использования сложных эффективных методов обработки слабых принятых сигналов на фоне шумов.

Закрытие передаваемой информации - значительно более важная проблема, чем это кажется на первый взгляд. Речь идет не только о служебной информации, которая должна быть безусловно закрытой, но и о частной информации, так как мало кто будет согласен на прослушивание личных разговоров. Тем более, что прослушать разговор по радио значительно легче, чем телефонный, а факт прослушивания вообще нельзя установить. Однако простые методы защиты аналоговой информации (типа инверсии передаваемого спектра) легко поддаются раскрытию, а более сложные приводят к существенному искажению передаваемой информации и ухудшению качества речи.

Все перечисленные выше проблемы в значительной степени решены в системах связи второго поколения.

1.1.2. Мобильные системы связи второго поколения

Мобильные системы связи второго поколения (GSM, DMAPS) характеризуются следующими основными признаками:

∙цифровым модулирующим сигналом;

∙использованием временного и кодового методов разделения каналов совместно с частотным;

∙сотовой структурой организации связи.

Цифровая модуляция несущей частоты предполагает преобразование исходного аналогового речевого сигнала в цифровую форму и обратно с помощью специального речепреобразующего устройства - вокодера или дельтакодека.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Вокодер анализирует речевой сигнал в частотной области с помощью преобразования Фурье, выполняемого в специализированном DSP-процессоре в реальном масштабе времени. Численные значения спектральных составляющих речевого сигнала передаются по радиоканалу; на приемном конце DSP процессор выполняет обратную операцию восстановления аналогового речевого сигнала по переданному спектру. Дельта-кодек анализирует речевой сигнал во временной области, периодически измеряя текущую амплитуду аналогового сигнала. Цифровое значение текущей амплитуды сигнала передается по радиоканалу и воспроизводится на приемном конце с помощью управляемого по амплитуде звукового генератора.

После преобразования аналогового речевого сигнала в цифровую форму в передатчике осуществляется избыточное кодирование цифровой информации с целью повышения помехозащищенности и интерливинг (псевдослучайное распределение передаваемых битов информации по длине передаваемого сообщения) с целью уменьшения влияния быстрого фединга при распространении радиоволн. Обязательным компонентом передающего тракта является формирующий ФНЧ (фильтр обкатки), который уменьшает полосу частот цифрового сигнала, удаляя из его спектра не несущие информацию высокочастотные компоненты. После формирующего фильтра цифровой сигнал поступает на модулятор для изменения одного из параметров несущей частоты. В большинстве систем связи второго поколения используется частотная модуляция, хотя ряд стандартов предусматривает и параллельное применение фазовой модуляции.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Временное разделение каналов связи TDMA (Time Division Multiply Access) используется в сетях связи второго поколения параллельно с частотным разделением FDMA. Временное разделение каналов заключается в том, что на одной и той же частоте одновременно обеспечивается связь с несколькими абонентами. Каждому абоненту выделяется свой временной интервал (слот) в периодически повторяющемся временном кадре (фрейме). Так, например, в стандарте TETRA кадр содержит 4 временных интервала, так что одновременно до 4 абонентов могут работать на одной частоте (рис.1.3).

Рис.1.3. Временное разделение каналов

Реализация одновременно нескольких радиоканалов на одной и той же частоте путем последовательной передачи данных нескольких абонентов основана на возможности сжатия исходного цифрового сигнала. Обычный темп речи существенно меньше, чем скорость передачи данных в радиоканале, поэтому нет никакой необходимости передавать эту речь в реальном масштабе времени. Исходный речевой сигнал, преобразованный в цифровую форму, запоминается (например, в течение 100 мс) и со скоростью, в 4 раз более высокой, чем исходная,

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

передается по радиоканалу в течение 25 мс. На приемном конце цифровой сигнал вновь расширяется до 100 мс, и после преобразования цифрового сигнала в аналоговую форму абонент слышит нормальную речь. В оставшиеся свободными 75 мс можно передавать аналогичным образом сжатую информацию трем другим абонентам.

Кодовое разделение каналов CDMA (Code Division Multiply Access) предполагает одновременную работу всех абонентов в одной и той же полосе частот. Цифровой модулирующий сигнал дополнительно модулируется псевдослучайной цифровой последовательностью с тактовой скоростью, в десятки раз превышающей скорость информационного сигнала. В результате спектр модулирующего сигнала существенно расширяется, а его амплитуда уменьшается. Далее модулирующий цифровой сигнал с расширенным спектром используется для частотной или фазовой модуляции несущей частоты. В результате спектр модулированного колебания приобретает шумоподобный характер, а мощность P передаваемого сигнала "размазывается" в широкой полосе частот (рис.1.4).

H(f)

1

2

f

Рис.1.4. Спектр мощности информационного (1) и расширенного (2) сигналов

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Расширяющая псевдослучайная последовательность уникальна для каждого абонента. В приемнике каждого абонента записан присвоенный только ему код расширяющей последовательности. При корреляционном приеме все прочие расширенные сигналы воспринимаются приемником как шум и только сигнал, коррелированный с личной кодовой последовательностью, восстанавливается как демодулированный исходный сигнал. Легко заметить замечательное свойство сигналов с расширенным спектром: емкость сети связи становится почти неограниченной. Поскольку сигналы всех абонентов имеют шумовой характер с очень малой амплитудой, то увеличение числа работающих абонентов приводит только к повышению общего шумового фона. При исключительно большом числе одновременно работающих абонентов шумовой фон может стать настолько большим, что базовая радиостанция не сможет выделить слабый полезный сигнал наиболее удаленных абонентов на фоне высокого уровня шума, создаваемого большим количеством работающих абонентов. Но для ближе расположенных абонентов система будет работать в любом случае. Скорость передачи информации в сетях связи с кодовым распределением каналов также жестко не лимитируется полосой частот выделенного канала связи и вполне может быть установлена достаточно высокой (до 100 кбит/с), удовлетворяющей требованиям для непосредственной работы с Интернет. Персональные радиостанции CDMA отличаются высокой экологичностью, так как они излучают очень малую плотность мощности в широком частотном спектре. Признано, что маломощный сигнал в широкой полосе частот оказывает значительно меньшее влияние на человека, чем относительно мощный сигнал на

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

фиксированной частоте, излучаемый радиостанциями второго и особенно первого поколения.

Сотовая структура организации связи предполагает наличие значительного количества локальных базовых радиостанций (сот), работающих в структуре, показанной на рис.1.2, связанных между собой в сеть по выделенным фиксированным линиям связи и управляемых из единого центра, как это показано на рис.1.5.

Каждая сота накрывает относительно небольшой участок территории, от нескольких сотен метров в населенной части города до нескольких километров в пригородной зоне.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Каждая сота работает на частоте или группе частот, не совпадающих с частотами соседних сот. Установление всех вызовов uplink и downlink производятся только по выделенным каналам управления. Мобильная радиостанция непрерывно прослушивает канал управления и периодически выходит на связь с базовым передатчиком ближайших сот. Этим мобильная радиостанция отмечает свое текущее положение и устанавливает связь с той базовой радиостанцией, сигнал от которой в точке нахождения абонента имеет максимальную величину. В базе данных коммутатора мобильной связи хранятся координаты (адреса сот) всех активных абонентов. При вызове подвижного абонента из телефонной сети общего пользования вызов происходит в некотором ареале, включающем в себя соту, где последний раз отметилась абонентская радиостанция, и ближайшие к ней соты. Ясно, что наличие большого количества многоканальных сот и обслуживание абонента только в той соте, где он реально присутствует, позволяет поднять пропускную способность системы связи на несколько порядков по сравнению с типичной транкинговой системой.

Основное отличие сотовой организации сети связи от транкинговой заключается в том, что фиксированные линии связи между базовыми радиостанциями и коммутатором мобильной связи являются существенным и необходимым элементом сети, который и обеспечивает высокоскоростную передачу огромных массивов данных, поддерживая тем самым одновременную работу десятков тысяч абонентов. Абонентские радиостанции сотовой связи фактически являются радиоудлинителями, позволяющими абоненту работать на некотором удалении от ближайшего многоканального телефонного аппарата (базовой

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

радиостанции). Сотовая сеть связи может быть развернута только в населенном пункте с развитой инфраструктурой фиксированных линий связи (телефонных или оптоволоконных).

Таким образом, применение цифровых сигналов в сетях связи второго поколения привело к качественному изменению самого подхода к приему и передаче информации. Все процедуры, связанные с формированием и детектированием сигналов, возлагаются на высокоскоростные цифровые устройства, которые стабильны в работе, не требуют настройки и регулировки, позволяют реализовать эффективные методы сжатия информации, выделения слабых сигналов на фоне шумов, закрытия передаваемой информации. Сотовая организация сети радиосвязи позволяет на несколько порядков увеличить количество одновременно обслуживаемых абонентов по сравнению с транкинговыми системами. На сегодняшний день наземные сотовые сети связи второго поколения являются наиболее развитым сегментом мобильных систем связи и находят самое широкое применение как национальные и международные сети связи для массового потребителя. Эти сети далеко перешагнули национальные границы и обеспечивают услугами телефонной связи сотни миллионов пользователей во всем мире.

Основная проблема в наземных сетях связи второго поколения связана с относительно малой скоростью передачи информации, а также несовместимостью основных стандартов.

Скорость передачи информации в сетях связи второго поколения с частотным или временным разделением каналов жестко ограничена допустимой шириной полосы

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com