Обзор
Предпосылки
Неудовлетворённость имеющимися аналоговыми системами связи в странах с развитой коммуникационной инфраструктурой возникла довольно давно. Особенно остро нуждалась в новых решениях Европа. Рынок подвижной радиосвязи, включающий как ведомственные (PMR — Privet Mobile Radio), так и коммерческие сети (PAMR — Public access Mobile Radio) в Европе был рассеян между различными стандартами, протоколами, частотными диапазонами. «Новые решения», периодически появляющиеся на рынке, на поверку оказывались лишь косметически улучшенными системами, разработанными на основе уже давно известных протоколов и принципов. Нередко «революционная» продукция носила сугубо «фирменный» характер, вынуждая потребителей попадать в зависимость от монополизма поставщика. Некоторые разработки решали только круг специальных задач, не обеспечивая универсальности.
Кроме мешанины протоколов и систем развитие коммуникаций привело к дефициту радиочастотного спектра, что вынудило разработчиков сужать полосу каналов с традиционных 25 до 12.5 кГц и менее. Но сужение полосы в аналоговых системах связи вызывает резкое ухудшение качества передаваемой информации, повышает требования к высокочастотной части радиооборудования и в особенности к антенно-фидерному тракту.
Существование аналоговых транковых протоколов, например МРТ 1327, показало, что, несмотря на жёсткую конкуренцию, различия в потребностях пользователей, отсутствие единства в законодательной базе разных государств, имеется возможность создания истинно международных, общепризнанных стандартов. И хотя в системах МРТ 1327 были учтены практически все требования, предъявляемые к транковой радиосвязи на момент разработки стандарта, проникновение в повседневную жизнь цифровых коммуникационных технологий, Интернета, электронной почты и т.п. не могло не сказаться на возрастающих потребностях пользователей. Новые возможности в области цифровых технологий заставили производителей и разработчиков переосмыслить методы построения систем радиосвязи. В свою очередь развитие микроэлектроники дало возможность создавать изделия с объединёнными функциями в виде одной микросхемы. Ещё несколько лет назад встраивание в портативную радиостанцию микропроцессора и синтезатора частоты приводило в благоговейный трепет специалистов и вызывало нескрываемую гордость счастливых обладателей подобных «чудес» техники. Сегодня в цифровые радиостанции устанавливается одна микросхема, выполняющая функции микропроцессора, синтезатора, аналого-цифрового/цифро-аналогового преобразователей, устройства шифрации речи. Современные технологии позволили создать новый класс коммуникационных устройств — цифровые системы связи.
В цифровых системах весь обмен речевыми сообщениями и данными осуществляется только в цифровом виде. Это позволяет вести обмен информацией в более узком частотном канале 12.5 и даже 6.25 кГц без снижения качества. Так как при передаче цифровых данных используются только две частоты (для 1 и 0), то в идеале возможно создавать системы связи с шириной канала в несколько герц (может быть через несколько лет так и будет). На сегодняшний день достигнута величина полосы радиоканала 6.25 кГц. Причём в пределах этой полосы передаётся как оцифрованная звуковая информация (речь), так и информация, изначально являющаяся цифровой (телеметрия, компьютерные данные, Интернет).
Принципы
В общем виде процесс обмена информацией в цифровых сетях выглядит следующим образом. Звуковая информация (голос) преобразуется в цифровой формат модулируется высокочастотным сигналом и передаётся в эфир по традиционным физическим законам. На приёмной стороне происходит обратная процедура восстановления цифрового сигнала в первоначальный аналоговый вид (Рис. 1). Если исходная информация изначально цифровая (терминал данных, компьютер, сеть цифровой связи, Интернет и т.п.), то этап аналого-цифрового преобразования пропускается. Кроме непосредственно кодирования/декодирования сигнал подвергается ряду манипуляций, призванных предотвратить потери информации. Это так называемые процедуры коррекции ошибок.
Рис. 1. Принцип преобразования и передачи аналоговых сигналов в цифровых системах связи.
Процесс аналогово-цифрового преобразования включает процедуру квантования — дискретизация непрерывной величины по времени, уровню или по обоим параметрам одновременно и кодирование (Рис. 1). При квантовании непрерывная величина преобразуется в последовательность её мгновенных значений, выделенных по определённому закону и в совокупности отображающих исходную величину. При кодировании выделенные в процессе квантования мгновенные значения исходной величины измеряются и результаты фиксируются в виде цифрового, в данном случае двоичного, кода. При попадании в приёмник цифровой сигнал декодируется и, с помощью процедуры цифро-аналогового преобразования, восстанавливается исходный аналоговый сигнал.
Для передачи цифрового сигнала по радиоканалу необходимо преобразовать его в высокочастотный вид. Для этого, как и в аналоговых системах связи, служит процедура модуляции или, применительно к цифровым преобразованиям, манипуляция. Цифровой сигнал, представляющий поток двоичных символов 0 и 1 накладывается на несущую — аналоговый высокочастотный сигнал постоянной амплитуды и частоты и затем уже передаётся по эфиру. Наиболее часто применяют три метода манипуляции (Рис. 2).
Рис. 2. Три метода манипуляции цифрового сигнала.
При амплитудной манипуляции (ASK amplitude-shift keying), модулируемая волна изменяет амплитуду сигнала (например, с высокого уровня на низкий) в соответствии с двоичной информацией. При частотной манипуляции (FSK frequency-shift keying), поток битов представлен изменениями между двумя частотами. Прифазовой манипуляции (PSK phase-shift keying), амплитуда и частота остаётся постоянной, а поток битов представлен изменениями фазы модулированного сигнала.
Фундаментальным отличием аналоговых систем связи от цифровых является только метод подготовки и кодирования исходной информации. Высокочастотная же часть радиостанций, отвечающая за приём и передачу радиоволн, остаётся практически идентичной во всех видах радиосвязи. Причём ситуация не меняется уже свыше 100 лет со времён демонстрации первой системы связи в 1895 году. При всех достижениях технологии, фундаментальным физическим законам альтернативы пока нет.
FDMA И TDMA — Два системных подхода
В настоящее время цифровые системы радиосвязи можно разделить на две категории в зависимости от метода формирования логических каналов связи в физической частотной полосе (Рис. 3).
FDMA (Frequency Division Multiple Access) — множественный доступ с частотным разделением. Где для каждого сеанса связи выделяется отдельный частотный радиоканал.
TDMA (Time Division Multiple Access) — множественный доступ с временным разделением. Где несколько одновременных сеансов связи разделяются по времени и объединяются в один радиоканал.
Рис. 3. Два различных метода доступа к частотным ресурсам в цифровых системах связи.
Достоинства и недостатки
Цифровые протоколы в современных коммуникациях заняли лидирующее положение и продолжают расширять своё влияние во всех сферах человеческой деятельности. В профессиональную мобильную радиосвязь (ПМР) цифровые технологии внедряются параллельно с развитием компьютерных коммуникаций, сотовой связи, цифрового радио и телевещания.
Из преимуществ цифровых протоколов связи, предопределивших их развитие и популярность можно отметить следующие:
— Одинаковое качество связи во всей зоне покрытия;
— Более эффективное использование радиочастотного спектра;
— Возможность передачи данных с помощью обычного абонентского оборудования;
— Возможность использования протокола TCP/IP для межбазовых соединений
Кроме того цифровые системы предоставляют широкий спектр услуг для абонентов:
— Индивидуальные, групповые и вещательные вызовы;
— Аварийные вызовы и посылка тревожных сообщений во время сеанса связи;
— Шифрация передачи без потери качества речи;
— Идентификация абонентов;
— Присоединение к текущему сеансу связи дополнительных абонентов;
— Система приоритетов при доступе к системе;
— Служба текстовых сообщений;
— Поддержка географического позиционирования;
— Дистанционная проверка и управление абонентским оборудованием
Нельзя не упомянуть и про некоторые недостатки цифровых систем
— Резкое пропадание связи на краях зоны покрытия, в отличие от аналоговых систем, где с удалением от базовой станции качество связи ухудшается постепенно.
— Использующиеся в настоящее время методы оцифровки и передачи голоса в цифровых системах пока ещё не достигли качества аналоговой связи. Этот недостаток свойственен практически всем системам цифровой радиосвязи как ПМР, так и сотовой телефонии.
— При переходе на цифровые системы связи придётся менять парк оборудования и возможно частотный план. Хотя имеются варианты совместного функционирования цифрового и аналогового оборудования, но всё же для реализации всех достоинств цифровых систем потребуется полное переоборудование сети связи, а это требует немалых инвестиций.
