рахунок інтеграції переду чи мови та даних з можливістю шифрування (засекречування) даних.
Перехід на цифрові способи передачі та обробки інформації дозволив істотно скоротити число стандартів. До 1995 р. в світі діяли цифрові системи трьох стандартів - GSM, D - AMPS (IS -54, згодом IS -136) і Р D С.
Широке поширення набув загальноєвропейський стандарт GSM, який був створений за ініціативою спеціальної групи рухомого зв'язку Group Special Mobile, GSM (п озднее була запропонована інша розшифровка назви стандарту GSM - Global System for Mobile Communications), організованої в рамках ETSI. Перша комерційна мережа, що працює в стандарті GSM, була розгорнута у 1992 р. у Німеччині. З тих пір стандарт безперервно розвивається і вдосконалюється. Він вже адаптований для роботи в частотному діапазоні 1800 МГц (GSM -1800) і 450 МГц (GSM -400) в Європі і 1900 МГц (PCS) у США.
Початок розробки цифрових технологій у США поклав стандарт IS -54, вкотре розробляється з метою підвищення ємності діючих в США аналогових систем AMPS, і був схвалений в 1989 р. підкомітетом TR 45.3 TIA. У системі TDMA (D - AMPS, IS -136) закладені сучасні технічні рішення, що дозволили реалізувати 3 мовних каналу в одному частотному каналі системи AMPS (ширина каналу 30 кГц). Перші системи на базі цього стандарту були введені в експлуатацію в 1992 р. У США стандарт TDMA є базо вим - ним користуються більше 40% абонентів. Поширення технології TDMA не обмежується Північною Америкою.
У розвитку цифрового стільникового зв'язку від Європи і США не відставала і Японія, що розробила власний стандарт PDC (Personal Digital Cellular) 3 - персональна цифрова система стільникового зв'язку. Японський стандарт рухомого зв'язку був затверджений в 1994 р. Мережі на базі Р D З розгортаються в основному для національного використання і не роблять істотного впливу на світовий ринок. У Японії мережа Р D С забезпечує покриття практично всієї території, на якій проживає близько 99% її населення.
Експлуатація першої комерційної стільникової системи рухомого зв'язку на базі технології CDMA було розпочато у вересні 1995 р. в Гонконзі. До цього моменту стандарт IS-95 дістав схвалення ITU і увійшов до складу Рекомендації М.1073 1TU-R. Кількість стільникових мереж, побудованих на базі CDMA (IS-95) та надають послуги як фіксованого, так і рухомого зв'язку, неухильно зростає. Система CDMA застосовується в основному в тих випадках, коли потрібно побудувати мережу підвищеної ємності або з більш високою якістю передачі мови.
Наступний важливий крок у розвитку стільникових систем після введення цифрових технологій - перехід до мікростільниковою і пикосотовой структурі мереж. Використання таких мереж дозволяє обслуговувати абонентів у міських районах з інтенсивною забудовою та закритих зонах (офіси, підземні гаражі та ін.) Принципи побудови мікростільникових систем відрізняються від макросотовой систем. У них відсутня частотне планування, не забезпечується хендовери, не здійснюється вимірювання рівня сигналу. У 1992 р. був затверджений європейський стандарт DECT (Digital European Cordless Telecommunications) реалізує технологію радіодоступу з малою потужністю випромінювання (10-25 мВт) і забезпечує дуже високу щільність розташування абонентських пристроїв. Широке впровадження технології почалося з 1995 р., коли було продано близько 2 млн. терміналів.
Історично так склалося, що професійні системи радіозв'язку (в останні роки вони частіше називаються транкінгових) почали створюватися задовго до появи стільникових. До професійних систем, як відомо, відносяться різні відомчі та корпоративні радіомережі для швидкої допомоги, служб охорони порядку та ін Розвиток таких мереж йде в напрямку поліпшення якості та конфіденційності зв'язку.
Багато видів сучасних послуг не могли повною мірою надати системи першого покоління (SmartTrunk II, LTR, Multi - Net, Accessnet, Smartnet, EDACS, MPT 1327).
Відмітна особливість транкінгових систем - можливість ефективного використання смуги частот за рахунок організації вільного доступу до загального частотного ресурсу ретрансляційного пункту, що містить зазвичай кілька ретрансляторів, пов'язаних один з одним за допомогою загальної шини управління. Гнучка архітектура транкінг вих систем дозволяє передавати як індивідуальні виклики, так і виклики абонентів не скількох груп або відразу всіх абонентів мережі. Робота станції на випромінювання в таких систе мах зазвичай здійснюється не безперервно, а лише після натискання тангенти радіотелефону, що зменшує перевантаженість ефіру.
Проте існуючі мережі професійної зв'язку першого покоління не гарантують високої конфіденційності та надійного захисту від несанкціонованого доступу, і, що особливо істотно, не забезпечують аутентифікацію абонентів та ідентифікацію абонентського обладнання. Ці завдання намічено вирішити при створенні цифрових сис тем професійної зв'язку другого покоління (АРСО, ТЕТ R А), які покликані замінити величезну кількість несумісних один з одним аналогових стандартів.
Стандарт на цифрову систему транкінгового зв'язку АРСО 25 розроблений в США. Його реалізацію заплановано здійснити у два етапи з метою плавного переходу від існую щих аналогових мереж до цифрових. З технічної точки зору перехід до другого етапу пов'язаний із зниженням в 2 рази кроку сітки частот (до 6,25 кГц) і використанням спектраль але ефективною модуляції CQPSK.
Під впливом вражаючих успіхів стандарту стільникового зв'язку GSM в ETSI був роз ботан загальноєвропейський стандарт цифрового транкінгового системи радіозв'язку ТЕТ R А (TransEuropean Trunked Radio). У ТЕТ R А закладені універсальні технічні рішення, які дозволяє з мінімальними витратами реалізовувати систему в різних діапазонах частот і з відмінними протоколами зв'язку. Поряд з економією частотного ресурсу сис тема ТЕТ R А забезпечує великі можливості в частині нарощування технічних віз можностей, передбачаючи в перспективі надання послуг 3-го покоління і реалізації цію різних сценаріїв впровадження.
Системи рухомого супутникового зв'язку з'явилися близько 30 років тому, коли на орбіту був виведений геостаціонарний космічний апарат (КА) Marisat. Спочатку мобільні земні станції (ЗС) розроблялися як системи спеціального призначення (морські, повітряні, автомобільні, залізничні) і були орієнтовані на обмежене число користувачів. Надійність зв'язку була невисокою, що пов'язано з низькою енерговоо ружения рухомих об'єктів і проблемами забезпечення стійкості зв'язку при складному рельєфі місцевості та малих робочих кутах місця. Земні станції першого поко ління (стандарт Inmarsat - A) призначалися в основному для створення відомчих і корпоративних мереж з радіальної (або радіально-вузловий) структурою з великими цін траловими станціями.
Революційні перетворення в галузі мобільного супутникового зв'язку відбулися на початку 90-х і були обумовлені трьома факторами: комерціалізацією космічних програм, використанням низькоорбітальних і середньовисотних КА і повсюдним переходом на цифровий зв'язок з використанням цифрових сигнальних процесорів (DSP). Про цес конверсії супроводжувався запозиченням і перенесенням передових військових техноло гій в комерційні програми. У результаті були реалізовані кілька проектів глобальних систем супутникового зв'язку з КА на низьких орбітах (Indium, Globalstar), средневе сотні (ICO), а також дві регіональні системи (AceS і Thuraya).
Глобальна система персонального супутникового зв'язку Iridium була введена в експлуатацію в кінці 1998 р. Пропрацювавши близько півтора років, вона припинила своє існування. Деталь ний аналіз того, що сталося ще має бути, проте вже зараз ясно, що чудово задуманий і реалізований технічний проект виявився не затребуваним масовим ринком. Головні причини - низький попит на послуги голосового зв'язку і прорахунки в маркетинговій політиці.
На етапі формування концепції системи (1987 р.), ідея портативних супутникових телефонів і пейджерів виглядала привабливою і цілком конкурентоспроможною. Однорежимний (супутникові) і дворежимні (супутникові / стільникові) абонентські термінали повинні були забезпечити гнучку стратегію надання послуг та розгортання систе ми Iridium.
Однак розробники проекту Iridium не врахували ті серйозні зміни, які про спливли у світі за останні роки. Вони перш за все пов'язані з успіхами наземного зв'язку. Нові модифікації стільникових телефонів легше і зручніше, а тарифи більш привабливі, ніж в супутниковому зв'язку. Крім того, час роботи без підзарядки акумуляторних бата рей в супутниковому зв'язку менше, а можливості роботи з будівель обмежені. Що ж стосується обслуговування важкодоступних районів і океанів, в яких супутниковий зв'язок не має собі альтернативи, то виявилося, що бажають спілкуватися за оприлюдненими тарифами не так вже й багато, щоб окупити експлуатаційні витрати.
У 2000 році почалася експлуатація трьох систем: глобальної системи персо нальної супутникового зв'язку Globalstar і регіональних систем ACeS і Thuraya, орієнтованих не тільки на голосовий зв'язок, а й передачу даних. У 2001 р. введена в експлуатацію система ICO.
Подальший розвиток систем рухомого супутникового зв'язку буде здійснюватися в рамках реалізації проектів систем 3-го покоління.
Класифікація систем 2-го покоління
В основу пропонованої класифікації систем рухомого радіотелефонного зв'язку 2-го покоління покладено три основних ознаки: призначення системи, метод многостанционного доступу і схема дуплексірованія каналів. Залежно від призначення та розмірів зони обслуговування всі системи рухомого зв'язку можуть бути розділені на 4 класи (рис.1):
супутникові системи зв'язку з зоною обслуговування в одному промені 400-800 км і глобальної зоною обслуговування для одного супутника 3000-8000 км в залежності від висоти орбіти;
системи стільникового рухомого радіозв'язку з радіусом дії від 0,3 до 35 км;
транкінгозие (профессинальной) системи радіозв'язку з радіусом зони обслуговування від 2 до 50 км в залежності від висоти підйому антени;
системи бездротового доступу з типовими розмірами стільники до 0,3 км.
Відмінності між системами різних класів, насамперед, полягають у складі та якості наданих послуг. Найбільш висока якість забезпечують стільникові мережі та системи бездротового доступу, надають послуги двостороннього радіозв'язку в інтересах як мобільних, так і стаціонарних абонентів (телефонні мережі загального користування, ISDN та ін.) Аналогічні послуги, але з меншими можливостями, реалізовані у супутникових системах. Що ж стосується транкінгових систем, то в них основним видом обслуговування є напівдуплексний зв'язок і груповий виклик абонентів.
Рис.1. Класифікація систем рухомого зв'язку другого покоління
Розміри стільники залежать від щільності абонентів, що припадає на одиницю зони покриття, і характеру розподілу абонентів по території, що обслуговується. У місцях з по підвищений щільністю абонентів створюються пикосот з радіусом до 100 м, а в районах найбільш інтенсивної забудови і з високою щільністю населення організуються мікростільники (0,1-0,5 км). Радіус дії макросотовой зон, які охоплюють місто і приміською рідні зони, не перевищує 30-35 км. Що ж стосується обслуговування абонентів у сільській місцевості, віддалених і важкодоступних районах, то воно може здійснюватися як з використан ням наземних стільникових, так і супутникових систем.
Стільникові мережі та системи бездротового доступу можуть обслуговувати райони з великою щільністю абонентів до 10000 Ерланг на квадратний кілометр. Транкінгові мережі більш ефективні, коли обсяг трафіку не перевищує 1-2 Ерл / кв. км. Для підвищення спектральної ефективності в стільникових системах використовується широкосмугова Т D МА або CDMA, в той час як у транкінгових мережах в основному застосовуються узкополосная TDMA або FDMA.
Інша відмінність полягає у схемі організації зв'язку. У стільникових системах і систе мах бездротового доступу є індивідуальні виклики між абонентами. Середня тривалість розмови може досягати кілька хвилин. Типовий режим роботи транкінгових систем заснований на передачі коротких викликів (менше 1 хв), які можуть організовуватися як індивідуально, так і через диспетчера. Час встановлення зв'язку в транкінгових системах невелике і, як правило, не перевищує 0,3 с.
За способом використання частотного ресурсу системи рухомого зв'язку поділяються на два класи:
системи зв'язку з жорстко закріпленими за абонентами каналами;
системи з наданням каналу на вимогу при знаходженні абонентів в загальній зоні обслуговування.
У системах з фіксованим закріпленням каналів забезпечується висока оперативність зв'язку. Принцип фіксованого закріплення каналів отримав широке поширення ня в системах конвенціональної радіозв'язку та ряді транкінгових систем. Транкінг ші системи другого покоління відносяться до систем з вільним доступом. Вони дозволяють працювати на будь-якому каналі в межах обраної групи частот, причому конкретний канал закріплюється за виділеним ресурсом. У стільникових мережах і системах бездротового доступу забезпечується надання каналу на вимогу при знаходженні абонентів в одній зоні обслуговування
Використання в системах 2-го покоління нових системних та технічних рішень дозволило поліпшити ставлення сигнал / шум (Eb / No). Якщо в аналогових системах 1-го покоління, ставлення Eb / No було одно 17-18 дБ, то в системах 2-го покоління цей показу тель вже рівний 7-9 дБ
Системи рухомого зв'язку другого покоління мають обмежені можливості по нарощуванню пропускної здатності та видів послуг у рамках виділеного частотного діапазону. Ріст їхньої ємності можливий лише за рахунок переходу на напівшвидкісні канали (GSM), використання більш ефективних методів модуляції і застосування секторних антен. Секторизация сот в поєднанні з використанням спектрально-ефективних методів модуляції дозволяє збільшити їх пропускну спроможність, але не більш ніж в 10 разів.
Організація хендовери
У системах рухомого стільникового і супутникового зв'язку важливу роль відіграє метод автоматичного перемикання виклику на інший канал у момент, коли мобільна станція 7 пере мішається з соти в стільнику або перемикається з одного супутника на інший. Такий метод отримав назву хендовери (від англійського handover). При перемиканні на сусідню базову станцію (в наземних системах) або інший промінь бортовий антени (у супутникових мережах) зазвичай відбувається зміна частоти несучої.
Існують два основних типи хендовери: жорсткий і м'який. Жорсткий алгоритм перемикання каналів супроводжується короткочасним перериванням зв'язку в момент переміщення абонента зі стільника в стільник. Такий метод автоматичного перемикання каналу здійс ствляется в більшості систем 2-го покоління, що використовують метод TDMA (GSM, IS - 136, Р D С). Обрив і відновлення зв'язку сприймається абонентом як «клацання» у телефонній трубці, хоча можливо і більш тривалий переривання розмови, коли зв'язок з однією базовою станцією припинилася, а з іншого ще не встановлена.
М'який хендовери відбувається без втрати якості зв'язку. Він здійснюється між разів особистими секторами антени базової станції в межах соти (робота на одній несучій частоті). В даний час він реалізований в таких системах, як CDMA (IS -95) і Globalstar.
Управління процедурою хендовери може бути організовано декількома способами. У межах однієї стільники може бути використано макроразнесеніе, коли мобільна станція в процесі перемикання пов'язана одночасно з декількома базовими станціями (м'який режим перемикання).
У разі межчастотного хендовери, тобто зі зміною несучої при переході мобільної станції від однієї стільники до іншої, безперервність зв'язку забезпечується з використанням додаткового прийомопередавача, або за рахунок тимчасового поділу, коли кадр разів виділяється на дві частини, а інформація стискається в два рази.
У випадку, якщо відбувся збій при організації м'якого хендовери, то реалізується звичайний алгоритм жорсткого хендовери, який аналогічний тому, який використовується в Т D МА системах.
Принципи побудови мікростільникових систем бездротового доступу відрізняються від макросотовой тим, що в них частота перемикань при хендовери повинна бути істотно вище, ніж у стільникових системах. Отже, необхідні швидкодіючі алгоритми перемикання каналів. Найбільш ефективно ця задача вирішена в мережі бездротового доступу DECT, де застосовуються розподілені алгоритми управління, забезпечую щие примусове перемикання абонента.
Таким чином, проведений аналіз показав, що існуючі системи 2-го покоління не сумісні один з одним. У кожному з трьох великих регіонів світу - Північній Америці, Європі та Азії використовувалися різні технології та шляхи переходу від анало гових систем першого покоління до другого покоління. Більш того, навіть усередині кожного з регіонів окремі країни реалізують різні підходи до створення та запровадження сис тем рухомого зв'язку.
Тим не менш, основне завдання, що стояло перед цифровими системами другого покоління - масове забезпечення послуг мовного зв'язку і малої швидкості передачі да них - була досягнута.
ЛІТЕРАТУРА
Карташевський В.Г., Семенов С.М., Фірстова Т.В. Мережі рухомого связі.-М.: Еко-Трендз, 2001,300 с.
Веселовський К. Системи рухомого радіозв'язку / Пер. з пол. І. Д. Рудинського; під ред. А.І.Ледовского.-М.: Гаряча лінія-Телеком, 2006. -536с.
Бабков В.Ю., Вознюк М.А., Михайлов П.А. Мережі мобільного зв'язку. Частотно-територіальне планування. / СПбГУТ. СПб., 2000. 196с.
Громаков Ю. А. Стандарти і системи рухомого радіозв'язку. - М.: Еко-Трендз, 2007,238 c.