Подвижная радиосвязь

 

УДК 621.396.218 
ББК 32.884.1 
     С15 
 

Сакалема Домингуш Жайме 

С15       Подвижная радиосвязь / Под ред. профессора О. И. Шелухина. – 
М.: Горячая линия–Телеком, 2012. – 512 c.: ил. 
ISBN 978-5-9912-0250-3. 
Рассмотрены принципы построения классификация и основные характеристики систем подвижной радиосвязи. Систематизированы обширные 
сведения об особенностях организации радиосвязи с подвижными объектами и передачи массовых сообщений, в том числе об особенностях  построения, функционирования и проектирования сотовых сетей с кодовым 
разделением каналов. Изложены принципы построения профессиональных (транкинговых) систем подвижной радиосвязи. Рассмотрены принципы построения и технические характеристики систем беспроводного 
доступа. Анализируются различные варианты применения беспроводных 
сетей и обсуждаются получаемые в результате их использования преимущества. Рассмотрены системы радиодоступа на основе передачи сообщений с расширенным спектром. Приведены характеристики широко 
распространенных стандартов широкополосной беспроводной связи и систем беспроводной телефонии IEEE 802.11x, IEEE 802.16., LTE и др. Рассмотрены вопросы организации спутниковых сетей связи и навигации. 
Приведены основные показатели систем и сетей спутниковой связи и  зоны видимости, покрытия, обслуживания. Анализируются виды многостанционного доступа. Даны основные технические показатели земных 
станций и космического сегмента систем спутниковой связи и навигации.  
Для широкого круга специалистов и студентов высших учебных заведений радиотехнического и инфокоммуникационного  профилей.  

ББК 32.811.7 

Адрес издательства в Интернет www.techbook.ru 

Научное издание 

Сакалема Домингуш Жайме 

 
ПОДВИЖНАЯ РАДИОСВЯЗЬ 

Под редакцией профессора  О. И. Шелухина 

Редактор  Ю. Н. Чернышов 
Компьютерная верстка  Ю. Н. Чернышова 
Обложка художника  В. Г. Ситникова 

Подписано в печать 05.06.2012. Формат 70×100/16. Уч.-изд. л. 42,5.  
Тираж 1000 экз. (1-й завод 200 экз.) Изд. № 120250 
 
ISBN 978-5-9912-0250-3                                                             ©  Автор, 2012 
                                         ©  Издательство «Горячая линия−Телеком», 2012 

Введение

Понятие «радиосистемы» охватывает большое число различных систем связи. К радиосистемам относятся тропосферные, радиорелейные, космические системы связи, телевидение, системы ВЧ (коротковолновой) связи, радиолокации и
радионавигации и др. Однако в последние годы наибольшее развитие получили
радиосистемы подвижной связи и беспроводного доступа.
Системы наземной подвижной связи — одни из наиболее быстро развивающихся в сфере телекоммуникаций. Очень быстро развиваются системы беспроводного
доступа различного назначения, в том числе обеспечивающие высокоскоростную
передачу данных. Сфера подвижной связи весьма привлекательна для бизнеса:
она характеризуется значительными инвестициями и их быстрой окупаемостью.
Подвижная связь имеет ряд принципиальных отличий от других телекоммуникационных систем, которые явились ответом на два «отягчающих» обстоятельства.
Во-первых, современные системы подвижной связи вынуждены функционировать в условиях острейшего дефицита частотного ресурса. Во-вторых, радиоканалы систем подвижной связи имеет, как правило, очень плохое качество. Они
характеризуются глубокими замираниями сигнала, высоким уровнем помех и многолучевостью, которая, в свою очередь, вызывает межсимвольную интерференцию
сигналов.
Современная подвижная связь стала возможной благодаря широчайшему использованию новейших научных достижений и технологий, прежде всего в области
цифровой обработки сигналов, микропроцессорной техники, адаптивных систем
управления. Вместе с тем системы подвижной связи весьма сложны. Достаточно
сказать, что каждая включенная абонентская станция находится в постоянном взаимодействии с сетью. Наряду с разветвленными алгоритмами управления в системах подвижной связи применяют сложные методы передачи и обработки сигналов
с использованием самых современных быстродействующих процессоров.
Подвижная связь очень быстро развивается: помимо внедрения новых технологий, таких, как пакетная высокоскоростная передача данных, интеграция подвижной связи и Интернета, внедрение принципов кодового разделения каналов
(CDMA), операторы расширяют список предоставляемых услуг и развивают технологии, позволяющие абоненту использовать эти услуги не только в домашней
сети, но и при роуминге.
Кроме того, системы CDMA позволяют добиваться высокого качества обслуживания абонентов, которое обусловлено применением усовершенствованных алгоритмов обработки сигналов. Цифровые сотовые системы связи на основе CDMA
способны обеспечить надежное функционирование в условиях замираний сигна

Введение

ла. При этом используются особенности многолучевого распространения сигнала
для улучшения качества связи. Кодированная форма сигналов в системе CDMA
служит гарантией высокой степени защиты от подслушивания и делает цифровую сотовую систему более защищенной от помех, сканирующих приемников и
различного мошенничества.
В настоящее время мы находимся на этапе смены поколений подвижной связи:
начинают активно использоваться технологии и стандарты 3-го, а в самом недалеком будущем — 4-го поколения. В книге излагаются вопросы построения широкого
класса существующих систем подвижной радиосвязи.
Излагаются принципы построения таких систем, вопросы организации связи,
вопросы безопасности организации связи в подобных системах, дается обзор современного состояния, а также тенденции развития современных систем связи с
подвижными объектами.
Рассматриваются принципы построения, классификация и основные характеристики систем подвижной радиосвязи. Анализируются особенности построения
радиосвязи с подвижными объектами и передачи массовых сообщений.
Излагаются принципы построения профессиональных ( транкинговых) систем
подвижной радиосвязи. Под термином транкинг понимается метод равного доступа абонентов к общему выделенному пучку (trunk — пучок) каналов, при котором
конкретный канал закрепляется для каждого сеанса связи индивидуально в зависимости от распределения нагрузки в системе. Термин «транкинг» впервые стал
употребляться для обозначения систем радиотелефонной связи, ориентированных
на организацию ведомственной, внутрипроизводственной и технологической связи.
Первоначально такие системы использовались при организации систем подвижной
радиосвязи, не имеющих присоединения к телефонным сетям общего пользования.
В основу этих систем подвижной радиосвязи закладывался принцип общности интересов (корпоративности) пользователей, поэтому в сетях, построенных на их
основе, трафик должен замыкаться внутри этих сетей.
В последние годы появилась тенденция создания на базе транкинговых систем — систем радиосвязи общего пользования, которые являются продолжением
телефонных сетей общего пользования (ТфОП).
В разделе, посвященном системам беспроводного доступа, даны основные определения, относящиеся к беспроводным сетям, и кратко описаны их основные
типы.
Анализируются многие варианты применения беспроводных сетей и обсуждаются получаемые в результате их использования преимущества. Рассматриваются системы радиодоступа на основе передачи сообщений с расширенным
спектром. Излагаются принципы построения систем с расширенным спектром, а
также характеристики системы с прямым расширением спектра.
Приводятся характеристики широко распространенных стандартов широкополосной беспроводной связи и системы беспроводной телефонии IEEE 802.11x,
IEEE 802.16., LTE и др.
Значительное место в книге занимают вопросы спутниковой связи с подвижными объектами. В последнее время спутниковые системы связи получили своё
дальнейшее развитие за счёт совместного использования спутникового и наземного каналов связи. Среди основных направлений развития как существующих, так
и разрабатываемых спутниковых систем передачи информации можно выделить:

Введение
5

• предоставление пользователям нового спектра услуг в области цифровой передачи речи, звука, видеоизображений, мультимедиа и Интернет;
• интеграция услуг, возможность передавать данные, речь, видео в общем цифровом потоке, поддержка разнообразных коммуникационных интерфейсов и
протоколов;
• разработку новых возможностей мультиплексоров сетей спутниковой связи
(ССС), их интеграцию с компьютерными сетями.
Выбор того или иного метода коммутации при распределении ресурсов пропускной способности спутниковых линий требует всестороннего анализа особенностей
передаваемой нагрузки, в том числе времени задержки для того или иного вида информации; объема передаваемой информации и процентного соотношения в
нем различных видов нагрузки; экономических показателей; специфических особенностей того или иного вида информации и т. д. Известные методы коммутации
и уплотнения позволяют создавать ССС, обеспечивающие эффективное использование ресурса пропускной способности сетей связи.
В книге анализируются основные технические показатели земных станций и
космического сегмента. Приводятся основные показатели систем и сетей спутниковой связи и зоны видимости, покрытия, обслуживания. Анализируются виды многостанционного доступа. Рассматривается организация спутниковых сетей связи.
Спутниковые радионавигационные системы представляют собой всепогодные
системы космического базирования и позволяют в глобальных масштабах определять текущие местоположения подвижных объектов и их скорость, а также осуществлять точную координацию времени.
Цель книги, предназначенной для широкого круга специалистов, — дать основные сведения о беспроводных сетях, их компонентах и технологиях.
Автор будет признателен за любые замечания по содержанию книги.

I

Принципы построения, классификация
и характеристики систем подвижной
радиосвязи

1
Классификация и основные функции систем
подвижной радиосвязи

1.1. Системы передачи информации. Основные понятия

Система передачи информации (СПИ) представляет собой совокупность
технических средств и среды распространения, осуществляющих передачу информации от источника к получателю. Системой связи называется система, служащая для передачи сообщений от одного абонента к другому. Физическое или
юридическое лицо, имеющее договорные отношения с оператором связи на получение услуг связи, называется абонентом связи. Операторы связи — это организации связи и индивидуальные предприниматели, имеющие право на оказание
услуг связи. Напомним, что услуга связи — это продукт деятельности оператора
(операторов) связи по приему и передаче информации.
Протоколом связи называется набор соглашений и правил взаимодействия
двух корреспондентов сети связи, а также соглашений по формату и семантике
передаваемых данных. Формат сообщения — это нормализованное расположение
отдельных элементов сообщения, которое должен соблюдать оператор, составляющий это сообщение для автоматической передачи.
Семантика передаваемых
данных определяет сущность кодов, команд, сообщений и охватывает совокупность операций, служащих для определения либо кодирования смысла данных.
Сложные протоколы обычно подразделяются на отдельные уровни, которые
выделяются по выполняемым специфическим функциям. Уровень пользуется услугами нижележащего уровня и сам предоставляет услуги вышележащему уровню.
Границы между уровнями выбираются там, где число операций по взаимодействию небольшое. Такая архитектура позволяет перестраивать какой-либо уровень,
не затрагивая остальные уровни. На границе между уровнями может быть установлен стандартизованный стык между устройствами (или программами).
Стык, или интерфейс представляет границу между двумя устройствами или
системами с определенными физическими, функциональными и электрическими

1. Классификация и основные функции систем подвижной радиосвязи
7

параметрами. Интерфейс определяется совокупностью параметров и характеристик приемников, передатчиков, антенн, видов модуляции, способов разделения
каналов и т. д.
В эталонной модели ВСС выделено семь уровней, которые перечислены ниже
с указанием основных функций:
уровень 7 — прикладной (взаимодействие с пользовательскими приложениями);
уровень 6 — представления (форматирование текстов, преобразование кодов,
шифрация/дешифрация);
уровень 5 — сеансовый (организация сеансов связи);
уровень 4 — транспортный (обеспечение надежной передачи);
уровень 3 — сетевой (передача адреса получателя, коммутация и маршрутизация);
уровень 2 — звена данных (защита от ошибок);
уровень 1 — физический (передача битов по физическому соединению).
Обычно протокол определяется перечнем передаваемых сигналов, процедурой
обмена этими сигналами, форматами сигналов и правилами кодирования каждого
поля формата.
Сеть связи — это часть системы связи, выделенная по роду или виду связи
и состоящая из совокупности узлов связи, абонентских терминалов и соединяющих их линий связи, решающая задачу по доставке информации в соответствии
с заданным адресом. Среда распространения электромагнитных волн, используемая для передачи сигналов от передающего устройства к приемному устройству,
называется линией связи.
Узел связи предназначен для объединения и распределения потоков сообщений.
Абонентский терминал (абонентская станция) — это оконечная аппаратура
связи (совокупность технических и программных средств), находящаяся в распоряжении абонента и подключенная к сети связи для обмена информацией в соответствии с установленным протоколом и с характеристиками, определенными
интерфейсом.
Радиосистема передачи информации — это радиосистема, в которой радиолинии используются для передачи информации, формируемой вне этих радиолиний.
Радиолиния — это линия передачи в одном азимутальном направлении, в которой сообщения передаются посредством радиоволн в открытом пространстве.
Радиопередача — это формирование и излучение радиочастотных сигналов.
Радиоприем — это прием радиоизлучения, выделение из него полезных сигналов и преобразование в вид, обеспечивающий использование содержащейся в
них информации.
Сеть радиосвязи это совокупность технических средств, оконечных пунктов
ввода и вывода информации, узлов, в которых происходит распределение информации, и собственно радиолиний.
Станция — это комплекс технических устройств, содержащий один или более передатчиков, приемников и вспомогательную аппаратуру и предназначенный

I. Принципы построения систем подвижной радиосвязи

для решения различных задач, связанных с передачей и приемом информации.
Базовая станция представляет собой совокупность одного или нескольких приемопередатчиков, контроллера, вспомогательных технических средств и антеннофидерных устройств, обеспечивающих обмен информацией с абонентскими станциями и реализацию интерфейса в соответствии с протоколом обмена информацией.
Радиостанция — это один или несколько радиопередатчиков или радиоприемников, а также комбинация радиопередатчиков и радиоприемников, и вспомогательное оборудование, сосредоточенные в определенном месте для организации
радиослужбы.
Базовая станция в подвижной радиосвязи представляет стационарную радиостанцию.
Комплекс сооружений и технических средств, в котором объединены радиостанции различного назначения (радиосвязи, радиовещания и телевизионного вещания), называется радиоцентром. Радиодомом принято называть комплекс сооружений и оборудования, предназначенный для подготовки, записи, формирования
и передачи радиовещательных программ потребителям (через радиопередатчики,
сеть проводного вещания и междугородные каналы), а также для обмена программами с другими радиодомами. Радиослужба — это совокупность радиотехнических средств, предназначенных для выполнения определенных целей (например,
радиосвязь на море, радиовещание, телевидение).
По виду линии передачи информации системы разделяются на проводные,
радиочастотные, атмосферные оптические и волоконно-оптические.
Проводная СПИ представляет систему с распространением сигналов вдоль
непрерывной направляющей среды (кабель, провода).
Разновидностью проводной системы является волоконно-оптическая СПИ, которая обеспечивает связь
между двумя или несколькими пунктами посредством электромагнитных волн оптического диапазона с передачей информации по волоконным световодам.
Радиочастотная СПИ обеспечивает связь между двумя или несколькими
пунктами посредством радиоволн в открытом (вообще говоря, не свободном) пространстве.
Космическая СПИ использует для передачи информации космические радиостанции, расположенные на ИСЗ (или других космических объектах), и наземные
радиостанции. Спутниковая СПИ осуществляет радиосвязь между земными радиостанциями, посредством ретрансляции (переизлучения) радиосигналов через
один или несколько ИСЗ. Заметим, что как спутниковая, так и космическая связь
могут осуществляться как в радиодиапазоне, так и используя оптическое излучение.
Система электросвязи (электрической связи) обеспечивает передачу информации любого рода на расстоянии в проводных, радиочастотных, оптических и волоконно-оптических системах.
Служба электросвязи является организационно-технической структурой на базе сети (или совокупности сетей) электросвязи, позволяющая пользователям получать от оператора связи определённый
набор услуг электросвязи.
Различают два вида служб электросвязи: переноса и предоставления связи.
Службы переноса обеспечивают только возможности передачи сигналов между
интерфейсами (стыками) сети связи с абонентскими терминалами. Любая сеть связи обеспечивает одну или несколько служб переноса. Службы предоставления

1. Классификация и основные функции систем подвижной радиосвязи
9

связи (или телеслужбы) обеспечивают реализацию всех возможностей (включая
функции абонентских терминалов) определённого вида связи между пользователями. Телеслужба организуется на базе службы переноса, обеспечиваемой сетью
(сетями) электросвязи, и абонентских терминалов.
Примером службы переноса является служба передачи данных (ПД). Здесь
под передачей данных подразумевается перенос данных в виде двоичных сигналов
из одного пункта в другой средствами электросвязи, как правило, для последующей обработки автоматическими средствами (например, вычислительной техники) при возможном участии человека. Предполагается, что в перспективе все сети
электросвязи будут обеспечивать передачу сообщений в виде цифровых (двоичных) сигналов, а все виды информации (включая речь и видеоизображения) будут
преобразовываться в цифровую форму при передаче по сетям электросвязи.
Примерами телеслужб являются службы телефонной связи, телефакса, электронной почты.

. 1.1. Классификация
радиосистем по характеру
передаваемой информации

Классификация радиосистем по характеру передаваемой информации представлена на рис. 1.1.
Система радиосвязи представляет совокупность РЭС и среды распространения, осуществляющих передачу информации от источника к получателю посредством радиоволн в открытом пространстве.
В системах радиосвязи, в первую очередь, надо
выделить системы связи с подвижными объектами:
сотовые и транкинговые, беспроводной телефонии
и персонального радиовызова.
Сотовая радиосвязь обеспечивает подвижных
и стационарных абонентов телефонной связью и передачей данных. Система состоит из множества сот
(ячеек), в центре которых располагаются БС, взаимодействующие с шестью соседними БС. Каждую
пару взаимодействующих БС связывает два симплексных канала.
Системы сотовой подвижной радиосвязи охватывают обширные территории, имея радиус действия 0,3. . . 35 км.
Размер сот
определяется территориальной плотностью абонентов сети. Абонент, если он находится в пределах одной соты, входящей в общую сеть, может выйти на связь
или его может вызвать другой абонент независимо от своего местоположения.
В сотовых сетях абонент, перемещаясь из одной соты в другую, может поддерживать непрерывную связь как с подвижным абонентом, так и с абонентом ТфОП.
Различают наземные и спутниковые сотовые системы.
Весьма перспективным направлением развития подвижной связи ОП является
создание спутниковых систем, в которых БС располагаются на ИСЗ и связаны
друг с другом радиоканалами. Это существенно увеличивает пространство, в котором размещаются абонентские системы. Такие системы позволяют обеспечить
связью обширные регионы с низкой плотностью населения, в которых создание
наземных сотовых систем является экономически неоправданным.
Они начали

I. Принципы построения систем подвижной радиосвязи

развиваться в последние два десятилетия XX века и, без сомнения, получат в XXI
веке весьма широкое распространение, так как позволяют обеспечить глобальную
подвижную связь (в труднодоступных районах с низкой плотностью населения).
Транкинговая радиосвязь предполагает наличие отдельных каналов радиосвязи, каждый из которых обеспечивается соответствующей парой частот (одна
для приема, другая для передачи). B системе любому абоненту предоставляется свободный доступ к любому из имеющихся незанятых каналов. Выбор канала
осуществляет автоматика, сканирующая находящиеся в ее распоряжении частотные каналы и выбирающая свободный, по которому и осуществляется связь между
абонентами. Транкинговые (профессиональные) системы радиосвязи имеют радиус зоны обслуживания 2. . . 50 км в зависимости от высоты подъема антенны.
Телефонная связь обеспечивает ведение телефонных переговоров между людьми. Телефонная радиосвязь — это обмен информацией между абонентами посредством совместного использования телефонной линии связи и радиоканала. Система беспроводной телефонии предназначена для индивидуальной телефонной
радиосвязи и ПД. Система позволяет абоненту свободно передвигаться с радиотелефонной трубкой в радиусе до 300 м от базовой платформы, подключенной
проводом к ТфОП. Связь радиотелефонной трубки с платформой осуществляется по радиоканалу с помощью ЧМ. Современные радиотелефоны работают в 4-х
диапазонах радиоволн: 30. . . 39 (Европа и Америка 40. . . 49), 300, 900 и 1800 МГц.
Различия между описанными системами связи с подвижными объектами,
прежде всего, состоят в составе и качестве предоставляемых услуг. Наиболее высокое качество обеспечивают сотовые сети и системы беспроводной телефонии,
предоставляющие услуги двусторонней радиосвязи в интересах как мобильных,
так и стационарных абонентов.
Аналогичные услуги, но с меньшими возможностями, реализованы в спутниковых системах. Что же касается транкинговых
систем, то в них основным видом обслуживания является полудуплексная связь
и групповой вызов абонентов.
Другое различие заключается в схеме организации связи. B сотовых системах и системах беспроводной телефонии осуществляются индивидуальные вызовы
между абонентами. Средняя длительность разговора может достигать несколько
минут. Типовой режим работы транкинговых систем основан на передаче коротких вызовов (менее 60 с), которые могут организовываться как индивидуально, так
и через диспетчера. Время установления связи транкинговых системах небольшое
и, как правило, не превышает 300 мс.
К системам радиосвязи относятся системы документальной электросвязи,
которые предназначены для ПД с подтверждением получения. Документальные
системы подразделяются на телеграфные и телематические.
Система абонентского телеграфирования предназначена для двухстороннего обмена телеграфными сообщениями в виде буквенно-цифровых текстов (телеграмм) между абонентами путем установления непосредственных соединений
между ними.
Телематические системы (ТМ-системы) — это системы электросвязи, за исключением телефонной и телеграфной систем, систем ПД, предназначенные для
передачи информации через сети электросвязи. Примерами ТМ-систем являются
факсимильные системы, системы электронных и голосовых сообщений, системы