Индивидуальная подвижная радиосвязь

ВВЕДЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ

Развитие телекоммуникационных радиосистем в последние годы происходит лавинообразно. Особенно это касается подвижных систем. Уже сейчас в мире эксплуатируются мобильные системы с частотным, временным и кодовым разделением каналов (стандарты сотовой связи AMPS, GSM, CDMA, транкинговой EDACS, MPT1327 и т. п.), получившие широкое распространение. Причем количество пользователей услуг подвижных телекоммуникационных радиосистем постоянно растет. Это связанно с резким понижением стоимости пользовательских терминалов и тарифов за их обслуживание.

Однако, следует отметить что эти системы являются несовместимыми друг с другом и пользователь вынужден использовать в разных ситуациях разные терминалы (сотовый, пикосотовый DECT, транкинговый, спутниковый, пейджер). Кроме того, в разных странах используются различные стандарты беспроводной радиосвязи, не обеспечивающие глобального роуминга.

Классифицируются системы беспроводной связи по следующим нескольким признакам:

а) по поколению;

1) аналоговые первого поколения;

2) цифровые второго поколения;

3) универсальные третьего поколения;

4) широкополосные мультимедийные четвертого поколения;

б) по назначению;

1) сотовые;

2) пикосотовые (бесшнуровые телефонные);

3) транкинговые;

4) спутниковые;

5) оптические;

6) пейджинговые;

в) по методам многостанционного доступа;

1) с частотным разделением каналов FDMA;

2) с временным разделением каналов TDMA;

3) с кодовым разделением каналов CDMA;

4) комбинированные;

г) по способу организации канала связи;

1) симплексные;

2) дуплексные;

3) полудуплексные.

Совместить практически все технологии в одном терминале позволяет новый стандарт универсальных мобильных телекоммуникационных систем (UMTS), разработанный в 1998-1999 годах.

Концепция UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) реализуется сейчас в рамках создания подвижных телекоммуникационных радиосистем 3-го поколения. Возможность переключения с одного диапазона на другой, перехода со стандарта на стандарт или со спутникового канала на сотовый позволяет абоненту выбрать тот вид услуг, который в наибольшей степени ему подходит. Поэтому терминалы UMTS являются многорежимными, работающими в сетях нескольких стандартов.

Многорежимные абонентские аппараты с возможностью доступа как к UMTS, так и к другим системам беспроводной связи, например, GSM позволяет абонентам UMTS сохранить доступ к сотовой связи стандарта GSM там, где услуги UMTS будут еще недоступны.

Отличительная особенность транкинговых систем - возможность эффективного использования полосы частот за счет организации свободного доступа к общему частотному ресурсу ретрансляционного пункта, содержащего обычно несколько ретрансляторов, связанных друг с другом с помощью общей шины управления. Гибкая архитектура транкинговых систем позволяет передавать как индивидуальные вызовы, так и вызовы абонентов нескольких групп или сразу всех абонентов сети. Работа станции на излучение в таких системах обычно осуществляется не непрерывно, а лишь по нажатию тангенты радиотелефона, что уменьшает перегруженность эфира.

Однако существующие сети транкинговой профессиональной связи первого поколения не гарантируют высокой конфиденциальности и надежной защиты от несанкционированного доступа, и, что особенно существенно, не обеспечивают аутентификацию абонентов и идентификацию абонентского оборудования. Эти задачи решены в цифровых системах профессиональной связи второго поколения (АРСО, TETRA), которые призваны заменить огромное число несовместимых друг с другом аналоговых стандартов. B TETRA заложены универсальные технические решения, которые позволяет с минимальными затратами реализовывать систему в разных диапазонах частот и с отличающимися протоколами связи. Наряду с экономией частотного ресурса система TETRA обеспечивает большие возможности в части наращивания технических возможностей, предусматривая в перспективе предоставление услуг 3-го поколения и реализацию разных сценариев внедрения.

Земные станции беспроводной спутниковой связи первого поколения (стандарт Inmarsat-A) предназначались в основном для создания ведомственных и корпоративных сетей с радиально-узловой структурой с большими центральными станциями. Революционные преобразования в области мобильной спутниковой связи произошли в начале 90-х и были обусловлены тремя факторами: коммерциализацией космических программ, использованием низких и средних орбит и повсеместным переходом на цифровую связь с использованием цифровых сигнальных процессоров. В результате были реализованы несколько проектов глобальных систем спутниковой связи на низких орбитах (Iridium, Globalstar), средневысотных (ICO), и две региональные системы (AceS и Thuraya).

Многие века, вплоть до 19 века процесс передачи информации на большие расстояния был весьма трудным и медленным. Для ускорения передачи информации в разные времена и у разных народов сигналы передавали с помощью звуков барабанов или церковных колоколов, дыма и огня костров, блеска зеркал.

Первым существенным шагом к осуществлению автоматической связи на расстоянии было изобретение телеграфа. Его автором стал швейцарец Лесажу, реализовавшим идею Винклера о передаче электрических импульсов по проводам.

В 1820 году Эрстед, пропуская электрический ток через проводник, обнаружил, что при этом отклоняется стрелка поблизости расположенного компаса. Причем направление отклонения стрелки зависело от того, в какую сторону протекал ток по проводнику. Так была обнаружена связь между электрическим током в проводнике и магнитным полем, сформулированная в последствии Био-Саваром в законе, названным его именем. По-видимому, Ампер первый предложил использовать открытие Эрстеда для беспроводной сигнализации, а, следовательно, и для беспроводной передачи информации.

В 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции и высказано предположение о единстве физической природы магнитной и электрической индукции. Фарадей доказал, что протекание тока в одном проводнике способно вызвать протекание тока в другом, независимом от первого. Открытия, сделанные Фарадеем в области электромагнетизма, находили всё большее и большее применение. Однако его концепция силовых линий, занимающих всё пространство, долгое время не принималась всерьёз: она не могла конкурировать со стройными теориями Кулона, Ампера, Лапласа. Не владея хорошо математическими методами, Фарадей не стремился привязать их к своим исследованиям. Он считал, что самые сложные вопросы можно изложить просто, не прибегая к «языку иероглифов». Это был «ум, который никогда не погрязал в формулах», — скажет о нём А. Эйнштейн. Вот почему молодой Максвелл, взявшись за «атаку электричеств», имёл все основания заявить: «Современное состояние учения об электричестве представляется особенно неблагоприятным для теоретической разработки».

В 1843 г. американский художник, президент американской академии искусств Сэмюэл Морзе (1791-1872) изобрел телеграфный код. Морзе устроил демонстрацию своего кода, проложив телеграфный провод длиной 6 км от Балтимора до Вашингтона и передавая по нему новости о президентских выборах. Код Морзе применяется и в наши дни. Им пользуются уже более 150 лет, можно позавидовать долголетию этого изобретения.

В 1847 году английский математик Джорж Буль опубликовал работу «Математический анализ логики». Так появился новый раздел математики. Его назвали Булева алгебра. Каждая величина в ней может принимать только одно из двух значений: истина или ложь, 1 или 0. Трудно переоценить труды Д. Буля. Его алгебра очень пригодилась создателям современных компьютеров. Ведь компьютер понимает только два символа: 0 или 1. Его считают основоположником современной математической логики. Булева алгебра – основа цифровых систем телекоммуникаций и радиосвязи.

Другой ветвью развития электросвязи является передача голоса на большие расстояния. Сегодня невозможно представить себе жизнь без телефона. Он используется повсюду, и жизнь людей в значительной степени зависит от этого прибора. Трудно поверить, что телефон увидел свет чуть раньше начала ХХ века. Официальной датой его изобретения обычно считается 1876 г.

Телефон был изобретен одновременно двумя исследователями – Александром Беллом (1847-1922) и Элиша Греем (1835—1901) - независимо друг от друга. Александр Грэхем Белл, которому обычно приписывается изобретение телефона, просто оказался более удачлив, подав 14 февраля 1876 года заявку на патент на 2 часа раньше Грея. Заявка была оперативно рассмотрена, и 7 марта 1876 года Беллу был выдан соответствующий патент.

Телефон вполне удовлетворил общественную потребность, сделав возможной связь на большие расстояния без использования промежуточных кодов и громоздких телеграфных аппаратов. Общаться по телефону было просто и удобно. Именно поэтому телефон очень быстро получил широкое признание во всем мире. Его внедрение и развитие стало большим бизнесом.

Человеческая мысль не стояла на месте. Людям хотелось избавиться от проводов, прокладка которых привязывала абонентов систем электросвязи (телефона и телеграфа) к конкретному месту. Прокладка кабелей была чрезвычайно дорогостоящей. Горы и моря делали прокладку кабелей порою просто невозможной.

Можно считать, что первым, кто обнаружил распространение электрических возмущений в атмосфере, был Луиджи Гальвани. В 1771 г. им было установлено, что искровые разряды от электрофорной машины могут действовать на некотором расстоянии на мышцу препарированной лягушки, вызывая её вздрагивание, если к ней прикасаться металлическим предметом. В ещё более интересном опыте мышца лягушки была соединена с проводом, поднятым на крышу дома, а нерв - с проводом, опущенным в колодец. Если происходили грозовые разряды, лапка лягушки вздрагивала. В современной электротехнической терминологии эти два провода можно назвать антенной и заземлением, а весь опытный комплекс – радиоприемным устройством. Опыты Л. Гальвани не были связаны с задачей передачи информации с помощью радиоволн, но согласитесь, как близок он был к этому.

Английский физик Майкл Фарадей в 1831 году открыл связь электрических и магнитных явлений (электромагнитная индукция), чем ближе всех подошел к раскрытию свойств электромагнитных волн.

В 1865 году Джеймс Клерк Максвелл показал, что магнитное поле может породить не только ток в проводнике, но и изменение электрического поля. В законах Кулона и Ампера, заключающих в себе основную информацию о свойствах поля, фигурировали постоянные поля. Изменение же магнитного поля приводит к возникновению изменяющегося электрического поля. Таким образом, именно Максвеллу принадлежит открытие природы электромагнитных волн, называемых радиоволнами. Он же в своем «Трактате по электричеству и магнетизму» доказал электромагнитную природу света. В том же 1865 году в работе «Динамическая теория поля» Максвелл опубликовал свои знаменитые уравнения, которые описывали связь между магнитными и электрическими полями. Анализируя эти уравнения, Максвелл пришёл к выводу, что должны существовать электромагнитные волны, причём скорость их распространения должна равняться скорости света. Отсюда был сделан совершенно новый вывод: свет есть разновидность электромагнитных волн. Так, по словам Луи де Бройля, Максвелл «сделал всю оптику частной главой электромагнетизма». На основе своей теории Максвелл предсказал существование давления, оказываемого электромагнитной волной (а значит, и светом), и вычислил его. Оно оказалось равным плотности энергии электромагнитного поля. Предсказание Максвелла позднее было блестяще доказано Петром Николаевичем Лебедевым в 1899 году.

Решающую роль в утверждении теории Максвелла сыграли фундаментальные исследования и изобретения Генриха Герца. В 1888 г. немецкому ученому Генриху Рудольфу Герцу (1857-1894) удалось опытным путем доказать факт существования электромагнитных волн и найти возможность их обнаружения. Эксперименты Герца не могли не привести к идее передачи сообщений с помощью электромагнитных волн, то есть к осуществлению связи без проводов.

Однако первое достаточно чувствительное и надежное приемное устройство, без которого немыслима радиосвязь, создал талантливый российский физик, в ту пору уже видный специалист в области электротехники, преподаватель Минного офицерского класса в Кронштадте Александр Степанович Попов (1859-1906). Занимаясь экспериментами с лучами Герца, А. С. Попов сделал когерерный приемник, работу которого он продемонстрировал на заседании Русского физико-химического общества (РФХО) 7 мая 1895 года, выступая с сообщением «Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям». Прием сигналов осуществлялся отрезком проволоки, соединенным с прибором. Как только вибратор начинал излучать электромагнитную энергию, приемный прибор отзывался на нее трелью звонка. Этот прибор был первым в мире радиоприемником, а присоединенный к нему отрезок проволоки - первой в мире антенной.

В том же 1895 г., когда А.С. Попов создавал свой приемник, молодой итальянец Гульельмо Маркони (1874-1937) проводил опыты с электромагнитными волнами, целью которых было создание устройства для передачи сообщений. Об этих опытах известно только по воспоминаниям современников, публикаций по этому поводу в ту пору не было. 2 июня 1896 года он подает в Великобритании заявку на «Усовершенствования в передаче электрических импульсов и сигналов и в аппаратуре для этого». Патент был выдан 2 июля 1897 года, и только после этого появилось подробное описание предложенного Г. Маркони устройства. Оно оказалось весьма схожим с устройством А.С. Попова.

Мировая научная общественность по достоинству оценила вклад Маркони в развитие радиосвязи, вручив ему Нобелевскую премию. Оценил вклад Маркони и сам А.С. Попов. Он писал, что «Маркони первый имел смелость стать на практическую почву и достиг в своих опытах больших расстояний».

Но это было только начало. Прогресс радиоэлектроники и, в частности, средств радиосвязи не может не впечатлять. За первую четверть прошлого века она прошла путь от несовершенных искровых систем передачи и приема затухающих колебаний к ламповым приемникам и генераторам, к высококачественным антенным системам. В годы становления радиосвязи считалось, что для увеличения дальности действия следует, наряду с повышением мощности передатчика, увеличивать длину волны, что привело к использованию радиоволн длиной в сотни и тысячи метров (средних и длинных волн) и передатчиков мощностью в десятки и сотни киловатт. В начале 20-х годов 20-го столетия было обнаружено сенсационное свойство коротких волн. При небольших мощностях передатчиков они могли, благодаря отражению от ионизированных слоев атмосферы, преодолевать огромные расстояния. Началось «победное шествие» коротких волн, на которых в течение шести-семи десятилетий работало все дальнее радиовещание и радиосвязь.

С развитием техники и технологии осваивались для целей связи все новые и новые диапазоны ультракоротких волн и сверхвысоких частот. Диапазоны длинных, средних и коротких волн оказались совершенно непригодными для ряда новых служб, например, для телевидения и радиолокации, занимающих широкую полосу частот, измеряемую мегагерцами. Именно развитие радиолокации во многом способствовало становлению и быстрому совершенствованию новых технологий в сверхвысокочастотной радиоэлектронике.

Освоение новых диапазонов, в том числе диапазона ультракоротких волн (УКВ), было вполне естественным процессом в развитии науки и техники и соответствовало практической потребности в расширении спектра применяемых частот.

Количество передающих средств стремительно росло, для их работы без взаимных помех требовались все новые частоты, а также международное регулирование их использования. К тому же, привычные диапазоны ДВ, СВ, KB оказывались совершенно непригодными для ряда новых служб, например, высококачественного электронного телевидения, радиолокации, занимающих широкую полосу частот, измеряемую мегагерцами. В начале 30-х годов прошлого века стала актуальной задача обнаружения самолетов с помощью радиоволн, решение которой положило начало радиолокации, во многом способствовавшей становлению и быстрому совершенствованию новых технологий в сверхвысокочастотной радиоэлектронике.

Обратимся к современной радиотелекоммуникации в широком значении этого понятия как отрасли электрической связи, ставшей в технически развитых странах одной из важнейших инфраструктур. Интенсивный процесс интеграции различных видов электросвязи позволяет уже сегодня рассматривать ее как единый комплекс средств передачи, приема, обработки информации и средств вычислительной техники. Одним из основных направлений совершенствования стала цифровая обработка сигналов. В Казахстане, который немного отстал в этой области, работы по созданию и внедрению средств цифровой связи и телекоммуникаций набирают темпы. Впервые сооружены современные высокоскоростные цифровые радиорелейные линии с пропускной способностью каналов связи 140 Мбит/с, ведется строительство аналогичной по пропускной способности цифровой радиорелейной магистрали протяженностью более 8000 км. Эти линии - часть международного волоконно-оптического кольца цифровой связи, которое опояшет земной шар. Казахстанский участок этого кольца станет базой для создания региональных сетей цифровой связи, в том числе с помощью цифровых радиорелейных линий меньшей пропускной способности, и эти сети будут вливаться в основную магистраль.

К приоритетным направлениям развития телекоммуникаций относятся и подвижные системы радиосвязи. В течение многих лет основным видом такой связи была радиально-зоновая радиотелефонная система «Алтай», ставшая прототипом транкинговых систем связи. И лишь в последние годы началось внедрение весьма прогрессивных сотовых систем, завоевавших большую популярность в технически развитых странах.

Сотовая связь еще достаточно молода. Её революционному скачку предшествовал полувековой период эволюционного развития, в течение которого осваивались различные частотные диапазоны, и совершенствовалась техника связи.

Конечно, как это обычно бывает в жизни, отдельные элементы системы сотовой связи существовали и раньше. В СНГ сотовая связь стала внедряться с 1990 г., коммерческое использование началось с 1991 г.

Дата добавления: 2014-11-08