Методы, системы и стандарты Главное предназначение средств связи - обеспечение возможности удаленного общения между людьми. Если непосредственный контакт обеспечивается благодаря голосовым связкам, уху и звуковой волне, то для удаленного общения нужен некий посредник. Он должен обладать двумя свойствами: распространяться на большие расстояния и изменять свои характеристики сообразно исходному голосовому сигналу. Возможно, при открытии единого поля будет много претендентов на такое посредничество, но пока человек смог приспособить для этих целей только электромагнитную волну. Конкретный же носитель информации - электрический сигнал. Именно его свойства определяют количество передаваемой информации и разнообразие способов ее передачи. От теории к практике Основа сигнала - набор электромагнитных колебаний, каждое из которых имеет свою частоту. Набор этих частот составляет спектр сигнала. В принципе, спектр сигнала неограничен. На практике же исходят из того, что основная часть энергии сигнала сосредоточена в ограниченной полосе частот. Поэтому спектральные составляющие за границами этой полосы можно отбросить без ущерба для качества передачи. С другой стороны, радиочастотный ресурс эфира ограничен и регламентируется государственными органами. И, чтобы сигнал не выходил за рамки выделенной полосы, необходимо его каким-либо образом изменять. Мы живем в трехмерном мире и привыкли к трем измерениям - ширине, высоте и длине. Если провести аналогию для электромагнитного мира, то частота - это первое измерение. Второе измерение - это время, или длительность сигнала. И наконец, сигнал должен обладать некоторой начальной энергией, расходуемой на то, чтобы пройти через эфир на нужное расстояние и быть принятым. Энергия сигнала - это третье измерение. Произведение этих трех параметров дает очень удобную единицу оценки информационных возможностей сигнала - объем. Можно изменять любой из параметров, компенсируя увеличением или уменьшением оставшихся для сохранения прежнего объема сигнала. Сегодня существует некоторая неопределенность в использовании терминов и понятий в области связи. Профессионалы-связисты понимают о чем идет речь - о системе, стандарте или методе доступа - из контекста. Обычный же человек воспринимает название так, как оно звучит, и недоумевает, почему в одном случае FDMA, TDMA или CDMA - это идеология, в другом -обозначение стандарта, в третьем - система, а в четвертом - просто метод доступа к каналу. Давайте проясним ситуацию. В цифровых системах, передающих информацию в виде двоичных символов, спектр однозначно связан со скоростью передачи. При ограниченном времени сеанса, чтобы информационная насыщенность сигнала не изменилась, необходимо увеличить скорость передачи. При этом спектр сигнала расширяется, и для его передачи требуется более широкая полоса частот. Если ширина полосы для передачи сигнала, уже, чем его спектр, то сигнал сжимают - при одновременном увеличении времени передачи или энергии. Если же, например, приемное устройство имеет низкую чувствительность, или сигнал ослабляется так, что распознать его невозможно, то увеличивают его энергию, одновременно уменьшая длительность, либо сужая полосу (чтобы сохранить неизменным объем). Среда и канал Очень важный элемент системы передачи информации - среда. Какой бы замечательный сигнал мы ни создали, если параметры среды ему не соответствуют, передача оказывается либо невозможной, либо неадекватной. Электромагнитная волна способна распространяться как свободно через эфир, так и направленно - через провода и кабели. При этом необходимо решить две основные задачи. Во-первых, совместить в одной среде сигналы от различных источников, и затем разделить их в точке приема. Во-вторых, согласовать параметры сигнала с возможностями среды. В результате создается канал передачи: при свободном распространении - радиоканал, при направленном - проводной. Проблема разделения сигналов от разных источников решается за счет концентрации их энергии на определенной частоте или в конкретном временном интервале, либо распределения по всей частотно-временной области. Самый простой метод - частотное разделение - FDMА. В каждом сеансе за абонентом закрепляется узкая полоса частот. Этот метод манипулировал первым измерением - полосой частот - и широко использовался в сотовых системах 1-го поколения. Оборудование для систем разрабатывалось различными производителями в соответствии с аналоговыми стандартами TACS, AMPS, NMT и др. Второе измерение - время - легло в основу метода TDMА. Абонент получает в частотном канале временные окна, которые он может использовать для разговора или передачи данных. Сеанс связи абонента разбивается на множество небольших временных интервалов. TDMA был принят в качестве основного метода доступа в цифровых сотовых системах 2-го поколения стандартов GSM, ADC (DAMPS) и JDC. В стандарте GSM кроме временного разделения используется и частотное. В структуре TDMA-кадра содержится восемь временных окон на каждой из 124 несущих частот. Кроме того, в сеансе связи производится дополнительная манипуляция частотой, так называемый медленный перескок частоты. Каждую секунду осуществляется 217 переходов с одной частоты на другую. В микросотовых системах, построенных с использованием стандарта DECT, переход с частоты на частоту используется для увеличения количества частотно-временных радиоканалов, что резко увеличивает абонентскую емкость системы. В GSM этот прием используется для борьбы с замираниями сигналов из-за многолучевого распространения. Наконец, манипуляция третьим измерением, энергией, реализована в виде многостанционного доступа с кодовым разделением каналов - CDMA. Основная идея метода заключается в том, что в одной и той же полосе частот можно создать сигналы, которые не влияют друг на друга. Для их получения подбирается ансамбль сигналов, свободных в точке приема от взаимных влияний друг на друга. Исходный сигнал от абонента смешивается с одним из этого ансамбля. В итоге формируется и передается через канал широкополосный сигнал с распределенной энергией. Образно говоря, он помечается "кодом". На приеме он сравнивается с аналогичным сигналом из ансамбля и выделяется. В отличие от FDMA и TDMA, где энергия сигнала концентрируется на выбранных частотах или временных интервалах, сигналы CDMA распределены в непрерывном частотно-временном пространстве. Таким образом, фактически метод манипулирует и частотой, и временем, и энергией. В Старом Свете работы по созданию системы с кодовым разделением каналов (CODIT) проводятся Европейским институтом стандартизации, а в США уже принят CDMA-стандарт IS-95. Если в GSM один частотный канал занимает полосу 200 кГц, то в IS-95 полоса частот 1,25 МГц используется всеми каналами одновременно. Для увеличения количества абонентов можно организовать несколько дополнительных полос. FDMA, TDMA и CDMA - это методы доступа абонентов к сети при использовании частотного, временного и кодового разделения каналов. Конкретные стандарты AMPS, TACS, GSM, IS-95 используют либо один из этих методов, либо их комбинацию. Что касается систем, то они определяются конкретным оборудованием. Так, например, EMX-2000 фирмы Motorola умеет работать с аналоговыми стандартами AMPS, TACS, E-TACS и J-TACS. В SC-600 (Motorola) и QCTEL (Qualcomm) реализован стандарт IS-95. Макро-, микро- и пикосоты Самое существенное, что сдерживает развитие сотовых систем, это их ограниченные возможности по наращиванию абонентской емкости. Если не учитывать перехода на полускоростные каналы связи, то рост емкости цифровых сотовых сетей 2-го поколения может происходить либо переводом существующих стандартов в диапазоны более высоких частот, либо уменьшением размера сот до микро- и даже пикосот. Дальнейшее наращивание емкости при ограниченных полосах частот может осуществляться за счет создания новых протоколов и методов управления сетью. Это гибкие процедуры распределения каналов по временной и частотной оси, местоопределение подвижных абонентов и эстафетная передача (handover). Они реализуются в новых разработках сотовых систем 3-го поколения, отличительными чертами которых будут унифицированный радиодоступ и интеграция с информационными службами. В сочетании с широкополосными сетями B-ISDN они составят архитектуру единой сети и обеспечат разнообразные варианты связи, включая стационарную и подвижную. Европейская система, разрабатываемая в рамках программы RACE, получила название UMTS (универсальная система подвижной связи). Одна из задач проекта - создание к 1998 году радиотерминала стоимостью около 100 долларов, обеспечивающего передачу речи, данных и видео при скорости передачи по радиоканалу 2 Мбит/с в условиях микро- и пикосотовой структур сети. Радиотерминал должен работать как в частных, так и в сетях общего пользования, обслуживаемых разными операторами. Для звонка абоненту рассматривается возможность использования систем персонального радиовызова (пейджинга). Работы по созданию международной системы связи 3-го поколения FPLMTS (будущая система подвижной связи общего использования) проводятся Международным союзом электросвязи. Она предусматривает интеграцию наземных и космических систем связи. Начало ввода наземных компонентов системы ожидается к 2000 году, а спутниковой подсистемы к 2010. Пока же проводятся исследования методов дуплексной передачи, модуляции, размещения каналов, протоколов связи и сигнализации. Разрабатывается всемирный план единой нумерации, обеспечивающий свободное перемещение абонентов по всему миру. Юрий Громаков, кандидат технических наук.