Лекция 3. АБОНЕНТСКИЕ ТЕРМИНАЛЫ СИСТЕМ ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ

3.1.КЛАССИФИКАЦИЯ АБОНЕНТСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Абонентские терминалы (АТ) - называемые также абонентскими устройствами и терминалами пользователя являются неотъемлемой частью любой системы связи с подвижными объектами. Именно через посредство АТ осуществляется "вхождение" пользователя в Систему связи, реализуются услуги подвижной связи. Номенклатура этих услуг определяет возможные виды передаваемой информации (речь, данные, неподвижные изображения) и, следовательно, типы терминального оборудования АТ, осуществляющего преобразование информации в электрические сигналы.

Абонентское оборудование системы подвижной радиосвязи - оконечное оборудование, находящееся в собственности или в пользовании абонента и предназначенное для организации связи с помощью СПРС.

Абонентским оборудованием СПРС являются: радиотелефоны (абонентские устройства с электроакустическими преобразователями) и радиотерминалы (абонентские устройства без электроакустических преобразователей). Каждый комплект абонентского оборудования СПР характеризуется уникальным электронным номером.

Абонентское оборудование СПРС разделяется на стационарное и подвижное, которое в зависимости от конфигурации системы может быть мобильным или фиксированным.

Подвижное абонентское оборудование системы сотовой радиосвязи - (Mobile Station - MS) предназначено для функционирования как в стационарных условиях, так и во время движения.

Стационарное абонентское оборудование системы сотовой радиосвязи - (Stationary Station) предназначено для функционирования в стационарных условиях.

Фиксированное абонентское оборудование - (Fixed Station) предназначено для функционирования только в пределах зоны одного Центра коммутации и управления. Фиксированное абонентское оборудование не поддерживает процедуры роуминга.

Мобильное абонентское оборудование системы сотовой радиосвязи - (Mobile Station with Roaming Ability) предназначено для функционирования в пределах зон множества Центров коммутации и управления с помощью процедуры роуминга.

К абонентскому оборудованию систем подвижной радиосвязи относятся:

- Пейджер (pager)- приемник персонального радиовызова, который принимает только короткие текстовые сообщения, но ничего никуда не отправляет.

- Бесшнуровой телефон - комбинированное абонентское устройство, сочетающее в себе элементы обычного проводного телефонного аппарата и радиоэлектронного средства, заменяющего телефонный кабель между телефонной трубкой и базовым блоком телефонного аппарата.

- Со́товый (мобильный) телефо́н — сложное высокотехнологичное электронное устройство предназначенное для работы в сетях сотовой связи, структура которого зависит от тех услуг, которые оно предоставляют абонентам.

Спу́тниковый телефо́н — мобильный телефон, передающий информацию напрямую через специальный коммуникационный спутник. Носимая форма подвижного терминала приводит к серьезным последствиям при разработке всей системы спутниковой связи. Бюджет мощности носимого терминала чрезвычайно мал вследствие ограничения размера элемента питания. Один из критериев, определяющих коммерческий успех терминала - это время работы в режиме ожидания до полного разряда батареи. Излучаемую мощность мобильного устройства, размещаемого во время разговора вплотную к голове пользователя, приходится ограничивать, чтобы не нанести ущерба его здоровью.

Смартфон (Smartphone) - класс абонентского оборудования сотовой связи с расширенной функциональностью, сравнимой с функциями карманного персонального компьютера, за счет применения открытой операционной системы.

Коммуникатор (Communicator, PDA Phone) — карманный персональный компьютер дополненный функциональностью абонентского оборудования мобильной связи.

Карманный персональный компьютер - (Personal Digital Assistant - PDA) - портативный компьютер, обладающий широкими функциональными возможностями, в т.ч. и коммуникационными. В качестве операционной системы зачастую используется Symbian OS.

Беспроводный модем (радиомодем) - приемо-передающее устройство (радиотерминал), оборудованное SIM-картой, предназначенное для высокоскоростной передачи данных в сетях мобильной связи.

Электронный номер абонентского оборудования системы сотовой радиосвязи - (Cellular User Equipment Identity) - специализированный код, использующийся для уникальной идентификации абонентского оборудования. В системах сотовой связи семейства GSM используется международный электронный серийный номер IMEI (International Mobile Equipment Identity), в сотовых системах семейства CDMA - электронный серийный номер ESN (Electronic Serial Number).

3.2. АБОНЕНТСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ СИСТЕМ ПЕРСОНАЛЬНОГО РАДИОВЫЗОВА

Основу любого пейджера составляет радиоприемник, настроенный на частоту "радиостанцию" пейджинговой компании, в которой он обслуживается. Пейджеры в общем случае представляют собой миниатюрные УКВ-приемники, снабженные декодером, устройством обработки и хранения информации, устройством отображения информации и сигнализации (Рисунок 3.1).

Основу любого пейджера составляет радиоприемник, настроенный на частоту "радиостанцию" пейджинговой компании, в которой он обслуживается.

Рисунок 3.1- Структурная схема пейджера

Пейджеры подразделяются на тональные, цифровые и текстовые.

Тональные и «голосовые» пейджеры — самые простые, дешевые и малогабаритные (размером со спичечный коробок), извещают абонента о вызове вибрационным, звуковым или световым сигналом. При этом тип оповещательного сигнала может условно кодировать одно из пяти-шести заранее выбранных абонентом сообщений: позвонить в голосовой почтовый ящик, позвонить в офис, позвонить домой и т. п.

Цифровые пейджеры работают исключительно с цифровыми сигналами, имеют, как правило, дисплей и оперативную память. На ЖК-дисплей передается цифровое сообщение (номер телефона, по которому нужно позвонить; время некоторого заранее обусловленного события; курс акций и т.п.).

Текстовые, или буквенно-цифровые, пейджеры пользуются наибольшей популярностью. Их модели весьма разнообразны. Информация отображается на многострочном жидкокристаллическом индикаторе (ЖКИ). Память содержит более 18 000 знаков. Сообщения выводятся как на русском, так и на английском языках. В качестве дополнительных функций текстовые пейджеры имеют часы, будильник, систему регистрации даты и времени поступления сообщения, обеспечивают просмотр и селективный выбор сообщений. Текстовый пейджер может служить записной книжкой, ежедневником с системой таймеров, оповещающих о времени намеченной встречи или телефонного звонка.

В числе основных функций оконечного оборудования: радиопередача и радиоприем, управление радиоканалами, защита от ошибок в радиоканале, кодирование - декодирование речи, текущий контроль и распределение данных пользователя и вызовов, адаптация по скорости передачи между радиоканалом и данными, обеспечение параллельной работы нагрузок (терминалов), обеспечение непрерывной работы в процессе движения.

3.3. СОТОВЫЕ ТЕЛЕФОНЫ И ИХ ФУНКЦИИ

На рисунке 3.2 изображена упрощенная функциональная схема сотового радиотелефона. Приведенная комплектация АТ является минимально необходимой; она характерна для абонентских устройств всех известных цифровых СПРС - и наземных, и спутниковых. В состав терминала входят следующие основные блоки: блок управления, приемопередающий блок и антенный блок. Способ реализации этих блоков определяется типом СПРС.

На схеме приняты следующие сокращения: Тел - телефон (громкоговоритель); АЦП/ЦАП - аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи; Дек.Р - декодер речи; Дек.К - декодер канала; Ант - антенна; Ком. Пм/Пд - коммутатор прием/передача; Код.Р - кодер речи; Код.К - кодер канала; Мик - микрофон.

Рисунок 3.1 - Функциональная схема сотового радиотелефона

Антенный блок содержит собственно антенну и электронный коммутатор, подключающий антенну либо на выход передатчика, либо на вход приемника. Функционально несложен и блок управления, включающий микротелефонную трубку (микрофон + телефон), клавиатуру и дисплей. Микрофон и телефон выполняют соответственно функции акустоэлектрического и электроакустического преобразователей. Клавиатура (тестатура) служит для набора номера телефона вызываемого абонента, а также команд, определяющих режим работы АТ. Дисплей (как правило - жидкокристаллический) служит для отображения различной информации, предусматриваемой устройством и режимом работы АТ.

Приемопередающий блок - "сердце" абонентской станции - значительно сложнее. Дадим краткое упрощенное описание функций его основных компонентов:

· АЦП - преобразует в цифровую форму сигнал с выхода микрофона - в результате вся последующая обработка и передача сигнала речи производится в цифровой форме;

· кодер речи - осуществляет кодирование речевого сигнала - преобразование по определенным законам с целью сокращения его избыточности, т.е. с целью сокращения объема информации, передаваемой по каналу;

· кодер канала - добавляет в цифровой сигнал дополнительную (избыточную) информацию, предназначенную для защиты от ошибок при передаче сигнала по линии связи; а также вводит в состав передаваемого сигнала информацию управления от логического блока;

· модулятор - осуществляет перенос кодированного сигнала на несущую частоту;

· демодулятор - выполняет функцию, обратную функции модулятора, - выделяет из модулированного сигнала кодированную цифровую последовательность;

· декодер канала - выделяет из входного цифрового потока служебную и дополнительную информацию, используя последнюю для обнаружения и исправления (по возможности) ошибок, внесенных в цифровой сигнал в процессе его передачи по радиоканалу;

· декодер речи - восстанавливает цифровой речевой сигнал;

· ЦАП - преобразует принятый цифровой речевой сигнал в аналоговую форму.

В приемопередающий блок входят также синтезатор частоты и микропроцессорный логический блок, управляющий работой терминала (входные каскады приемника и выходные каскады передатчика на схеме не показаны). Синтезатор частот является источником высокостабильных колебаний; он позволяет получить высокостабильную сетку частот, необходимых для реализации дуплексного режима работы АТ в используемом диапазоне.

Логический блок сотового радиотелефона состоит из цифрового сигнального процессора, памяти, канального эквалайзера, канального кодера/декодера, SIM-карты, преобразователей АЦП и ЦАП, наборного поля и дисплея. Цифровой логический блок выполняет все функции, связанные с цифровой обработкой сигнала (демодуляция, кодирование / декодирование канала, сжатие и восстановление речевого сигнала) и обработкой информации, вводимой с наборного поля клавиатуры. Она выводит необходимую информацию на экран дисплея, производит обмен информацией с SIM-картой - специальным съемным модулем идентификации абонента, обеспечивающим аутентификацию абонента и шифрование данных.

Фактически в описанном терминале абонента совмещены все функции станций спутниковой связи (АЦП/ЦАП, модуляция, демодуляция, кодирование, декодирование, усиление мощности и т.п.). Разработка двухрежимного АТ - для наземной и спутниковой систем связи - представляет собой сложную технологическую задачу. В отличие от систем наземной персональной связи, в СПСС информационный обмен обеспечивается преимущественно только с открытого пространства. Возможность связи из зданий (при расположении антенн на подоконнике и т.п.) ограничена. Персональная спутниковая связь в городских условиях затруднена из-за затенения городскими застройками, а следовательно, работа возможна только при больших углах возвышения спутника.

Теоретически терминалы радиотелефонной связи СПСС (системы персональной спутниковой связи) обеспечивают практически те же виды услуг, что и в наземных сетях, но в глобальном масштабе. Аналогично, как и в наземных сетях, предполагается использование многорежимных терминалов, ориентированных на работу в сотовых сетях разных стандартов. Таким образом, наметилась тенденция к интеграции наземных систем и систем персональной спутниковой связи.

Функции сотовых телефонов

· Помимо основной своей функции, а именно телефонной связи, современные сотовые телефоны имеют множество дополнительных:

· Базовые: телефонный справочник, подключение гарнитуры, хранение данных, вибровызов, сменные мелодии звонков, часы будильник, календарь, калькулятор, игры и приложения и т.д.

· Деловые: органайзер, диктофон, конференц-связь, конвертер валют и др.

· Мультимедийные: радиоприемник, проигрыватель, цифровой фотоаппарат и т.д.

· Обмен сообщениями: SMS, MMS и пр.

· Обмен данными: через факс, через модем, через встроенный WAP-браузер, через встроенный или дополнительно устанавливаемый Веб-браузер, через средства для работы с электронной почтой, через дата-кабель, через Bluetooth, через WiFi.

· Прочие функции (фонарик, тюнер, видеокамера, компас)

Телефоны могут:

· иметь внешнюю, или встроенную (внутреннюю) антенну

· различаются по количеству дисплеев.

· обладать как обычным, так и сенсорным дисплеем.

· обладать как обычной, так и расширенной клавиатурой, могут и вообще не иметь клавиатуры.

· иметь как один, так и два (стерео) встроенных динамика

· работать как в одном типе сети (напр. GSM), так и в нескольких

· работать в одном диапазоне (напр. GSM 800 МГц), так и в нескольких.

3.4. МОДЕМЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Модемы (название происходит от слияния двух слов – модулятор и демодулятор) - это устройства, которые позволяют организовать связь между компьютерами, находящихся на удалении друг от друга.

Если компьютеры находятся рядом, то можно организовать связь между ними, используя последовательный, параллельный порт, USB, Blutooht.

При больших расстояниях сигнал ослабевает и требуются специальные устройства, которые могут преобразовать сигнал в вид, позволяющий передавать сигнал на большие расстояния. Для этого служит устройство, которое называется «модем».

Модулятор позволяет преобразовать цифровой сигнал в аналоговый, а демодулятор - сделать обратное преобразования, то есть перевести из аналогового в цифровую форму.

Модемы могут быть внутренними (вставляемые в слоты расширения), внешними, встроенными как у ноутбука или в виде карточки. В настоящее время используется стандарт ExpressCard с подключением к шинам USB и PCI Express.

В последнее время получили широкое распространение беспроводные модемы (называемые модуль или шлюз), использующие линии связи сотовых операторов (наибольшую известность получили USB – модемы).

3.4.1 Основные характеристики модемов:

- Модемы подразделяются на внутренние или внешние.

- Дополнительные возможности модемов:

· оцифровка голоса и перевод его в аналоговый сигнал для разговора при передаче данных;

· факс; автоматическое определение номера звонившего;

· автоответчик;

· электронный секретарь;

· прочие возможности, которые имеют телефонные аппараты.

Как правило, современный модем имеет следующие возможности телефона, которые мы и приведем. Это:

§ переговоры с несколькими абонентами;

§ временное отключение микрофона;

§ включение внешних громкоговорителей;

§ память для номеров абонентов;

§ повторный вызов абонента; автодозвон;

§ автоматическое определение номера;

§ запоминание звонивших номеров и времени звонка; определение второго звонка во время разговора;

§ защита от нежелательных звонков;

§ запись получаемых сообщений;

§ автоответчик; дистанционное управление;

§ на панели телефона могут быть кнопки с функциями: автоповтор, прослушивание оставленных сообщений, отключение телефона, выключение внешних динамиков и пр.;

§ на панели телефона могут быть индикаторы, определяющие режим работы, снятие трубки и пр.;

§ может быть дисплей с данными о входящих и исходящих звонках, времени разговора и пр.;

§ голосовой набор, пользователь голосом называет фамилию абонента, а модем соединяет с его номером;

§ быстрый набор, набор номера при помощи одной или двух клавиш;

§ автосекретарь, ответ на поступившие звонки при разговоре с другим абонентом;

§ сбор статистики о количестве поступивших звонков, их номерах, времени разговора в течение дня и пр.;

§ другие функции, например, дозвон по определенному номеру в определенное время дня, будильник и пр.

3.4.2. Цифровые модемы.

В настоящее время используется несколько форматов: ADSL, HDSL, IDSL, ISDN, HPNA, SHDSL, SDSL, VDSL, WiMAX и беспроводные модемы с использованием беспроводной связи (Wi-Fi).Они часто называются как хDSL (Digital Subscriber Line - цифровая абонентская линия).

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line — асимметричная цифровая абонентская линия) появилась в 1987 году и является один из самых первых и самый распространенный цифровой формат передачи данных. Позволяет отправлять данные от пользователя в сеть со скоростью от 16 до 640 кбит/сек (по стандартам 0.5, 0.8, 1.2, 1.3, 3.5 Мбит/сек, а получать данные со скоростью 1.5, 0.8, 5, 8, 12, 25 Мбит/сек). Так как обычно пользователь получает данные, а не посылает, то данное разделение скоростей не ощущается пользователем, кроме случаев видеосвязи. Поэтому со временем стали появляются другие виды форматов с использованием коаксиального кабеля (кабельное телевидение, скорость до 100 Мбит/сек) и разъема Ethernet (локальная сеть со скоростью до 1 Гигабита/сек). В ряде европейских стран стандарт ADSL стал стандартом, по которому каждый житель получал доступ в интернет.

Тем не менее, первые модемы не позволяли достаточно комфортно разговаривать по телефону, так как высокочастотная часть модема вносила посторонние шумы в телефонный разговор (и наоборот разговор вносил искажения в передачу данных). Чтобы этого избежать стали применять частотный фильтр (Splitter-частотный разделитель), который пропускал к телефону только низкие частоты.

HDSL (High Data rate digital Subscriber Line высокоскоростная цифровая абонентская линия) разработана в конце 80х годов. Она использует не одну, а две пары проводов и имеет скорость либо 1.5 Мбит/сек (американский стандарт) либо 2.0 Мбит/сек (европейский стандарт) и позволяет передавать сигнал до 7 километров.

IDSL (ISDN Digital Subscriber Line — цифровая абонентская линия IDSN) позволяет передавать данные со скоростью 144 Кбит/сек.

ISDN (Integrated Services Digital Network - цифровая сеть с интеграцией обслуживания) появилась в 1981 году и имеет скорость передачи данных в 64 Кбит/сек.

HPNA (Home Phoneline Networking Alliance – название объединённой ассоциации некоммерческих промышленых компаний) работает либо со стандартным телефонным, либо коаксильным кабелем.

SHDSL (Symmetric High-speed DSL – симметрическая высокоскоростная DSL) позволяет передавать данные по одной паре проводов со скоростью от 192 Кбит/сек до 2.3 Мбит/сек, а по двум парам в два раза больше на рсстояние до 6 км.

SDSL (Symmetric Digital Subscriber Line - симметричная цифровая абонентская линия) использует одну пару кабелей со скоростями от 128 до 2048 КБит/сек. Действует на расстояние от 3 до 6 км.

VDSL (Very-high data rate Digital Subscriber Line - сверхвысокоскоростная цифровая абонентская линия) имеет высокую скорость передачи данных от 13 до 56 Мбит/сек от сети к пользователю и 11 Мбит/сек в обратном направлении на рсстояние до 1.2-1.4 км.

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) представляет собой беспроводную связь в диапазоне волн от 3.5 до 5 ГГц по стандарту 802.16-2004 (или фиксированный WiMAX) и 2.3-2.5, 2.5-2.7, 3.4-3.8 ГГц по стандарту 802.16-2005 (или мобильный WiMAX). Имеет много сходных параметров с Wi-Fi, но отличается тем, что может передавать сигнал на большое расстояние и, кроме того, несколько дороже.

Bluetooth (перевод - синий зуб) разработана в 1998 году и используется для беспроводной связи с компьютером в свободном от лицензирования диапазоне 2.4 - 2.4835 ГГц. Он не имеет разъема и располагается внутри компьютера. Устройства могут находиться друг от друга на расстоянии до 200 метров в зависимости от препятствий между ними (стенами, мебелью и пр.).

Технология Bluetooth предназначена для беспроводной передачи данных между ноутбуками, мобильными телефонами и другими портативными устройствами. Bluetooth поддерживает беспроводное соединение обоих видов: как точка - точка, между двумя устройствами напрямую, так и точка - много точек, образуя локальные беспроводные сети. Кроме передачи данных через Bluetooth можно передавать до трех голосовых каналов.

Основные характеристики Bluetooth:

} Каждое устройство имеет свой индивидуальный 48-битный адрес, разработанный как стандарт IEEE 802.

} Скорость передачи данных может быть до 2 мегабита в секунду.

} Мощность передатчика Bluetooth не превышает 100 мВт

} Диапазон частот, используемый в Bluetooth, начинается с 2,4 ГГц и заканчивается 2,48 ГГц, что позволяет создавать до 79 каналов с шагом в 1 МГц

Wi-Fi используется для создания беспроводной сети. Разработан в 1991 году NCRCorporation и AT@T, сопровождается альянсом компаний Wi-Fi Aliance и соответствует стандарту IEEE 802.11. Используется для подключения к сети (локальной и интернет) компьютеров и сотовых телефонов.

Имеются следующие стандарты: 802.11а использует частоты в 5 Ггц, обеспечивая скорость (в теории) до 54 Мбит/сек.; 802.11b использует частоты в 2.4 Ггц, обеспечивая скорость (в теории) до 11 Мбит/сек. (практически не используется); 802.11g использует частоты в 2.4 Ггц, обеспечивая скорость до 54 Мбит/сек. (наиболее распространенный);802.11n использует частоты в 2.4 и в5 Ггц, обеспечивая скорость от 150 до 600 Мбит/сек. В данном стандарте увеличена дальность передачи данных, на связь меньше действуют преграды. Данный стандарт использует технологию MIMO (Multiple Input Multiple Output – множественный ввод, множественный вывод), которая позволяет использовать отраженные волны от стен. Если устройство имеет одну антенну, то может работать со скоростью 150 Мбит/сек, две антенны – 300 Мбит/сек, три – 450 – Мбит/сек, четыре (еще не выпускаются) – 600 Мбит/сек. Однако заявленная скорость передачи данных отличается от реальной. Так вместо 300 Мбит/сек получается около 100 -130Мбит/сек (так как половина передаваемой информации – служебные символы), что также достаточно для работы. А при наличии стен, скорость еще падает, например, для трех стен снизится до 50 Мбит/сек.

Существуют также кабельный модемы для подключения к кабельному телевизионному каналу.

Часто модем характеризуется протоколом, с которым он работает. Существуют протоколы модуляции сигнала, протоколы коррекции ошибок, сжатия данных и работы с факсимильной связью (факс). Модем имеет несколько протоколов по каждому из этих видов. К протоколам коррекции ошибок относятся V.42, MNP2-4, MNP10, сжатия данных – V42bis, MNP5.

3.4.3. Структурная схемы модема

Модемы содержат в себе: адаптер порта ввода-вывода для работы с телефонной линией; адаптер порта ввода-вывода для работы с компьютером; процессор, производящий модуляцию/демодуляцию сигнала и обеспечивающий протокол связи; память, где хранится программа управления микросхемами, поддерживаются параметры модема, и оперативная память; контроллер, управляющий сообщениями с компьютером и компонентами модема. Структурная схема модема приведена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Структурная схема модема

Модем состоит из адаптеров портов канального и DTE—DCE интерфейсов; универсального (PU), сигнального (DSP) и модемного процессоров; постоянного (ПЗУ, ROM), постоянного энергонезависимого перепрограммируемого (ППЗУ, ERPROM) оперативного (ОЗУ, RAM) запоминающих устройств и схемы индикаторов состояния модема.

Порт интерфейса DTE—DCE обеспечивает взаимодействие с DTE. Если модем внутренний, вместо интерфейсов DTE—DCE может применяться интерфейс внутренней шины компьютера ISA. Порт канального интерфейса обеспечивает согласование электрических параметров с используемым каналом связи. Канал может быть аналоговым или цифровым, с двух- или четырехпроводным окончанием.

Универсальный процессор выполняет функции управления взаимодействием с DTE и схемами индикации состояния модема. Именно он выполняет посылаемые DTE АТ-команды и управляет режимами работы остальных составных частей модема. Также универсальный процессор может реализовывать операции компрессии/декомпрессии передаваемых данных.