Раздел 1. Обзор абонентского оборудования мобильных средств связи и беспроводного доступа
Требования к знаниям
Студент должен
иметь представление:
· о распределении частотного ресурса между оборудованием мобильной связи, выделении полос частот и назначении полос частот;
· о необходимости введения ограничений на мощность передатчиков, высот установки антенн и координат базовых станций.
Знать:
· цели и задачи дисциплины;
· взаимосвязь абонентского и сетевого оборудования, роль абонентского оборудования в инфраструктуре мобильной связи;
· поколения абонентского оборудования, прошедшие и текущие изменения степени интеграции элементной базы, изменения весогабаритных характеристик, принципов конструирования и технологии изготовления;
· методы доступа к каналам связи, методы множественного доступа и организации дуплекса. ???
Содержание учебного материала
Разделение разработчиков, производителей и поставщиков сетевого и абонентского оборудования сложилось исторически по ряду причин технического и экономического характера. Схемотехника сетевого и абонентского оборудования в системе связи имеет одинаковую идеологию. Их отличие связано с различными мощностью передатчиков и чувствительностью приёмников, выполняемыми функциями. Сетевое и абонентское оборудование современных систем имеет интерфейсы, увязанные с требованиями эталонной модели ВОС (OSI).
Основой абонентского оборудования всех систем связи являются носимые, возимые (автомобильные или в специальной передвижной технике) и стационарные симплексные и дуплексные приёмопередатчики. Появление компьютерной техники кроме фиксированного доступа потребовало разработки мобильных технологий и, как результат этого требования, появились мобильные абонентские терминалы для передачи данных. Сегодня большинство оборудования имеет интерфейсы для передачи речевого трафика и данных в различных режимах – коммутации каналов и пакетов, с переходом в дальнейшем на полностью пакетную технологию.
Существенные отличия имеет специализированное профессиональное оборудование и оборудование общего пользования. Если в профессиональном оборудовании на первое место выходит его направленная функциональность, то в коммерческом оборудовании абонентские терминалы могут содержать дополнительные устройства. Они имеют сложное построение меню, изысканный дизайн.
Международный союз электросвязи принимает меры по ограничению стандартов систем связи. Можно вспомнить историю принятия комплекса стандартов третьего поколения IMT-2000, закончившуюся утверждением в стандартах 5 радиоинтерфейсов. Понятно, что создать абонентский терминал, поддерживающий все типы интерфейсов проблематично. А со временем количество технологий будет возрастать. Это вызывает задачу создания единого абонентского терминала, который бы мог работать с многочисленными радиоинтерфейсами. И это будет уже совсем другое оборудование, не сравнимое с существующими ещё сегодня симплексными аналоговыми малоканальными конвенциальными радиостанциями и многоканальным дуплексным оборудованием.
Первоначально системы мобильной радиосвязи создавались для нужд государственных и коммерческих структур и носили ведомственный характер. За рубежом такие системы классифицировались как системы профессиональной мобильной радиосвязи – PMR (Professional Mobile Radio). Как правило такие системы имеют радиальную (с одной базовой станцией) или радиально – зоновую структуру сети. Системы PMR, обеспечивающие выход абонентам на ТФОП, называют PARM (Public Access Mobile Radio).
PMR и PARM могут использовать как симплексные, так и дуплексные частотные каналы. Развитие этого класса оборудования связано с переходом от аналоговых систем с частотным разделением каналов FDMA к цифровым система с временным разделением. TDMA.
В конвенциальных системах используется в основном симплексная связь с фиксированным закреплением каналов, в транкинговых системах дуплексные каналы с множественным доступом.
Между абонентским оборудованием профессиональной связи и оборудованием радиотелефонной сотовой связи общего пользования имеются коренные отличия по назначению и условиям эксплуатации. Отсюда вытекает и отличие перечня предоставляемых услуг и конструктивное исполнение оборудования. Абоненту транкинговой связи предоставляется большее количество услуг, нежели абоненту сотовой сети. Профессиональное оборудование в большинстве соответствует требованиям военных стандартов, определяющих повышенные требования к условиям эксплуатации – климатическим, механическим и др. (Российское оборудование - ГОСТам, импортное - стандарту MIL-810).
Промежуточную нишу занимает оборудование, работающее в профессиональном диапазоне частот, требующее обязательного частотного согласования с ГКРЧ, но не предназначенное для жёстких условий эксплуатации, так называемое «коммерческое» оборудование.
Абонентское оборудование радиодоступа также может изготавливаться по различным требования, например «домашние» системы DECT или DECT микросотовых систем и DECT-WLL.
Распределение мирового частотного ресурса осуществляется Международным союзом по электросвязи на Всемирных Административных Радиоконференциях. Это распределение зафиксировано в Регламенте радиосвязи. Наличие единого международного документа по распределению частот облегчает взаимодействие при создании глобальных сетей связи, например сотовых, спутниковых, широкополосных систем передачи данных. В России выделение полос радиочастот для радиоэлектронных средств всех назначений и высокочастотных устройств осуществляется Государственным комитетам по радиочастотам (ГКРЧ), Минобороны России и ФСО России в пределах их компетенции по результатам рассмотрения заявлений о выделении полос радиочастот для радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств, представленных юридическими и физическими лицами. Распределение радиочастотного спектра осуществляется в соответствии с «Таблицей распределения полос частот между радиослужбами Российской Федерации в диапазоне частот от 3 кГц до 400 ГГц», утверждённой Решением ГКРЧ России от 08 апреля 1996г. и изменённой Постановлением Правительства от 15 июля 2006 г. N 439-23. Многие полосы частот переведены из категории "Правительственного назначения ПН" в категорию "Совместного назначения СН", включающего категории ПН и «Гражданского назначения ГН». Одновременно принят План перспективного использования РЧС (Постановление Правительства РФ от 15 июня 2006 г. № 376-19).
Для большинства систем мобильной связи, работающих в диапазоне УКВ до 2,4 ГГц выделение полос частот на новые изделия и распределение выделенных полос между пользователями, является крайне важным моментом проектирования и эксплуатации систем связи. Здесь необходимо рассмотреть следующие причины. Степень поглощения радиоволн в атмосфере (дБ/км) увеличивается с частотой, что требует различного значения мощности передающего устройства для обеспечения одинаковой зоны связи на различных частотах. Абонентские терминалы имеют в большинстве случаев автономные источники питания и их экономное использование, которое напрямую зависит от излучаемой мощности – важная эксплуатационно – техническая характеристика оборудования.
Воздействие электромагнитного поля на организм человека требует ограничения количественных показателей облучения. Законодательно негативное воздействие мобильного терминала на здоровье человека закреплено в санитарно - эпидемиологических правилах и нормативах "Гигиенических требованиях к размещению и эксплуатации средств сухопутной подвижной радиосвязи" СанПиН 2.1.8/2.2.4.1190-03. Указанные нормы действуют на всей территории РФ и устанавливают требования к размещению и эксплуатации средств мобильной радиосвязи (включая сотовые) в диапазоне радиочастот 27 — 2400 МГц. Количественная оценка облучения в диапазоне частот:
- 60 – 300 МГц проверяется путём измерения напряжённости электрической Епд (В/м) и магнитной Нпд (А/м) составляющих;
- в диапазоне частот 300 МГц – 300 ГГц проверяется путём измерения плотности потока энергии электромагнитного поля с учётом времени пребывания человека в зоне облучения ЭНЕп (В/м) 
×ч, ЭННп (А/м) ×ч.
Максимальные значения Епд, Нпд, ЭНЕп , ЭННп определены ГОСТ 50829 – 95.
В тех случаях, когда плотность потока радиоизлучений превышает предельно – допустимые нормы, аппаратура не может быть сертифицирована и допущена в производство и продажу.
И, наконец, требуется ограничивать мощность различного радиооборудования с точки зрения его электромагнитной совместимости.
Примеры принятых ограничений:
1. Мощность передатчиков автомобильных и носимых станций СиБи связи диапазона 27 МГц не превышает 4Вт.
2. Мощность передатчиков профессионального оборудования в диапазоне VHF – не более 5 Вт, в диапазоне UHF – не более 4 Вт.
3. Максимальная мощность передатчиков носимых сотовых телефонов стандарта GSM – 2 Вт в диапазоне 900МГц и 1Вт в диапазоне 1800МГц.
4. Мощность передатчиков Bluetooth составляет 1 – 3 мВт.
Установленных нормативными документами и принятых при разработке абонентского оборудования величин мощности передатчиков достаточно для обеспечения связи в диапазоне УКВ, в пределах технических условий (спецификаций) на системы связи.
Информация, о распределении полос частот приведена в литературе Д3 стр.70,73,182,196.
Дефицит частотного ресурса требует разработки эффективных способов его использования. Пропускная способность канала в бит/с согласно закону Хартли равна удвоенной полосе частот в Гц и зависит от числа уровней кодирования. Обоснование выбора методов модуляции в аналоговом и цифровом мобильном оборудовании изложено в теме 2.6 раздела 2.
Одни из главных характеристик абонентского оборудования – массо - габаритные характеристики и стоимость производства. Эти показатели определяются элементной базой и современными технологиями сборки и монтажа. Основные тенденции развития электронной промышленности – наращивание объёмов выпуска и увеличение номенклатуры продукции при снижении издержек производства. С этой целью предусматривается переход серийного производства полупроводниковых приборов с пластин диаметром 300 мм на пластины 450 мм в 2012 – 2014 годах и 90, 65, 32-нм технологию.
Состояние элементной базы для оборудования связи принято отражать в поколениях.
Каждое поколение техники радиосвязи характеризуется ростом функциональных возможностей, для реализации которых требуется более совершенная вычислительная техника, изделия электронной техники с требуемой степенью интеграции, новые методы конструирования и технологии производства.
Классификация систем связи по поколениям в соответствии с функциональными, конструктивными и технологическими признаками приведена в таблице 1.1 [МС№1/2007 В.И. Борисов «Отечественные мобильные системы и средства радиосвязи].
При создании систем 5 и 6 поколений потребовалось применение импортной элементной базы.
В профессиональной связи используется в основном оборудование импортных производителей, т.к. производимые образцы Российской техники уступают по функциональным характеристикам, качеству, стоимости. Однако за последние годы созданы профессиональные средства радиосвязи отечественных производителей, приблизившихся к мировым стандартам.
Это «Концерн Созвездие», ФПГ «Уральские заводы», "Концерн Гранит»
Обзор и классификация абонентского оборудования выполняется по разделам, приведенным в тематическом плане.
Заключение
1. Стоимость абонентского оборудования в системе связи определяет основную долю затрат на создание системы связи.
2. Основу оборудования профессиональной связи составляют транкинговые аналоговые и цифровые системы связи.
3. Профессиональное оборудование должно обладать высокой надёжностью при работе в жёстких условиях эксплуатации, быть предельно простым в использовании. Оборудование общего пользования может быть многофункциональным и предназначено для работы в нормальных эксплуатационных условиях. Большую роль при создании абонентского оборудования играют массо – габаритные характеристики.
4. На дальность связи накладываются ограничения по мощности передатчиков абонентских терминалов.
5. Технические и эксплуатационные характеристики абонентского оборудования в большой степени зависят от развития производства элементной базы.
6. В оборудовании PMR и PARM применяются методы множественного доступа FDMA и TDMA. В оборудовании сотовой, спутниковой связи, широкополосного доступа методы TDMA и CDMA.
Вопросы самоконтроля
1. Назовите причины, по которым ограничивается мощность передатчиков абонентских терминалов.
2. Как распределяется частотный ресурс?
3. 0
4. Приведите классификацию поколений мобильной связи.
5. Сравните состояние развития оборудования профессиональной транкинговой связи и сотовой связи в России. Постарайтесь привести обоснование имеющейся ситуации.
6. Сделайте прогнозы по развитию абонентского оборудования мобильной связи на период до 2015 года.
7. Какие программы перспективного развития систем мобильной связи Вам известны?
,
| Поколения | 2-е 1960-1975 | 3-е 1975-1985 | 4-е 1985-1995 | 5-е 1995-2005 | 6-е 2005-2015 |
| Уровень автоматизации управления в аппаратуре | Ручное управление | Автоматизиро-ванное ванное управление (беспоисковая, беспод бесподстроеч- ная связь при большом количестве каналов) | Автоматизированное управление с адаптацией к внешним воздействиям: адаптация по пространству, частоте и скорости, ППРЧ и ШПС | Гибкопрограммируемые многофункциональные системы с адаптацией к внешним воздействиям | Программно определяемые радиосредства. Мультимедийный интерфейс управления с контекстно-зависимыми подсказками. Автоматическая многопараметрическая адаптация. |
| Уровень автоматизации управления в системах | — | — | Элементы автоматизации | Автоматизированные системы управления | Экспертные системы, системы поддержки принятия решений. Автоматизированные генераторы систем радиосвязи. Автоматические мультидиапазонные системы связи. |
| Средства вычислительной техники | — | — | Микропроцесоры 587, 580, 568 ОЗУ 537РУВ, ПЗУ - 556РТ7 | Intel-486SLC, ОЗУ-512 кбайт, ПЗУ-1 Мбайт. Сигнальные процессоры до 60 МIРS | Внешние мобильные мультимедийные терминалы на основе Intel Соге 2 Duо (Меrom). ОЗУ 1Гбайт, ПЗУ- 16 Гбайт. Сети сигнальных процессоров со скоростями от 8 GIPS на узел. |
| Степень интеграции изделий электронной техники | 10° Электровакуумные приборы | 102 -103 интегральные схемы, полупроводниковые приборы. | 1040 БИС, полузаказные матричные ВИС | 105-106 БИС, ПЛИС, АЦП (20 МГц, 10 бит) ЦАП (20 МГц, 12 бит) ОЗУ (256 кб, 100 нс), ПЗУ (1 Мбит, 150 нс) | 107-108. Универсальные и специализированные БИС массового применения. АЦП (100 МГц, 16 бит) ЦАП (1 ГГц, 14 бит) ОЗУ (256 Мбит, 5 нc) ПЗУ (1 Гбит, 50 нc) |
| Изделия функциональной электроники | Электромеханические фильтры | Электромеханические и кварцевые фильтры | Электромеханические кварцевые фильтры, фильтры и линии задержки на ПАВ | Электромеханические фильтры, кварцевые фильтры, фильтры и пинии задержки на ПАВ | Цветные ЖКИ индикаторы с большим диапазоном температур, синхронизируемые кварцевые генераторы со сверхчистым спектром, водородные топливные элементы, ПА8 высоких уровней мощности. |
| Степень автоматизации процессов проектирования, производства, контроля | Проектирование ручное, производство ручное, контроль ручной. | Автоматизированное проектирование печатных плат, станки с ЧПУ, контроль ручкой. | Программирование в машинных кодах, полузаказные БИС, элементы автоматизированного контроля. | Системы проектирования (Cadence HPEEsof, Mentor Grafic), автоматизированный контроль, элементы автоматизации производства. | Замкнутые сквозные системы проектирования hardware компонентов с выходом на обрабатывающие центры. Системы проектирования, разработки и тестирования программной части изделий. Автоматический контроль. Переход к гибкому автоматизированному производству. |
Таблица 1.1
Литература к разделу 1.