Глава 1

Раздел 1. Антенны мобильной связи

Глава 1. Классификация мобильных систем связи

Сотовая связь — один из видов радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть. Ключевая особенность: общая зона покрытия делится на соты, определяющиеся зонами покрытия базовых станций. Соты перекрываются и вместе образуют сеть. На идеальной поверхности зона покрытия одной базовой станции представляет собой круг, поэтому составленная из них сеть имеет вид сот с шестиугольными ячейками.

Принцип действия

Сеть составляют разнесённые в пространстве приёмопередатчики, работающие в одном и том же частотном диапазоне, и коммутирующее оборудование, позволяющее определять текущее местоположение подвижных абонентов и обеспечивать непрерывность связи при перемещении абонента из зоны действия одного приёмопередатчика в зону действия другого. Основные составляющие сотовой сети - это сотовые телефоны и базовые станции. Базовые станции обычно располагают на крышах зданий и вышках. Будучи включённым, сотовый телефон прослушивает эфир, находя сигнал базовой станции. После этого телефон посылает станции свой уникальный идентификационный код. Телефон и станция поддерживают постоянный радиоконтакт, периодически обмениваясь пакетами. Связь телефона со станцией может идти по аналоговому протоколу(AMPS, NAMPS, NMT-450) или по цифровому (DAMPS, CDMA, GSM, UMTS).

Рис.1.1. Упрощенная схема сотовой связи

Если телефон выходит из поля действия одной базовой станции, он налаживает связь с другой. Сотовые сети могут состоять из базовых станций разного стандарта, что позволяет оптимизировать работу сети и улучшить её покрытие. Сотовые сети разных операторов соединены друг с другом, а также со стационарной телефонной сетью. Это позволяет абонентам одного оператора делать звонки абонентам другого оператора, с мобильных телефонов на стационарные и со стационарных на мобильные. Операторы разных стран могут заключать договоры роуминга. Благодаря таким договорам абонент, находясь за границей, может совершать и принимать звонки через сеть другого оператора (по повышенным тарифам).

Несмотря на многообразие существующих стандартов сотовой связи и обилие особенностей их реализации, построение и алгоритмы работы таких систем во многом сходны.
Теоретически разделить территорию на одинаковые по форме зоны без перекрытия или пропусков можно путем использования трех правильных геометрических фигур: треугольника, квадрата и шестиугольника. В первом случае базовые станции должны располагаться на местности в шахматном порядке, а во втором — квадратно-гнездовым способом. Но наиболее экономное и эффективное покрытие достигается зонами в виде шестиугольников. А причина здесь простая: именно шестиугольник почти идеально описывает рабочую зону базовой станции, установленной в центре ячейки и имеющей антенну с круговой диаграммой направленности.

В тех местах, где требуется одновременное обслуживание большого числа абонентов, используется метод расщепления сот — создание зон меньшего размера. В этом случае исходный шестиугольник делится на семь шестиугольников меньшего размера (пикосоты). При этом вся остальная структура сети не нарушается. Необходимо заметить, что геометрически правильная форма рабочих зон далеко не всегда достижима на практике. Дальность распространения радиоволн зависит от рельефа местности: холмов, оврагов, гор, больших зданий и т. п. Они искажают форму рабочих зон и вынуждают располагать базовые станции далеко не всегда в строгом геометрическом порядке.

Теперь о технических аспектах. Основные элементы сотовой системы: абонентское оборудование (мобильные радиотелефоны), сеть базовых станций, размещенных на обслуживаемой территории, и центр коммутации.

Каждая базовая станция — это многоканальное приемно-передающее устройство, которое обслуживает абонентов в пределах своей соты. По специальным линиям связи (проводным или радиорелейным) все базовые станции соединяются с центром коммутации.

Центр коммутации обеспечивает управление сетью и, по сути, является специализированной автоматической телефонной станцией. Он хранит в своей памяти данные всех абонентов сотовой сети, отвечает за проверку прав доступа абонентов и их аутентификацию (подтверждение подлинности), обрабатывает и хранит информацию. Также в его обязанности входит: слежение за сигналами мобильных телефонов, их эстафетная передача при перемещении телефона из соты в соту, коммутация каналов в сотах при появлении помех или неисправностей, а главное — установление соединения абонента сотовой сети в соответствии с набранным номером с другим абонентом или выход в городскую, междугородную и международную телефонную сеть. В некоторых вариантах построения систем все эти функции разделяются между центром коммутации и еще одним элементом оборудования — контроллерами базовых станций.

Упрощенно порядок работы элементов сотовой сети выглядит так. В каждой базовой станции есть специальный канал, называемый управляющим, и все сотовые телефоны прослушивают сигналы на этом канале в ожидании вызова. В том случае, если абонент желает позвонить, сразу после набора номера радиотелефон начинает автоматический поиск свободного канала. При его обнаружении он передает свои параметры и набранный номер через базовую станцию на коммутатор сотовой сети. После проверки параметров абонента центр коммутации осуществляет соединение. В обратном направлении — при вызове абонента сотовой сети — коммутатор проверяет в своей базе данных наличие такого номера и начинает поиск радиотелефона в каждой из сот. Радиотелефон абонента, приняв этот вызов по управляющему каналу, передает подтверждение вызова, определяя, таким образом, свое местонахождение в сотовой сети.

Рис.1.2. Сотовая связь

После этого коммутатор находит свободный разговорный канал в данной соте и переключает соединение на него. Кроме организации соединений, коммутатор непрерывно следит за сигналами радиотелефонов и в процессе связи. Если возникает неисправность в оборудовании или появляются помехи, коммутатор находит другой свободный канал и переводит разговор на него. Перемещения абонента в процессе соединения могут привести к предельному снижению уровня сигналов. Тогда коммутатор переключается на другую базовую станцию, более близкую к абоненту. Эстафетная передача производится полностью автоматически и настолько быстро, что связь не прерывается, а абонент ничего не замечает.

1.2 Спутниковая связь

Не известно, когда точно была придумана система радиосвязи, использующая объекты, движущиеся над Землей, но вполне возможно, что произошло это в 1945 году. Именно тогда известный писатель-фантаст Артур Кларк придумал геостационарный спутник связи в виде гигантской платформы на орбите Земли, перемещающейся по ней синхронно с вращением планеты (на платформе размещалось оборудование, обеспечивающее передачу телефонных и телевизионных сигналов на всю планету). Научное сообщество высоко оценило столь гениальное предвидение и дало геостационарной орбите второе имя - Clarke Belt ("Пояс Кларка").

Всего десять лет спустя были запущены первые искусственные спутники Земли, а с середины 60-х годов ХХ века начали работать первые геостационарные спутники связи. Однако создание и запуск таких спутников было делом чрезвычайно дорогим, а спутниковые ретрансляторы - настолько маломощными, что для приема их сигналов требовались большие наземные станции со специальными параболическими антеннами диаметром 10 и более метров. Поэтому в те годы спутниковая связь использовалась в основном для распространения TV-программ между телецентрами и для межконтинентальной телефонной связи. Первой успешной попыткой создать систему мобильной спутниковой связи стала международная система Inmarsat. Сама идея такой системы (поначалу она предназначалась только для обеспечения связи с морскими судами) была выдвинута еще в 1966 году. Однако ее реализация потребовала такой работы, что коммерческая эксплуатация системы была начата только в 1982 году. При этом стоимость, размеры и вес первых абонентских комплектов оборудования были столь велики, что они могли размещаться только на очень крупных морских судах.

В начале 90-х наступил новый этап в развитии систем мобильной спутниковой связи. А в качестве первой реальной системы персональной спутниковой связи можно назвать разработку совместной американо-канадской компании Orbcomm. Предельно снизив размеры, вес и стоимость спутников и их запуска, создатели системы сделали мобильную связь доступной для многих, и в 1995 году Orbcomm начала предоставлять услугу обмена данными и электронной почтой.

Принцип действия

Любая система спутниковой связи состоит из 3-х основных элементов: космического сегмента (спутники, вращающиеся на орбитах вокруг Земли), наземных станций (служат для управления полетом спутников и передачи сигналов со спутников в наземные сети связи и обратно) и абонентских терминалов. Порядок работы спутниковых систем сходен с обычными сотовыми, где функции центральных коммутаторов выполняют наземные станции, а роль базовых станций играют спутники. По типу используемых орбит спутниковые системы связи делятся на два класса: уже упоминавшиеся системы со спутниками на геостационарной орбите (расстояние до поверхности Земли - около 36 000 км) и негеостационарные.

Достоинством геостационарной орбиты является то, что угловая скорость вращения спутников на ней точно совпадает со скоростью вращения Земли, и каждый спутник оказывается как бы "висящим" над заданной точкой на экваторе. При этом один спутник может охватывать связью примерно треть всей поверхности планеты, за исключением полюсов. Основные недостатки геостационарных систем обусловлены большой удаленностью спутников от Земли и проявляются в сильном ослаблении принимаемых сигналов и в довольно большой их задержке при распространении - 0,24 с, что становится заметным даже при обычном телефонном разговоре.

Рис.1.3. Спутниковая связь

Негеостационарные спутниковые системы обычно используют круговые орбиты двух типов: средневысотные (MEO, высота - 5000 - 15 000 км) и низкоорбитальные (LEO, высота - 500 - 2000 км). При этом один MEO-спутник способен охватить связью до 25% поверхности Земли, а для построения глобальной системы связи требуется около 10 ИСЗ. Зона покрытия LEO-спутника значительно меньше - 3 - 7%, и глобальная система должна содержать уже порядка 50 ИСЗ.

Такой выбор орбит не прихоть разработчиков - он продиктован расположением в околоземном пространстве так называемых зон Ван Аллена - поясов заряженных частиц, удерживаемых магнитным полем Земли. Оборудование ИСЗ, расположенных вне указанных орбит, будет подвергаться сильной "бомбардировке" частицами и быстро выйдет из строя.

Проблемы и перспективы

Общее количество спутниковых систем связи, заявлявшихся к реализации в последнее десятилетие, уже давно исчисляется десятками: ECCO, Eclipso (приблизительный аналог отечественной системы "Орбита" со спутниками "Молния"), Archimedes, Odyssey, Celestri, Skybridge, SECOMS, Starsys, Voicespan, Astrolink, Cyberstar, KaStar, Spaseway, Teledesic и др. Существуют и проекты развертывания отечественных систем, среди которых наиболее известны "Сигнал", "Гонец", "Марафон", "Полярная звезда". Однако большинство пока так и остается на различных стадиях "бумажного" проектирования. И по вполне объективным причинам.

Все геостационарные системы первых поколений не позволяли сделать абонентский аппарат малогабаритным (наилучший результат - формат ноутбука). Это позволяют достигнуть системы на низкоорбитальных ИСЗ, но здесь возникает другая проблема. Технически такие системы сегодня вполне реализуемы, они обеспечивают устойчивую связь с помощью малогабаритных абонентских трубок. Но стоимость создания и эксплуатации системы, содержащей десятки спутников, весьма высока, что не позволяет установить низкие цены на обслуживание. Ну а здесь возникает порочный круг: в развитых странах (где такие цены могли бы быть допустимы) спутниковая связь не нужна, так как практически вся территория уже охвачена сотовыми сетями. Там же, где у спутниковой связи фактически нет конкурентов (в "заповедных уголках" Африки, Азии и т. п.), отсутствуют платежеспособные потребители.

Впрочем, оценивая перспективы спутниковых систем мобильной связи, нельзя исключить и то, что они могут получить широкое распространение. Пример тому - система Thuraya, также использующая геостационарный ИСЗ. Она была введена в эксплуатацию только в конце 2000 года. Реализованные в ней последние научные достижения (особо мощные передатчики и антенная решетка диаметром более 12 м с цифровым управлением, обеспечивающая одновременное формирование до 300 остронаправленных лучей) позволили предоставлять услуги мобильной связи с помощью малогабаритных радиотелефонов, подобных обычным сотовым, весом всего около 200 г. Данная система, принадлежащая Thuraya Satellite Telecommunications Company из ОАЭ и разработанная компанией Boeing Satellite Systems, в настоящее время способна предоставлять связь в 99 странах Европы, Азии и Африки, включая и Россию. И у этого проекта есть последователи. По пятам за ним следует разработка японской компании Mitsubishi Electric, предусматривающая вывод в космос 3-х спутников связи с антеннами диаметром уже 45 м. Планируется, что данная система, способная одновременно предоставлять 100 тыс. телефонных разговоров, сможет обслуживать до 5 млн. абонентов.

Таким образом, вполне возможно, что именно спутниковые системы смогут справиться с этой нелегкой задачей - обеспечить все население нашей планеты персональной связью.

1.3 Транкинговая связь

Одной из основных тенденций развития систем связи является поиск наиболее эффективных путей использования частотного диапазона. Это положительно скажется как на удобстве пользования, так и на положении дел с возможностью выделения частот.
Слово "транк" происходит от английского trunk – пучок, символ, в телефонии этот термин означает "магистраль". Транкинг – это совокупность каналов связи, автоматически распределяемых между пользователями. В обычной системе за группой пользователей "А" закреплен канал А, за группой "В" – канал В и т.д. Если пользователь из группы "А" обнаруживает, что канал А занят, то с этим ничего нельзя поделать, даже если канал В свободен. В результате этого пожарная машина или скорая помощь, оснащенная такой системой, приезжает на сорок минут позже, а милицейская не приезжает вообще, потому что ловить преступника уже поздно.

В транкинговых системах вместо одного канала, к которому обращается несколько пользователей, содержится группа каналов (символ), доступных всем пользователям данной системы. Когда кто-либо из них захочет провести сеанс связи, он автоматически получает доступ к любому свободному каналу. По окончании соединения канал может быть автоматически предоставлен другому.

Существует несколько базовых разновидностей транкинговых систем.

Без канала управления

В этом случае свободный канал “помечается” специальным сигналом – маркером. Центральная станция такой системы периодически передает определенную последовательность, автоматически распознаваемую станцией абоненты. В случае
вызова радиостанция занимает любой из свободных каналов. Все это происходит незаметно для пользователя – не нужно беспорядочно нажимать клавиши и прислушиваться к шумам эфира.

Рис.1.4. Упрощенная схема транкинговой связи

К таким системам относятся SmarTrunk II фирмы "SmarTrunk System inc." и Larcer фирмы "CES".
Достоинства таких систем – это дешевое базовое и периферийное оборудование, простота установки и эксплуатации.
Недостатки этих систем:
-при увеличении количества каналов и загрузки системы существенно увеличивается время поиска свободного радиоканала для установления связи;
-время установления связи больше, чем у других систем;
-невозможность создания многозоновых систем;
-сокращенный набор функций и сервиса.

С каналом управления

Присутствие канала управления сводит к минимуму время ожидания соединения. В этом случае система сама определяет наличие незанятых каналов и переключает на них станцию абонента.

Многие крупнейшие компании используют при построении сети управление на основе выделенного канала. Микропроцессорный блок управления контролирует все базовые станции в зоне обслуживания. Один из каналов выделяется для использования исключительно в целях правления и представляет собой своеобразное "руководящее звено" данной системы. Его основная функция – установления соединения между двумя абонентами сети.

Транкинговые системы без выделенного контрольного канала. В системах такого рода, в место специально выделенного канала используется один из приемопередатчиков центральной станции. За той или иной группой закрепляется один из каналов, который он не занял. В противном случае блок управления (контроллер), распределяющий каналы системы, переключает пользователя на любой свободный. Если заняты все каналы, аппарат сообщает об этом при попытке начать сеанс связи.

Системы транкинговой радиосвязи, представляющие собой радиально-зоновые системы УКВ радиосвязи, осуществляющие автоматическое распределение каналов связи ретрансляторов между абонентами, являются классом систем подвижной связи, ориентированным, прежде всего, на создание различных ведомственных и корпоративных сетей связи, в которых предусматривается активное применение режима связи абонентов в группе. Они широко используются силовыми и правоохранительными структурами, службами общественной безопасности, транспортными и энергетическими компаниями различных стран для обеспечения связи подвижных абонентов между собой, со стационарными абонентами и абонентами телефонной сети.

1.4 Пейджинговая связь

Пейджинговые системы (системы персонального радиовызова) - это системы односторонней мобильной связи, осуществляющие передачу коротких сообщений из центра системы, с пейджингового терминала, на абонентские приемники - пейджеры. Радиус зоны действия пейджинговых систем может достигать 100 км. Наиболее распространенный тип сообщения - буквенно-цифровое, которое может содержать любой текст длиной до 100-200 символов. Принятое сообщение отображается на дисплее пейджера, имеющем обычно от одной до восьми строк, по 12-20 символов в строке. Длинные сообщения отображаются по частям. Сообщение, подлежащее передаче, вводится в систему через телефонную сеть - голосом через оператора или с клавиатуры персонального компьютера или телефонного аппарата с тональным набором. Помимо сообщений, предназначенных отдельным абонентам или группам абонентов, в пейджинговых системах обычно имеется общий информационный канал, передающий сообщения о биржевых новостях, погоде, обстановке на дорогах и т.п. Существенная особенность пейджинговой связи - асинхронная передача информации. Это значит, что сообщение передается не в момент его выдачи отправителем, а несколько позднее, в порядке очереди с аналогичными сообщениями других отправителей, хотя задержка, как правило, невелика, не более нескольких минут. Поэтому, в сочетании с краткостью сообщений, обеспечивается весьма эффективное использование канала связи, в результате чего пейджинг оказывается технически проще и экономичнее сотовой связи. Еще одна особенность заключается в том, что сообщение может быть получено только в момент его отправки. Если в это время абонент недоступен (находится вне зоны действия системы или его пейджер выключен), то он уже никогда не получит переданное ему сообщение.

Рис.1.5. Пейджер

Пейджинговые системы связи делятся на группы в соответствии с пространственной структурой построения системы:

- одно мощное передающее устройство, размещенное на максимально возможной высоте;
- радиальная сеть передающих устройств с высотой антенны 90-130м и мощностью в пределах 40-50Вт.

Наряду с системами персонального радиовызова городского типа разработаны системы государственных и континентальных масштабов, использующие спутники.

Достоинства:
- невысокая цена на предоставляемые услуги;
- возможность получения сообщений через Internet;
- широкий диапазон объемов запоминаемых сообщений;
- использование пейджера для сокращения расходов по оплате сотовых телефонов (если использовать пейджер для входящей связи, а сотовый телефон - для исходящей).

Недостатки:
- предоставляет возможность только односторонней связи;
- недоступность абонента, находящегося в определенных условиях, например в метро, при отсутствии информации о том, получил абонент сообщение или нет;
- ограничение количества повторов передачи сообщений у некоторых операторов;
- ограничение объема передаваемой информации.

Передача адресной информации и сообщений в цифровых системах (в том числе и в пейджинговых) осуществляется в определенном формате (протоколе) кодирования. Первым протоколом пейджинговой связи является двухтоновый формат, разработанный в 50-х годах фирмой MULTITON и предусматривающий передачу (предварявшую голосовое сообщение) на радиостанцию адреса - двух тоновых посылок различной частоты. Долгое время после этого разрабатывались и применялись форматы связи, обеспечивающие работу тоновых пейджеров. К середине 70-х годов были разработаны и внедрены широко применяемые и сегодня протоколы POCSAG, GOLEY, NEC, предусматривающие модуляцию высокочастотного сигнала двоичным кодом.

1.5 СИ-БИ связь

"CB" - это сокращение от "Citizen's Band" (англ.: "Гражданский диапазон"). Это значит, что любой человек может использовать радиосвязь в диапазоне 27 МГц. В зависимости от того, в какой стране вы живете, использование этого диапазона либо минимально урегулировано правилами проведения локальных связей, либо не урегулировано вовсе. По своей сути средства радиосвязи этого диапазона представляют собой носимые, возимые или стационарные радиостанции.

Вы можете связываться с аналогичными радиостанциями в пределах их радиуса действия. Если установить одну радиостанцию в квартире, а вторую в автомобиле, то можно иметь постоянную связь "дом - автомобиль". Установив стационарные радиостанции в городской квартире и на загородной даче, можно иметь постоянную связь между ними.

Рис.1.6. Носимые радиостанции

Выбор диапазона

Диапазон 27 МГц выбран для гражданского применения не случайно. Располагаясь в высокочастотной части коротковолнового диапазона, радиоволны с частотой 27 МГц очень редко распространяются на большие расстояния за счет отражения от ионосферы.

Учитывая высокую насыщенность Си-Би радиосредствами, случаи дальнего прохождения являются, в отличие от радиолюбительской практики, скорее, не благом, а бичом, так как только пространственный разнос может спасти пользователей от взаимных помех. Зато, благодаря большой длине волны (11 м) в гражданском диапазоне сильнее выражены эффекты дифракции, и дальность связи земной волной больше по сравнению с другими мобильными радиостанциями, работающими, как правило, в более высокочастотном УКВ-диапазоне. Учитывая невысокую разрешенную мощность Си-Би радиостанций, этот факт является немаловажным.

Возможности радиосвязи

Возможности применения Си-Би связи весьма широки. Это достаточно надёжное и доступное средство связи, позволяющее связать, например, магазин со складом, склад с автотранспортом и т.д. Можно использовать Си-Би радиосвязь и на маломерном флоте - на катерах и яхтах. При этом дальность связи на воде значительно возрастает.

Однако наиболее массовое применение Си-Би радиосвязь нашла в качестве подвижной связи. Радиостанции в автомашинах позволяют поддерживать постоянный контакт между собой, получать оперативную дорожную информацию, помощь при выборе маршрута, помощь при авариях и технических неполадок в пути. Пользуясь Си-Би радиостанцией можно связаться с пожарной охраной, милицией, скорой помощью, аварийными службами через специальные диспетчерские службы, которые окажут Вам помощь, вызвав по телефону нужную службу.

Примерная дальность радиосвязи

между базовыми станциями - 30-80 км;
между базовой станцией и автомобилем - 15-40 км;
между базовой станцией и портативной - 3-10 км;
между автомобилями - 15-35 км;
между автомобилем и портативной станцией - 2-7 км;
между портативными станциями - 1-5 км.