Введение. Сети подвижной связи – сравнительно новое направление в технике, совершившее революцию в сфере телекоммуникаций

Сети подвижной связи – сравнительно новое направление в технике, совершившее революцию в сфере телекоммуникаций. Прежде всего это относится к сотовым системам. Впервые они появились в 1981 году, а спустя 25 лет, в конце 2007 года в мире насчитывалось более 3 млрд абонентов сотовых систем. Сотовый телефон стал поистине народным телефоном и во многих странах мира число абонентов сотовой связи превышает число абонентов традиционных кабельных телефонных сетей.

В основу сотовой связи положены 2 принципа:

предоставление каналов по активности абонентов;

повторное использование частот (каналов).

Первый принцип давно используют в связи. Действительно, как домашние телефоны, так и сотовые постоянно подключены к сети, но канал связи аппарат занимает только во время передачи трафика (речи, данных) или для обмена служебными сообщениями. Большую часть времени аппарат находится в пассивном состоянии (режиме ожидания вызова). Поэтому ограниченным числом каналов можно обслужить весьма большое число абонентов. Это задача математической статистики, относящаяся к теории массового обслуживания. Разумеется, существует вероятность, что все каналы будут заняты и абонент не получит доступа к сети. Однако в сотовых сетях эта вероятность весьма мала (не более 2% в час наибольшей нагрузки) и проявляется в экстраординарных ситуациях: праздники (Новый год), сбои в работе метро и т. д.

Вторая проблема в организации радиотелефонной связи состоит в нехватке радиоканалов. Для ее решения в сотовой связи применяют повторное использование частот. Район, где развертывают сотовую сеть, разбивают на небольшие участки – соты так, чтобы в соседних сотах для связи использовались разные каналы, помеченные на рис. В.1 как Сh n.

Соты с повторяющимися каналами (рис. В.1, каналы Ch1…Ch 4) находятся на таком расстоянии, чтобы помехи из ближайших сот с теми же каналами были ослаблены до необходимого уровня. Использование сотовой структуры позволяет многократно увеличить число каналов и предоставить услуги связи огромному числу абонентов [1].

Каждую соту обслуживает отдельная базовая станция (БС). На рис. В.1. БС связаны в узлы по 3 БС в каждом (например, БС 1, 2, 3). БС поддерживают связь с мобильными станциями (МС) по радиоканалам. С другой стороны, все БС соединены посредством кабельных или радиорелейных линий (РРЛ) с коммутатором. Получается сеть со сложной топологией, так как число сот одного оператора сотовой связи в большом городе составляет несколько сотен.

Рис. В.1. Структура сотовой сети

В процессе обслуживания МС вместе с абонентами перемещаются из соты в соту. При этом, когда абоненту звонят (входящий вызов), сеть должна знать, где он находится, и направить вызов именно в эту зону. Итак, сеть отслеживает перемещения абонентов с включенными сотовыми телефонами.

В процессе разговора абонент также может двигаться из одной соты в другую. Сеть при этом переключает канал трафика от одной БС к другой. Следовательно, сеть постоянно управляет каждой МС, когда она активна.

Очень важно отметить, что характеристики радиоканалов сотовой связи (потери на трассе, уровень помех) случайно и непрерывно меняются в процессе перемещения абонентов. Для того чтобы обеспечить требуемое качество связи (а известно из собственного опыта, что оно высокое), в стандартах сотовой связи предусмотрены меры защиты информации, и, прежде всего, избыточное кодирование.

В результате сотовая сеть включает в себя разветвленный комплекс управления МС, а каждая МС представляет собой весьма сложное устройство, состоящее из компьютера, выполняющего функции обработки сигналов, и приемопередатчика, обеспечивающего двустороннюю связь по радиоканалу. БС также содержат приемопередатчики, поддерживая связь со всеми активными МС, находящимися в сети.

И в МС, и в БС используют самую современную элементную базу. Как только появляются микропроцессоры с более высоким быстродействием, их тут же внедряют в аппаратуру сотовой связи. Радиотехническую часть МС и БС: передатчик и приемник выполняют на сверхбольших интегральных схемах (СБИС). Только выходные усилители мощности передатчиков (УМ) строят как отдельные модули, чтобы обеспечить необходимую теплоотдачу.

Упрощенная структура МС показана на рис. В.2. В ней можно выделить тракты передачи и приема. Речевой сигнал с микрофона (u _инф) преобразуют в АЦП в цифровой вид для дальнейшей обработки в центральном процессорном элементе (ЦПЭ). Кроме процессоров ЦПЭ содержит необходимые запоминающие устройства (постоянное и оперативное ЗУ, флэш-память). На основе обработанного сигнала речи ЦПЭ формирует модулирующий сигнал (u _мод), который на выходе из ЦПЭ преобразуют в аналоговый вид.

Рис. В.2. Структура мобильной станции

В передатчике этим сигналом производят модуляцию, т.е. меняют по закону u_мод определенные параметры радиочастотного гармонического колебания (амплитуду, частоту, фазу). Полученный после модуляции радиосигнал проходит тракт предварительного усиления и окончательно его усиливают до нужного уровня в выходном усилителе мощности УМ. При частотном дуплексе передаваемых радиосигналов передатчик и приемник подключают к антенне через разделительный фильтр (РФ). Если в стандарте используют временной дуплекс (передачу и прием ведут последовательно, в разные временные интервалы), РФ заменяют электронным переключателем.

Колебания радиочастоты (несущую) вырабатывает синтезатор, генерирующий отдельные частоты дискретной сетки. Управление переключением частоты осуществляет ЦПЭ. Кроме несущей передатчика синтезатор генерирует колебания частоты гетеродина приемника.

Тракт приема включает в себя собственно приемник, после чего сигнал преобразуют в цифровой вид и завершают его обработку в ЦПЭ. На выходе ЦПЭ стоит ЦАП, где сигнал возвращают в аналоговый вид и подают на телефон мобильной станции. В ряде МС передатчик, приемник и синтезатор размещают на одной СБИС.

При передаче данных информационные сигналы прямо вводят в ЦПЭ с клавиатуры дисплея или через внешний разъем. Программируемое ЗУ ЦПЭ содержит все необходимое ПО для управления МС, обработки информационных сигналов и представления информации на дисплее МС в наиболее удобном для абонента виде.

В рамках данного пособия будут рассмотрены вопросы синтеза колебаний радиочастот (синтезаторы), формирование радиосигналов с различными видами модуляции и усиление сигналов в УМ. Именно с УМ начинается изложение материала.