Действия вызываемого аппарата при установлении соединения.

Телефоны сотовой сети постоянно находятся в режиме ожидания вызова - постоянно прослушивают пейджинговый канал, ожидая адресованные им текстовые сообщения.

Сигнал вызова (с обычного или другого мобильного телефона) в виде пакета данных посылается на “домашний (или визитный)” коммутатор вызываемого телефона.

“Домашний (или визитный)” коммутатор сообщает центральному коммутатору, в зоне которого находится вызываемый абонент, номер базовой станции вызываемого абонента.

После определения номера базовой станции вызываемого абонента центральный коммутатор пересылает сообщение о вызове на базовую станцию вызываемого абонента в его текущую ячейку.

Из текущей ячейки вызываемого абонента посылается по пейджинговому каналу вызываемому абоненту текст: “Абонент 14, вы здесь?”.

Телефон вызываемого абонента отвечает по каналу доступа: “Да”.

После приема сигнала “Да” базовая станция выбирает для вызываемого абонента номер канала данных (например, выбран номер 3) и сообщает ему по пейджинговому каналу: ”Абонент 14, вам звонок по каналу 3”.

После этого телефон вызываемого абонента переключается на канал 3 и начинает издавать звуковые сигналы вызова абонента (или проигрывать мелодию, которую владельцу подарили на день рождения).

 

       Возникновение коллизий возможно, как было отмечено, при посылке сигнала вызывающим абонентом набранного телефонного номера вместе со своим идентификационным номером по каналу доступа через базовую станцию на коммутатор центра управления. При этом с точки зрения системы связи процесс занятие канала доступа конкретным пользователем является случайным процессом. Такой же процесс занятия канала доступа возможен и со стороны других абонентов, находящихся в зоне действия этой базовой станции. Рассмотрим математическую модель совпадения этих сигналов (потоков сигналов), посылаемых различными абонентами.

       Иллюстрация потоков сигналов занятия канала доступа  пользователями приведена на рис.1.

Допустим, что каждый из  потоков поступает на вход суммирующего устройства, выполняющего операцию

 

.                                                                                      (1)

 

       Если форма импульсов прямоугольная, а их амплитуда равна единице, то в произвольно взятый момент  величина         будет равна целому положительному числу, включая ноль. Т. е. в момент времени   правая часть (1) может принимать значения

 

                                                                                             (2)

 

где  

       Зависимость  может рассматриваться как некая совокупность дискретных состояний системы (1). Продолжительность и частота нахождения такой системы в состоянии k равны соответственно длительности и частоте следования импульсов совпадения, образованных в результате сложения импульсов, принадлежащих разным потокам сигналов.

 

 

           

Рис. 1 Потоки сигналов занятия каналов доступа

       Если учесть, что вероятность наличия в произвольно взятый момент времени  импульса s – го потока равна

 

,                                                                                               (3)

 

где   и  , соответственно, средние частота следования и длительность импульсов, то система может находиться в состоянии k с вероятностью

 

                                                                                                                 (4)

 

Величина , определяемая последним выражением, равна сумме всех возможных произведений, в которые  с разными индексами входят k раз, а  - (n- k) раз.

       В случае одинаковых скважностей импульсов каждого потока, когда  уравнение (4) приводится к известной формуле Бернулли

 

                                                                                    (5)

 

       Подставим в соотношение (5) частные значения. Предположим, что имеем два одинаковых потока, выходящих на канал доступа, n=2. В этом случае коллизия приведет к значению k=2. Тогда вероятность коллизии можно определить по соотношению (5). Пусть средняя частота следования пачек импульсов потока и средние длительности пачек соотносятся так

 

 

Тогда

 

 

       Аналогично можно подсчитать вероятность коллизий для 3-х и более потоков пачек импульсов запроса канала доступа.

Центр коммутации подвижной связи (ЦКПС) обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается в процессе работы подвижная станция, т.е. коммутацию мобильных абонентов друг с другом, с абонентом ТФОП и др. На ЦКПС возлагаются также функции коммутации каналов, к которым относятся "передача обслуживания" (или "эстафетная передача") и переключение каналов в соте при появлении сильных помех и неисправностей, если только это не является обязанностью КБС. Помимо коммутационных задач ЦКПС управляет процедурами слежения за подвижными станциями с помощью домашнего и визитного регистров местоположения для обеспечения доставки вызова, а также процедурами аутентификации и идентификации абонентов с помощью ЦА и РИО.

Блоки ДРМ и ВРМ по своей сути представляют собой базы данных. Первый содержит сведения о постоянно приписанных к данному ЦКПС абонентах и о видах услуг, которые им могут быть оказаны, второй содержит информацию об абонентах, временно находящихся в зоне обслуживания данного ЦКПС. Центр аутентификации обеспечивает возможность проведения процедуры аутентификации абонентов и шифрования передаваемых сообщений, РИО содержит сведения об эксплуатируемых подвижных станциях на предмет их исправности и санкционированного использования.

       Контроллер базовых станций осуществляет управление несколькими БС, которые обеспечивают связь с МС через радиоинтерфейс, а также производит упаковку информации, передаваемой в ЦКПС, и ее распаковку при передаче в обратном направлении. К числу операций, производимых КБС, относятся передача обслуживания при переходе МС между сотами, контролируемыми одним и тем же КБС, передача вызовов между МС, находящимися в зонах действия разных БС, но одного и того же контроллера (в противном случае, первичное управление возлагается на ЦКПС). Под управлением КБС осуществляются радиоизмерения в каналах связи, регулируется мощность передатчиков подвижных и базовых станций.

       Центр коммутации осуществляет все коммутации абонентов системы. По своей структуре он полностью аналогичен телефонной станции общего пользования.

Связь посредством ИСЗ

Общие сведения о системе. Под названием «системы персональной спутниковой связи» (СПСС) понимаются различные по построению спутниковые системы с космическими аппаратами (КА) на геостационарной (GEO), средневысотных (MEO) и низких (LEO) орбитах, работающие в различных диапазонах частот и представляющие пользователю различные услуги связи с помощью персонального терминала (портативного, мобильного, стационарного).

Системы спутниковой связи дополняют сотовые системы наземного базирования, но не заменяют их. Они позволяют обеспечить связью в местах, не доступных для наземных сотовых сетей (моря и океаны, горные районы, тайга и т.п. места земного шара). Поэтому емкость систем спутниковой связи намного ниже емкости сетей наземной подвижной связи.

Основные частотные диапазоны спутниковой связи [2].       Диапазон С (табл.1) был первым, предназначенным для трафика коммерческих спутников. Он имеет два поддиапазона: низходящий (со спутника к Земле) и восходящий (с Земли на спутник). Эти диапазоны переполнены пользователями, поскольку на этих же частотах работают наземные системы связи.

       В 2000-ом году, в соответствии с международными соглашениями, были введены два дополнительных диапазона: L и S. Они весьма узки и уже заполнены.

       Следующие коммерческие диапазоны называются К_u и К_а (индексы от английских слов “under – под” и “above – над”). Основные проблемы этих диапазонов: влияние дождя и высокая стоимость оборудования на сегодняшний день. Первый недостаток устраняется посредством создания нескольких наземных пунктов связи (эти диапазоны предполагаются для связи стационарных наземных пунктов с ИСЗ), второй недостаток, видимо, временный – широкое использование этого диапазона приведет к совершенствованию технологии производства аппаратуры этого диапазона и, следовательно, к ее удешевлению.

       Помимо указанных в табл.1 коммерческих диапазонов частот, используемых для связи посредством ИСЗ, существует множество правительственных и военных.  

 

Табл.1 Характеристики основных частотных диапазонов спутниковой связи

Обозначение подддиапазона	Частотный диапазон (ГГц)	Проблемы
L	1-2	Узкая полоса, переполнен
S	2-4	Узкая полоса, переполнен
C	4-8	Наземная интерференция
Х	8-12	Наземная интерференция
Ku	12-18	Дождь, дорогое оборудование
Ka	18-27	Дождь, дорогое оборудование
К	27-40	Дождь, дорогое оборудование
W	40-100	Дождь, дорогое оборудование

Радиационные пояса высокой интенсивности (10000 имп/сек и более) – пояса Ван-Аллена [1].

Радиационные пояса Ван-Аллена по высоте начинаются в районе экватора от 2000 км. Первый – расположен на высотах 2000 – 5000 км, в обе стороны от экватора до 30⁰. Второй – на высотах от 15000 до 19000 км в обе стороны от экватора до 50⁰.

 

Орбиты ИСЗ [1].

 

Геостационарная орбита (GEO-Geostationary Earth Orbit, геостационарная околоземная орбита).

     Расположена такая орбита на высоте примерно 36 000 км. ИСЗ на этой орбите находятся постоянно над заданной точкой земной поверхности.

Орбитальный ресурс таких спутников высок: срок активного существования составляет 15 лет. Теоретически он может быть доведен до 25 лет.

Недостатки систем на таких спутниках: они хороши для радио- и телевещания – задержки в каждом направлении составляют 250 мс. В случае двойного “скачка” сигнала (ретрансляция через наземную станцию) связь неприемлема более чем для 20% абонентов. Такие спутники имеют меньшую спектральную эффективность, так как не представляется возможность повторного использования частот. Кроме того, высокоширотные зоны не могут быть обслужены такими ИСЗ.

 

Средневысотные орбиты (MEO-Medium Earth Orbit, средневысотная околоземная орбита).

      Трассы этих орбит простираются от 5000 до 15000 км. Они создают меньшую зону обслуживания, чем стационарные.

Для глобального охвата земного шара с однократным покрытием необходимо от 7 до 12 ИСЗ.

Полная задержка сигнала при связи через эти спутники не превышает 130 мс, что делает их приемлемыми для персональной связи.

Орбитальный ресурс таких спутников составляет 12-15 лет.

Период обращения занимает около 6 часов, только несколько минут в пределах времени движения равного одному витку ИСЗ находятся в тени Земли.

Виды орбит: экваториальные, полярные, наклонные.

Низкоорбитальные орбиты (LEO-Low Earth Orbit, низкая околоземная орбита).

Высоты этих орбит простираются от 500 до 2000 км. Ниже 500 км высока плотность атмосферы.

Число ИСЗ для однократного покрытия должно быть не менее 48 штук.

Период обращения – от 90 мин до 2 час. Время радиовидимости от 10 до 15 мин.

Срок службы ИСЗ – 5-8 лет.

Виды орбит: экваториальные, полярные, наклонные.

Сотовые системы связи на низких орбитах

Система IRIDIUM.

       Концепция создания впервые появилась в 1987 году и была представлена общественности компанией Motorola в 1990 году. Предполагалось 77 КА.

В составе системы можно выделить три основных сегмента: космический сегмент, наземный сегмент управления системой и пользовательский сегмент.

Система Iridium поддерживает связь с наземными сетями при помощи 250 наземных шлюзовых станций и двух станций управления сетью. Такая схема обеспечивает надежную связь абонентов с сотовыми наземными сетями, хотя для работы системы достаточно 15 шлюзовых станций.

       Космический сегмент: 66 КА на 6 квазиполярных круговых орбитах (наклонение 86,4⁰). Период обращения 100 мин и 28 сек. Высота орбиты 645 км. Число орбит 6, орбиты равноудалены, орбитальные плоскости равноудалены на 31,6⁰. 

       Между КА организована межспутниковая связь, каждый КА может связаться с 4-мя другими КА. Межспутниковые связи позволяют установить соединения между абонентами без привлечения наземного сегмента сети.

       На КА использована 48 лучевая антенная система. Один луч высвечивает на поверхности Земли зону порядка 600 км, все 48 лучей – 4000 км.

       Технология связи – TDMA.

       Связь по линии “Абонент - КА” осуществляется по 64 каналам (из них 9 используют для сигнализации). Разнос между каналами – 160 кГц, полоса каждого канала – 126 кГц. Диапазон частот канала: 1616-1625,5 МГц.

В радиолинии “КА – Абонент” организовано 29 каналов (4 для сигнализации). Разнос каналов – 350 кГц, полоса каждого канала – 280 кГц. Диапазон частот канала тот же, что и для радиолинии “Абонент - КА”: 1616-1625,5 МГц.

При движении КА находится в зоне радиовидимости 8-10 мин. При этом происходит переключение с луча на луч с одного КА на другой. Т.е. аппаратура КА и абонентского комплекта все это должна проделывать.

Наземный сегмент выполняет функции контроля КА, вывода новых КА. Использует наземный сегмент для передачи сообщений по трассе “Земля - КА” частоты 19,4 – 19,6 ГГц; для передачи сообщений по трассе “КА - Земля” частоты 29,1 – 29,3 ГГц. Наличие межспутниковой связи требует большой число станций контроля КА. На первом этапе число таких станций предполагалось около 20 в том числе по две станции в США и в России.

В июне 2001 года система была единственной, обеспечивающей глобальное покрытие земного шара. Однако данное преимущество не защитило ее от возникновения финансовых проблем. Это показывает, что хорошего и инновационного технического решения недостаточно для достижения коммерческого успеха. Услуги были достаточно дорогими, телефоны – большими, а инвесторы не предусмотрели гигантского роста наземных систем подвижной связи, который увел множество потенциальных потребителей услуг Iridium. Однако недавно система возвращена в эксплуатацию организациями-потребителями из США: военными, морскими, газо-, нефте-, горно-добывающими и некоторыми другими.

Система GLOBALSTAR.

       Целевая разработка проекта определена в начале 90-х годов компаниями Loral Space & Communications и Qualcomm Inc. Поэтому используемая технология связи – CDMA.

       Система структурно разделена на 3 основных сегмента: космический, наземный и пользовательский.

       Орбитальная группировка включает 48 КА. КА расположены на 8 орбитальных плоскостях по 6 КА в каждой. Орбиты круговые, высота орбит 1414 км, наклон орбит к плоскости экватора 52⁰. Такая группировка КА обеспечивает видимость КА от 70⁰ ЮШ до 70⁰ СШ.

       Период обращения КА на орбите равен 114 мин.

       КА формирует на поверхности Земли 16 лучей. По линии “Абонент-КА” полоса каждого частотного канала –1,25 МГц, диапазон частот: 1610-1626,5 МГц. По линии “КА-Абонент” полоса каждого частотного канала – 1,25 МГц, диапазон частот: 2483,5-2500 МГц.

       Масса каждого КА - 450 кг, максимальная мощность солнечных батарей – 1100 Вт. Планируемый срок активного существования КА – 7,5 лет.

Наземный сегмент выполняет функции контроля КА, вывода новых КА. Использует наземный сегмент для передачи сообщений по трассе “Земля - КА” частоты 5,91 – 5,25 ГГц; для передачи сообщений по трассе “КА - Земля” частоты 6,875 – 7,055 ГГц.

Система Globalstar отличается по концепции от системы Iridium: в Globalstar осуществляется непосредственная ретрансляция сигнала абонента, т.е. основная доля соединения с вызываемым абонентом осуществляется по сетям наземных базирований.

Эти системы позволяют осуществить «глобализацию телекоммуникаций», т.е. обеспечить доступность телекоммуникационных услуг в любой точке земного шара. При этом наряду с традиционными узкополосными видами связи, такими, как радиотелефон, передача данных, телекс, в перспективных системах возможна передача видеоданных, мультимедийной информации и интерактивных телевизионных программ.

Для надежного охвата всей территории Земли необходимо иметь большое количество спутников. С увеличением высоты орбиты уменьшается необходимое количество спутников, т. к. увеличивается время и зона видимости, что обусловливает снижение стоимости орбитальной группировки и, соответственно, услуг. Но при этом неизбежно усложняются и становятся более дорогими персональные спутниковые терминалы (из-за увеличения дальности связи Земля — Космос — Земля). Таким образом, число спутников в орбитальной группировке является результатом компромисса между стоимостью и желаемым объемом услуг связи, с одной стороны, и простотой и ценой персонального спутникового терминала — с другой. Эти сведения надо учитывать при ориентации на ту или другую систему связи.

       Рассмотрим более подробно основные элементы системы связи посредством ИСЗ: наземный сегмент, центр запуска космических аппаратов (КА), центр управления связью и шлюзовые станции, осуществляющие стык каналов связи ИСЗ с наземными комплексами связи.

Наземный сегмент. Центр управления системой осуществляет слежение за КА, расчет их координат, сверку и коррекцию времени, диагностику работоспособности бортовой аппаратуры, передачу служебной (командной) информации и т. д. Указанные функции управления выполняются на основе телеметрической (ТЛМ) информации, поступающей от каждого КА орбитальной группировки. Для управления космической группировкой в различных режимах работы КА используют как штатные каналы связи (с учетом перекрестной спутниковой связи), так и отдельные, территориально разнесенные командно-измерительные станции. Благодаря этому центр управления системой позволяет обеспечить с достаточно высокой оперативностью:

- контроль запуска и точность вывода КА на заданную орбиту;

- контроль состояния каждого КА;

- контроль и управление орбитой отдельного КА;

- контроль и управление КА в нештатных режимах работы;

- вывод КА из состава орбитальной группировки;

Управление космической группировкой осуществляется специалистами группы управления и анализа. Передачу служебной информации на КА осуществляют через территориально-разнесенные основные и резервные станции командно-измерительной системы.

Центр запуска КА. Центр запуска КА определяет программу запуска, осуществляет сборку ракеты-носителя, ее проверку, а также установку полезной нагрузки (КА) и проведение предстартовых проверок и испытаний. После запуска ракеты-носителя производят траекторные измерения на активном участке полета, которые транслируются в центр управления системой, где для формирования промежуточной орбиты корректируются расчетные траекторные данные. Последующее управление КА осуществляется центром управления системой при помощи командно-измерительных станций по следующей программе:

- разворачиваются солнечные батареи КА;

- производится кратковременное включение корректирующих двигателей для перевода КА на основную орбиту;

- снимается телеметрическая информация для контроля состояния бортового оборудования КА.

Центр управления связью. Центр управления связью планирует использование ресурса спутника, координируя эту операцию с центром управления системой. Центр управления связью осуществляет через национальные шлюзовые станции анализ и контроль связи, а также управление.

В штатных условиях работы орбитальной спутниковой группировки связь со шлюзовыми станциями и пользовательскими терминалами осуществляется автономно. В нештатных ситуациях (в случае вывода отдельного КА из группировки или при выходе из строя элементов шлюзовой станции) центр управления связью переходит в режим поддержания связи с повышенной нагрузкой, а в особых случаях предусматривается также возможность реконфигурирования сети.

Шлюзовые станции. Шлюзовая станция (шлюз) состоит из нескольких приемопередающих комплексов (обычно не менее трех), в каждом из которых имеется следящая параболическая антенна.

Применение нескольких приемопередающих комплексов позволяет практически без нарушения связи переходить последовательно от одного КА к другому. Приемопередающие комплексы функционируют следующим образом:

- 1-й комплекс вступает в связь с i-м КА;

- 2-й комплекс вступает в связь с i+1-м КА;

- затем 1-й комплекс, после ухода из зоны видимости i-го КА, вступает в связь i+2-м КА;

- 2-й комплекс, после ухода из зоны i+1-го КА, вступает в связь i+3-м КА и т. д.;

- 3-й комплекс, как правило, находится в резерве и при необходимости может заменить 1-й или 2-й комплекс;

Для управления большим потоком информации в состав шлюзовой станции включены быстродействующие ЭВМ, в которых имеется банк данных персональных терминалов. Шлюзовые станции в своем составе имеют коммутационное оборудование (интерфейсы связи) для соединения с различными наземными системами связи. Основной задачей любой шлюзовой станции является организация дуплексной телефонной связи, передача факсимильных сообщений, а также данных больших объемов.