Стандарты сотовой связи и их основные аспекты.

Стандарты сотовой связи и их основные аспекты.

2.1 Типовая классификация

• PCS (Personal Communication Service) -  системы сотовой связи типа "cell" . К данному типу относятся аналоговые стандарты NMT-450, NMT-900, AMPS, NAMPS , а также цифровые - GSM, D-AMPS.

Представляет собой реализацию макросотовой технологии. Для сетей этого типа характерна большая зона обслуживания ( до 40 км) одной базовой станции (соты) , малая емкость сети и относительно высокие энергозатраты .

• PCN (Personal Communication Network) - микросотовые сети персональной радиосвязи , типа "m-cell". Данный тип представляют стандарты DECT, GSM-1800 (DCS-1800), CT2-CAI, CT3.

В 1989 г., за год до появления технического обоснования GSM, британский Департамент торговли и промышленности DTI (Department of Trade and Industry) опубликовал концепцию "Подвижные телефоны", которая после внесения дополнений и изменений получила название "Сети персональной связи" - PCN (Personal Communication Networks), Целью реализации концепции было создание конкуренции между основными участниками рынка подвижной радиосвязи.

Емкость сетей , построенных по данной технологии, в среднем в 5-6 раз выше макросотовых. Микросоты берут на себя нагрузку в малых зонах с обслуживанием медленно движущихся объектов. Как правило, в данных сетях, в связи с непрогнозируемой частотной обстановкой, отсутствует частотное планирование .Вместо него используют автоматичесую процедуру - адаптивное разделение каналов. Кроме того, в силу большего числа переключений подвижных абонентов в зоне обслуживания, для сетей данного типа  реализуют более скоростные механизмы хендовера (переключения между сотами), нежели централизованный механизм макросотовых сетей. Для густозаселенных районов вводятся пикосоты с радиусом 10..60 метров, что также увеличивает емкость сети.

США провозгласили свою концепцию "Услуги персональной связи" - PCS (Personal Communication Services). Ее целью был 50%-ный охват населения страны к 2000 г. Для реализации этой концепции Федеральная комиссия связи США выделила три частотных участка в диапазоне 1,9-2,0 ГГц (широкополосные PCS) и один участок в диапазоне 900 МГц (узкополосные PCS). Примером одной из реализаций широкополосного PCS является стандарт PCS-1900 (GSM-1900).

В соответствии с данной концепцией в США все сотовые системы , работающие на частоте 800 МГц , принято называть "cellular", а на частотах диапазона 1890-1930 и 1950-1990 МГц - "PCS", что иногда приводит к разночтениям (отнесение стандартов NMT, AMPS/D-AMPS ,GSM-900 к PCS уже считается устаревшим в связи с его новым смысловым наполнением). Кроме того, PCS определяет в основном лишь диапазон, предусматривая выбор используемого стандарта - GSM или CDMA - на конкурентной основе. Таким образом, имея одно общее технологическое название PCS, сети могут быть не совместимы между собой.

2.2. Методы доступа

На сегодняшний момент все стандарты сотовой связи можно разделить на две общие категории: аналоговые и цифровые. При этом в них, как правило, используются три основных метода многостанционного доступа : МДЧР (FDMA), МДВР (TDMA) и МДКР (CDMA).

1) МДЧР ( Многостанционный доступ с частотным разделением , Frequency Division Multiple Access)

Данная технология многостанционного доступа изначально использовалась в аналоговых системах сотовой связи благодаря доступности и простоте реализации . Из всего доступного диапазона каждому абоненту выделяется своя полоса частот , которую он может использовать 100% времени. Таким образом, абонентские каналы в системе разнесены по частоте , подобно радиостанциям в эфире. Главное преимущество подобного метода - полное использование абонентом выделенной полосы пропускания . Недостаток же очевиден - низкая эффективность использования частотного и энергетического ресурса в расчете на одного абонента. Кроме того необходимо заметить, что как правило, аналоговым стандартам сопутствует низкая защищенность от помех, отсутствие эффективных методов борьбы с замираниями сигналов под влиянием окружающего ландшафта , зданий или вследствие передвижения абонентов, а также от прослушивания абонентских каналов в эфире (чаще полное ее отсутствие). Отсюда вытекают: относительно высокое необходимое соотношение сигнал/шум - до 15 дБ (против 9 в GSM и даже 3 ~ 5 в CDMA ), что обуславливает использование большой мощности передатчика, и возможность приема любого радиотелефонного канала системы на доработанный УКВ-ЧМ приемник . Набор дополнительных услуг в аналоговых сетях по сравнению с цифровыми также весьма невелик. Одними из множества аналоговых стандартов , использующих FDMA, являются NMT и AMPS.

На рисунке представлен пример распределения выделенного частотного диапазона между 4-я абонентами. Каждому из абонентов предоставлена полоса шириною в 30 кГц.

2) МДВР ( Многостанционный доступ с временным разделением, Time Division Multiple Access)

В чистом виде метод TDMA подразумевает использование для работы всех корреспондентов одного частотного диапазона. При этом каждому из корреспондентов предоставляется свое временное окно, в течении которого он может осуществлять передачу. Таким образом , выплывает одно из основных отличий от FDMA - необходимость синхронизации . В целя х повышения эффективности, в системах сотовой связи используют узкополосный TDMA (NB TDMA или MC/TDMA) - совмещенные FDMA и TDMA. При этом выделенный частотный диапазон так же, как и в FDMA , разделяется несущими на отдельные полосы. А уже в пределах каждой частотной полосы осуществляется временное разделение абонентов. Как правило , данный метод применяется в цифровых системах (GSM, D-AMPS). На рисунке: пример разделения выделенного диапазона на 4 поднесущих , с предоставлением связи максимум 4 абонентам одновременно в пределах каждой полосы. Таким образом , используя метод узкополосного TDMA, в том же частотном диапазоне может работать в 4 раза больше абонентов, чем в FDMA. И поэтому емкость сетей, использующих TDMA , в среднем в 3-6 раз больше , по сравнению с FDMA.

К недостатками TDMA можно отнести чувствительность к срыву синхронизации . В аналоговых стандартах , не имеющих синхронизации, радиус соты на практике составляет 35-40 км, при этом его можно увеличить до 60 или даже 80 км ( в теории) в соответствии с принципом радиосвязи - "громче крикнешь-дальше слышно", т.е. увеличением выходной мощности передатчика. В цифровых же стандартах, по крайней мере реализованных на технологии TDMA, системы компенсации абсолютного времени задержки способны работать в интервале до 250 мкс, что соответствует максимальному радиусу соты 35 км.

3) МДКР (Многостанционный доступ с кодовым разделением, Code Division Multiple Access) , CDMA

(Mobile Station - Base Station Compatibility Standart for Dual-Mode Wideband Spread Spectrum Cellular System)

Теория этого метода была разработанна еще в 1935 году, однако практическое воплощение он получил значительно позже FDMA и TDMA. При его реализациии всеми абонентами постоянно используется вся доступная ширина диапазона , выделенного для связи системе. Основой данной технологии, как правило, является ортогональное разделение каналов траффика посредством т.н. функций Уолша. Всего их определено 64. Таким образом, теоретически одна базовая станция позволяет организовать работу 64 абонентов. Однако в силу воздействия помех а также необходимости обеспечения "soft handover"- "мягкого" переключения между сотами (в общем-являющимся одним из достоинств метода CDMA), на практике используют до 45- для фиксированной, и до 25 - для подвижной связи . Системы связи, использующие CDMA, также как и TDMA, нуждаются в синхронизации. Однако здесь в качестве синхронизирующего звена выступает Глобальная Система Позиционирования (GPS). Это является одним из фактором, препятствующему активному проникновению на российский рынок данного метода, так как с политической точки зрения использование GPS затрагивает интересы национальной безопасности. Достоинством систем связи, построенных на принципе CDMA, является отсутствие частоного планирования, необходимого для эффективной работы при исрользовании других методов.Кроме того, низкое соотношение сигнал/шум (в идеале 3-5 дБ) и сам принцип реализации CDMA (использование шумоподобных сигналов) позволяет использовать передатчики с мощностью излучения на 2-3 порядка ниже других стандартов, составляя при этом всего 10 мВт и ниже .В отличии от TDMA, зона обслуживания систем на базе CDMA зависит лишь от мощности абонентской станции. Емкость сети на базе данной технологии в среднем в 5 раз больше , чем TDMA, и более чем в 10 раз - FDMA. При этом для ее построения необходимо приблизительно на 40% меньшее количество базовых станций , чем для сети с тем же покрытием, но на базе технологии TDMA.

Реализация метода CDMA заключается в значительном расширении базы первичного сигнала (голос абонента). Это осуществляется либо посредством ППРЧ (псевдо-случайной перестройкой радиочастоты , FH - frequency hopping), либо методом "Прямой последовательности " (DS- Direct Sequence). В первом случае закон ППРЧ является индивидуальным кодом абонентского канала. При этом перестройка частот приемника и передатчика должна быть синхронной. Данный метод получил название FH-CDMA или FHSS. Во втором случае информационный сигнал модулирует широкополосный сигнал (ШПС) псевдослучайного типа. Он также , как и в первом случае, является кодом для каждого из абонентов. Общее количество кодов - около 4 млрд. Системы данного типа называются DS-CDMA или DSSS .

При передаче, как уже говорилось, происходит расширение базы информационного сигнала, он как бы "размазывается" по всему рабочему диапазону. В отличии от узкополосного TDMA, кодовое разделение учитывает не только частотное и временное разделение, но и разделение по мгновенной мощности сигнала. Так , мгновенные частота , время и мощность выступают в качестве составных элементов кода.

На приеме же у абонента при помощи кода осуществляется "свертка" сигнала во всем диапазоне, при этом сигналы остальных корреспондентов остаются "развернутыми" и для приемника представляют собой идеальный вид помехи - белый гауссовский шум (БГШ).

Проиллюстрировать данную технологию можно при помощи комнаты , в которой находятся несколько пар людей, говорящих на разных языках. Они общаются только друг с другом и не интересуются другими. Если каждая пара знает только один я зык и его использует, а все языки различны, тогда воздух комнаты может быть "несущей" для их голосов. Аналогия заключается в том, что воздух в комнате является широкополосным каналом, а языки распределяются в виде кодов. Таким образом те, например, кто говорит на испанском , ничего другого , кроме испанского языка слышать и понимать не будет. Увеличивать количество пар можно до тех пор, пока общий фон не ограничит возможность общения. Регулируя мощность сигналов всех абонентов , которая не должна превышать определенное значение, можно обеспечить связью большое количество людей с сохранением высокого качества речи. Максимальное количество пользователей, или каналов траффика зависит от интенсивности использования каждого канала , и поэтому не является определенным. Это отражается в концепции "мягкой перегрузки" (soft overload), согласно которой дополнительный абонент может получить доступ за счет некоторого возрастания помех для других абонентов. В итоге, при реализации стандарта CDMA при разработке сети необходимо к минимуму свести общий уровень помех, так как вместе с помехами, которые создают другие абоненты и базовые станции, они являются фактором, определяющим верхний порог пропускной способности .

Сети сотовой связи, построенные на принципе CDMA, имеют дополнительные услуги , традиционные для цифровых стандартов, реализованных на TDMA.

2.3. Характеристики основных цифровых и аналоговых стандартов ССПС

2.3.1. Аналоговые (FDMA, 1-е поколение)

( I )

(II)

2.3.2 Цифровые ( 2-е поколение )  

2.3.3 Сравнение систем разных поколений

2.4. Характеристики стандартов бесшнуровых телефонов

2.5 Распространение радиоволн диапазона ССПС .

Как известно, радиоволнам свойственно явление дифракции - огибание препятствий, соизмеримых с длиной волны. Например, для диапазона 800 МГц размеры огибаемого препятствия не должны превышать 0.5-1 м. В противном случае данное препятствие станет причиной теневой зоны. Они создаются зданиями или естественными возвышенностями на местности. Исследования условий применения подвижной радиосвязи в городах показали, что даже на очень близких расстояниях теневые зоны дают затухание до 20дБ. Другой важной причиной затухания является листва деревьев. Например, на частоте 836 МГц в летнее время, когда деревья покрыты листвой, уровень принимаемого сигнала оказывается приблизительно на 10дБ ниже, чем в том же месте зимой, при отсутствии листьев. Замирания сигналов от теневых зон иногда называют медленными с точки зрения условий их приема в движении при пересечении такой зоны.

Важное явление, которое приходится учитывать при создании сотовых систем подвижной радиосвязи - отражение радиоволн, и, как следствие, их многолучевое распространение. С одной стороны, это явление полезно, так как оно позволяет радиоволнам огибать препятствия и распространяться за зданиями, в подземных гаражах и тоннелях. Но с другой стороны, многолучевое распространение порождает такие трудные для радиосвязи проблемы, как растягивание задержки сигнала, релеевские замирания и усугубление эффекта Доплера.

Растягивание задержки сигнала получается из-за того, что сигнал, проходящий по нескольким независимым путям разной протяженности, принимается несколько раз. Поэтому повторяющийся импульс может выйти за пределы отведенного для него интервала времени и исказить следующий символ. Искажения, возникающие за счет растянутой задержки, называются межсимвольной интерференцией. При небольших расстояниях растянутая задержка не опасна, но если соту окружают горы, задержка может растянуться на многие микросекунды (иногда 50-100 мкс).

Релеевские замирания вызываются случайными фазами, с которыми поступают отраженные сигналы. Если, например, прямой и отраженный сигналы принимаются и противофазе (со сдвигом фазы на 180°), то суммарный сигнал может быть ослаблен почти до нуля. Релеевские замирания для данного передатчика и заданной частоты представляют собой нечто вроде амплитудных "провалов", имеющих разную глубину и распределенных случайным образом. В этом случае при стационарном приемнике избежать замираний можно просто переставив антенну. При движении же транспортного средства такие "провалы" проходятся ежесекундно тысячами, отчего происходящие при этом замирания называются быстрыми.

Эффект Доплера проявляется при движении приемника относительно передатчика и состоит в изменении частоты принимаемого колебания. Подобно тому, как тон шума движущегося поезда или автомобиля кажется неподвижному наблюдателю несколько выше при приближении транспортного средства и несколько ниже при его удалении, частота радиопередачи смещается при движении приемопередатчика. Более того, при многолучевом распространении сигнала отдельные лучи могут давать смещение частоты в ту или другую сторону одновременно. В результате, за счет эффекта Доплера получается случайная частотная модуляция передаваемого сигнала подобно тому, как за счет релеевских замираний происходит случайная амплитудная модуляция. Таким образом, в целом многолучевое распространение создает большие трудности в организации сотовой связи, в особенности для подвижных абонентов, что связано с медленными и быстрыми замираниями амплитуды сигнала в движущемся приемнике. Преодолеть эти трудности удалось с помощью цифровой техники, которая позволила создать новые методы кодирования, модуляции и выравнивания характеристик

2.5 Аккумуляторные батареи

Встречающиеся сегодня на рынке батареи можно разделить в зависимости от их "наполнителя" на четыре основных вида:

• Ni-Cd никель-кадмиевые
• Ni-MH никель-металл-гидридные
• Li-Ion литиево-ионные
• Li-Pol литиево-полимерные
• SLA

Никель-кадмиевые аккумуляторы - аккумуляторы с наиболее отработанной технологией, имеют более высокую энергетическую плотность и способны выдавать ток большой величины. Менее всех остальных критичны к ошибкам пользователей при эксплуатации. Допускают восстановление своей емкости, но на специальной аппаратуре и по специальному алгоритму. Наиболее долговечные (несколько лет) при правильной эксплуатации и своевременном обслуживании, число циклов заряда / разряда может достигать 1000 и более. Но имеют большой саморазряд (до 10 % в течение первых 24-х часов) и подвержены эффекту памяти (снижение емкости при перезаряде), который устраняется периодическими циклами глубокого разряда (примерно 1 раз в месяц). Talk-time обычно не превышает 100 мин., Standby около 50ч. Перед зарядом рекомендуется полный разряд. Должны храниться в разряженном состоянии. Экологически вредны при неправильной утилизации. В настоящее время новые сотовые телефоны никель-кадмиевыми аккумуляторами практически не комплектуются.

Никель-металл-гидридные аккумуляторы - разработаны для замены никель-кадмиевых аккумуляторов. Они имеют примерно на 30 % большую емкость при тех же самых габаритах, но меньший срок службы - от 300 до 500 циклов заряда / разряда. Саморазряд примерно в 1.5 - 2 раза выше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов. Менее подвержены эффекту памяти и циклы глубокого разряда требуются реже. Большой диапазон емкостей. В зависимости от нее: Talk-time 2-5ч., Standby 100-300ч. Перед зарядом рекомендуется полный разряд. Храниться должны в разряженном состоянии. Экологически безопасны.

Литий-ионные аккумуляторы - наиболее перспективные аккумуляторы для сотовых телефонов. При тех же самых размерах они имеют примерно на 70 % большую емкость по сравнению с никель-кадмиевыми аккумуляторами. Talk-time до 10ч., Standby до 300ч. Саморазряд минимальный. Не требуют обслуживания в процессе эксплуатации и позволяют проводить заряд при любой степени разряда аккумулятора. Число циклов заряда / разряда от 500 до 1000. Но подвержены процессу старения, даже если и не используются. Ухудшение параметров наблюдается примерно после одного года с момента изготовления, а по истечении двух лет часто становятся неисправными. Предназначены для интенсивного использования. Должны храниться в заряженном состоянии. При длительном хранении в глубоко разряженном состоянии выходят из строя.

Литиево-полимерные аккумуляторы - новейшая технология аккумуляторов. Главная их задача - еще более облегчить неминиатюрные аппараты до веса менее 100г. Поставляются, как правило, в качестве дополнительных батарей.

Сводная таблица . Максимальное количество циклов заряд/разряд.

2.51.Общие правила обращения с аккумуляторами

1. Для увеличения срока службы новые никель-кадмиевые (Ni-Cd) и никель-металл гидридные (Ni-MH) аккумуляторы поставляются в разряженном состоянии, поэтому необходимо провести полный заряд аккумулятора перед его использованием. Аккумулятор достигнет максимальной емкости заряда через 2-3 цикла полного разряда / заряда.
2. Для увеличения срока службы и электрической емкости Ni-Cd или Ni-MH аккумулятора рекомендуется полностью его разрядить (в телефоне или зарядном устройстве), перед последующим зарядом. Заведите за правило оставлять телефон включенным до тех пор, пока он сам не отключиться из-за разряда аккумулятора. После этого произведите полный заряд аккумулятора. Не пытайтесь разряжать аккумулятор другими способами.
3. Если у Вас по той или иной причине нет возможности полностью разрядить Ni-Cd или Ni-MH аккумулятор перед зарядом, то сделайте это позднее. Рекомендуется хотя бы 2 раза в неделю производить циклы полной разрядки - зарядки, например в выходные дни.
4. Всегда носите с собой запасной аккумулятор. Это позволит Вам постоянно доводить аккумулятор, находящийся в телефоне, до полного разряда и тем самым увеличить срок его эксплуатации.
5. Время заряда зависит от типа аккумулятора и типа зарядного устройства (обратитесь за более подробными сведениями к руководству по эксплуатации своего телефона). Время заряда также зависит от температуры окружающего воздуха, оптимальная температура от 15° С до 25° С градусов. Никогда не заряжайте теплый или холодный аккумулятор. Сделайте выдержку времени для достижения аккумулятором комнатной температуры.
6. Время работы с заряженным аккумулятором зависит от многих факторов: насколько правильно вы соблюдаете правила обращения с ним, от интенсивности Ваших разговоров по телефону, от расстояния, на котором Вы находитесь от базовой станции, от температуры окружающей среды.
7. Используйте аккумулятор только для питания Вашего телефона, но не для каких-либо других целей.
8. Никогда не используйте других зарядных устройств, кроме как из комплекта поставки Вашего телефона, или купленных у Вашего Оператора сотовой связи.
9. Для увеличения срока службы и электрической емкости аккумулятора не оставляйте его в холодных или теплых местах, например в автомобилях - летом и зимой, около радиаторов отопления. Всегда старайтесь хранить аккумулятор при температуре от 15° С до 25° С градусов (предельное значение температуры, как правило, от -10° С до 45° С). Телефон с холодным аккумулятором временно может не работать, даже, если он полностью заряжен.
10. Не допускайте соприкосновения и замыкания электрических контактов аккумулятора с металлическими предметами. Это огнеопасно и приведет к его повреждению. Храните аккумулятор в защитной упаковке.
11. Для надежной работы контакты аккумулятора и соответствующие контакты в телефоне должны бать чистыми и не иметь следов окисления. При необходимости удалите следы окисления ластиком и протрите спиртом.
12. Не бросайте использованный аккумулятор в огонь - он может взорваться.