1. Теоретические основы построения и функционирования пейджинговых систем

Для правильного выбора характеристик СПРВ, её состава и сервисных подсистем будущему оператору важно иметь сведения об основных протоколах пейджинговой связи, условиях распространения радиоволн (РРВ), возможных схемах построения СПРВ.

1.1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОТОКОЛОВ ПЕЙДЖИНГОВОЙ СВЯЗИ

    Передача адресной информации и сообщений в цифровых системах (в том числе и в пейджинговых) осуществляется в определенном формате (протоколе) кодирования. История создания и развития протоколов пейджинговой связи насчитывает более полутора десятков различных
форматов связи. Первым протоколом пейджинговой связи является двухтоновый формат, разработанный в 50-х годах фирмой MULTITON и предусматривающий передачу (предварявшую голосовое сообщение) на радиостанцию адреса - двух тоновых посылок различной частоты.
    Долгое время после этого разрабатывались и применялись форматы связи, обеспечивающие работу тоновых пейджеров. К середине 70-х годов были разработаны и внедрены широко применяемые и сегодня протоколы POCSAG, GOLEY, NEC, предусматривающие модуляцию высокочастотного сигнала двоичным кодом.
    Протоколом-чемпионом по количеству используемых в мире в последнее десятилетие пейджеров, работающих в этом формате, является POCSAG. Это действительно универсальный протокол, позволяющий передавать цифровые, буквенно-цифровые и тоновые сообщения на
скорости 512, 1200 и 2400 бод, что поддерживает уникальную адресацию до 2 млн. номеров пейджеров и обеспечивает ресурс одной частоты СПРВ по количеству обслуживаемых абонентов в пределах 10-20 тыс. Сегодня большинство компании-операторов СПРВ в РФ работает в формате POCSAG. Выданных Госкомсвязи РФ лицензий на операторскую деятельность в этом формате (около 300) вполне достаточно для обслуживания не менее 3-5 млн. абонентов.
    Стандарт АРОС, изобретенный компанией PHILIPS, является почти обычным стандартом POCSAG, в котором предусмотрена замена (при передаче) наиболее распространенных слов и фраз кодовым трехбайтовым сообщением. Функцию кодировки автоматически выполняет кодировщик сигнала POCSAG (пейджинговый терминал), имеющий соответствуют опцию. При приеме сигнала и его декодировании пейджер (также имеющий функцию работ с AРОС) заменяет кодовое значение на соответствующее слово (фразу). Такая модернизация стандарта
POCSAG, по расчетам [1], позволяет компрессировать (сжимать) трафик не более чем на 20-25%, что, безусловно, важно и полезно, особенно для случаев дефицита часотых ресурсов. Однако, опыт компании PHILIPS не получил широкого распространения, возможно, потому,
что, во-первых, эту инициативу не поддержали основные производители пейджинговых систем, а во-вторых, появились новые высокоэффективные протоколы пейджинговой связи (FLEX и ERMES). Следует отметить, что эта идея могла бы приобрести более оптимистические надежды на реализацию, если бы предусматривала использование не трехбайтовой, а четырехбайтовой ссылки. В этом случае уровень компрессии был бы более значительным (до 40-50%).
    Однако прогресс не стоит на месте - появились новые высокоскоростные протоколы пейджинговой связи: FLEX (и сопровождающее его семейство ReFLEX, InFLEXion), разработанный компанией MOTOROLA, и ERMES, разработанный Международным Союзом Электросвязи. Безусловно, новые протоколы (см. табл. 1) более сложны и совершенны, обладают в 3-8 раз большей абонентской емкостью на один частотный канал, эффективны для роуминга и подключения сервисных подсистем, имеют ряд других преимуществ. Однако будущему оператору следует знать, что увеличение скорости передачи сообщений влечет за собой снижение радиуса рабочей зоны. Так, для формата POCSAG увеличение скорости передачи сообщений на пейджеры с 512 бод до 2400 бод приводит к снижению радиуса рабочей зоны в 1,5-2 раза, если
мощность базовой станции была изначально рассчитана на работу со скоростями 512 бод. Таким образом, чтобы обеспечить рабочую зону вещания при работе с высокоскоростными протоколами требуется более дорогостоящая инфраструктура СПРВ (большая мощность базовой
станции, дополнительные ретрансляторы и др.).
Имеется и ряд других сложностей в реализации высокоскоростных протоколов. Так, для стандарта ReFLEX, в котором предусмотрена передача пейджером подтверждения принятия сообщения на частоте 901-902 МГц (а эти частоты лежат в полосе частот уже используемого в РФ стандарта GSM) требуется принятие сложных решений, Наиболее вероятное из которых - адаптация протокола (и выпускаемых пейджеров) на более высокие частоты. Сложным вопросом, касающимся создания в РФ СПРВ ERMES-формата, является выделение необходимой
сетки частот, так как принятая для стандарта полоса частот 169.425-169.800 МГц активно используется в РФ РЭС специального назначения.
Наименование протокола Используемые частоты, МГц Скорость передачи, бод Требуемая полоса частотного канала, кГц Наличие нумерации сообщений Возможность роуминга
POCSAG Любые пейджинговые 512,1200, 2400 25 Есть* Есть*
ERMES 169.425-169.800 6250 25 Есть Есть
FLEX Любые пейджинговые 1600,3200, 6400 25 Есть Есть
ReFLEX25 - передача на пейджеры - прием с пейджеров 929-931,940-941 901-902 1600,3200, 6400 25 или 50 Есть Есть
ReFLEX50 - передача на пейджеры - прием с пейджеров 930-931,940-941 901-902 до 25600 50 Есть Есть
InFLEXion - передача на пейджеры - прием с пейджеров 930-931,940-941 901-902 Цифровая компрессия звука 50 Есть Есть
* Реализуется программным обеспечением пейджинг-центра.
Таблица 1.1. Протоколы пейджинговой связи.
    Следует упомянуть и о формате RDS, с использованием которого в РФ действует около ЗО-ти СПРВ. В RDS-системах передача сигналов персонального радиовызова ведется вещательными радиостанциями за счет уплотнения существующих радиовещательных каналов (на
поднесущей). Указанные системы не получили широкого распространения из-за меньших возможностей по объему сообщений, роумингу, а также высокой стоимости пейджеров (в среднем на 100 долл. дороже пейджеров POCSAG-формата).
    Далее рассмотрим три наиболее известных протокола систем персонального радиовызова POCSAG, FLEX и ERMES. Все эти протоколы являются аналого-цифровыми, т.е. вся информация в эфире передается в виде 0 и 1, представленных с помощью частотной манипуляции.

    Протокол POCSAG
    Протокол FLEX
    Протокол ERMES
 

1.2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

    Для передачи сообщений в СПРВ используется ультракоротковолновый (УКВ) диапазон частот сигнала от 80 МГц до 930 МГц (длина волны от 3.75 м до 0.32 м).
    Главная особенность распространения радиоволн УКВ-диапазона состоит в том, что основная часть энергии, излучаемая антенной, распространяется в пределах прямой оптической видимости, так называемой зоны дифракционного поля. Без учета рефракции расстояние прямой видимости определяется по следующей формуле: , где h1 и h2 - высоты передающей и приемной антенны в метрах (рис 1.1).

    С учетом рефракции дальность видимости увеличивается примерно на 15% (рис 1.2), и может быть определена по формуле
 .

На рис. 1.3 представлен график для оценочного расчета дальности видимости (фактически - радиуса рабочей зоны) в зависимости от высоты подвеса антенны передатчика (h1) при h2=1 м.
  Рис. 1.3. Радиус зоны (км) приема сообщений на пейджер в зависимости от высоты передающей антенны (м).
    Рефракцией называется преломление радиолучей в нижних слоях атмосферы. Это явление вызывается неоднородностью атмосферы. Диэлектрическая проницаемость воздуха зависит от его влажности, температуры и давления. Непосредственно у поверхности земли диэлектрическая проницаемость воздуха больше единицы. С увеличением высоты влажность, давление и температура воздуха понижаются, а диэлектрическая проницаемость приближается к единице. По-этому атмосферу можно представить себе состоящей из большого числа слоев, имеющих различные диэлектрические проницаемости. При переходе от слоя к слою луч отклоняется к земле, т.е. искривляется.
    Другие особенности волн УКВ-диапазона:
        • не отражаются регулярной ионосферой;
        • очень сильно поглощаются почвой и местными предметами;
        • обладают малой дифракционной способностью;
        • не отражаются от сухой земли (последняя является диэлектриком для радиоволн длиной волны меньше 4м);
        • радиус действия поверхностного луча не зависит от времени года и суток, но сильно зависит от рельефа местности;
        • не восприимчивы к атмосферным помехам, источниками которых являются грозовые разряды;
        • в лесу сильно поглощаются (радиоволны вертикальной поляризации), из-за чего связь может быть нестабильной;
        • отражаются от зданий, металлоконструкций и других крупногабаритных препятствий, что позволяет СПРВ довольно уверенно работать в городских условиях, принимать сообщения в зданиях, а при достаточной мощности передатчика и в подвалах. Следует отметить, что возникающая при городских условиях многолучевость распространения (и как следствие - замирание) сигнала компенсируется при приеме пейджинговыми кодами;
        • повышенная дальность распространения над грунтами с высокой проводимостью и вы-сокой диэлектрической проницаемостью, например, над болотистыми торфяниками и водной поверхностью. Например, известны, по крайней мере, две работающие СПРВ с удаленными на 150 и 230 км ретрансляторами, что, с учетом известных высот подвеса их антенн, примерно в 1,5-2 раза превышает расчетную дальность распространения.
    При общих свойствах радиоволны УКВ-диапазона имеют и ряд особенностей распространения в метровом и дециметровом диапазонах.
    Радиоволны дециметрового диапазона испытывают большее затухание (например, для частоты 450 МГц по сравнению с частотой 150 МГц - на 10 дБ) и в меньшей степени подверже-ны рефракции, поэтому обладают меньшей дальностью распространения. По этой причине, с точки зрения экономичного построения СПРВ (с необходимой меньшей мощностью базовой станции и меньшим количеством ретрансляторов) при выборе рабочей частоты предпочтение отдают метровому диапазону частот.
    В то же время радиоволны дециметрового диапазона обладают большей проницаемостью внутрь помещений и подвалов, средств автотранспорта. Например, в Москве были отмечены случаи приема сообщений на пейджеры дециметрового диапазона даже на станциях метро глубокого заложения, а на станциях мелкого заложения прием осуществляется с еще большой вероятностью. Таким образом, для связи в городских условиях дециметровый диапазон имеет некоторые преимущества. В то же время, учитывая более низкую температурную стабильность на частоте приема и худшую селективность пейджеров дециметрового диапазона, указанные выше преимущества использования дециметрового диапазона радиоволн становятся не такими весомыми.
 

1.3. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СИСТЕМЫ ПЕРСОНАЛЬНОГО РАДИОВЫЗОВА

    В настоящем разделе рассмотрены основные характеристики используемых в СПРВ радиосигналов, а также некоторые вопросы выбора её параметров, определяющих Функциональную Эффективность.
 

Характеристики радиотехнического сигнала

    Аналитическое выражение для записи высокочастотных колебаний в общем виде может быть представлено как x = A0 sin(w0t+ф0),
где A0 - амплитуда; w0 - частота; ф0 - начальная фаза.
    Модулируя одну из трех величин, получают амплитудную (AM), частотную (ЧМ) или фазовую (ФМ) модуляцию.
 Известно, что в пейджинговых системах используется частотная модуляция, обеспечивающая лучшую помехоустойчивость и более высокие энергетические характеристики, чем амплитудная модуляция, однако для этого ей требуется большая необходимая полоса частот. Здесь следует дать определения основных применяемых в данной области терминов.
Необходимая ширина полосы радиочастот (ВН) -  это минимальная ширина полосы частот для данного класса излучения, достаточная для обеспечения передачи сигнала с требуемыми скоростью и качеством, которые определяются при проектировании передатчика в соответствии с его функциональным назначением.
    Необходимая ширина полосы частот для каждого класса излучения является исходным спектральным параметром. Она рассчитывается по формулам, рекомендуемым МСЭ-Р.
    Та часть спектральной плотности мощности излучения (или спектра мощности, когда он состоит из дискретных составляющих), которая находится за пределами необходимой ширины полосы частот, за исключением побочных излучений, называется внеполосным спектром, а излучение на частоте или частотах внеполосного спектра - внеполосным излучением. Характерными величинами внеполосного спектра являются координаты начальны точек (рис 1.4) и скорости убывания.

    На рис. 1.4 внеполосный спектр аппроксимирован ограничительной линией на плоскости координат уровень-частота. Ограничительная линия спектра внеполосного излучения устанавливается для каждого класса излучения и является верхней границей максимально допустимых значений уровней составляющих спектра внеполосного излучения относительно заранее заданного исходного уровня 0 дБ. В зависимости от ограничительной линии внеполосного спектра определяется допустимый уровень средней мощности, излучаемой на частотах, лежащих выше и ниже граничных частот необходимой ширины полосы частот. Допустимый уровень внеполосного излучения выражается в виде процентной величины b от общей средней излучаемой мощности.
    Необходимая ширина полосы частот является величиной расчетной. В действительности передающее устройство излучает, как правило, более широкую полосу частот, которую называют шириной занимаемой полосы частот (ВЗ), ниже нижней и выше верхней граничной частоты которой средние излучаемые мощности равны каждая определенной процентной величине b/2 от общей средней мощности излучения. Величина b/2 устанавливается для каждого класса излучения.
    За среднюю мощность излучения принята излучаемая антенной нормально работающего передатчика мощность, измеряемая в течение времени достаточно длительного по сравнению с периодом наиболее низкой модулирующей частоты. Обычно выбирают промежуток времени 0.1 с, в течение которого средняя мощность излучения остается постоянной.
    Для измерения ширины занимаемой полосы частот введено определение ширины полосыы частот (ВХ) радиоизлучения на уровне Х дБ, за пределами нижней и верхней границ которой любая дискретная составляющая линейчатого спектра или спектральная плотность мощности сплошного спектра имеют уровень ослабления Х дБ относительно заранее заданного исходного уровня 0 дБ.
    Следовательно, основными спектральными параметрами излучения являются необходимая ширина полосы частот ВН, ограничительная линия внеполосного спектра, допустимый уровень внеполосного излучения р, ширина занимаемой полосы частот ВЗ и ширина полосы частот ВХ радиоизлучения на уровне Х дБ.
    В СПРВ применяются радиосигналы двух классов излучения 16KOF1D (каналы передачи кодированной информации) и 16KOF3E (телефония - для организации сервисных функций в составе СПРВ). Поясним расшифровку этих обозначений.
    В принятой системе полного обозначения класса радиоизлучений содержится указание в кодированной форме необходимой полосы частот ВН и символьной части совокупности характеристик:
 
Номер позиции:
 Позиция № 1 - необходимая ширина полосы частот. Выражается тремя цифрами и одной буквой. Буква является десятичной запятой и отражает размерность значащих цифр (доли герц и герцы обозначаются буквой Н, килогерцы - К, мегагерцы - М, гигагерцы - G). В рассматриваемом случае 16КО - 16.0 кГц.
Позиция № 2 обозначается буквой - тип модуляции основной несущей (F - частотная модуляция).
Позиция № 3 обозначается цифрой - характер сигнала (сигналов), модулирующего основную несущую (1 - один канал, содержащий квантованную или цифровую информацию без использования модулирующей поднесущей, 3 - один канал с аналоговой информацией).
Позиция № 4 обозначается буквой - тип передаваемой информации (D - передача данных, телеметрия, телеуправление, Е - телефония).
    При передаче POCSAG-сообщений используется двухуровневая ЧМ (поскольку используется дискретное значение модулирующего сигнала, еще называется частотной манипуляцией) с девиацией (отклонением) частоты от центральной df=+/- 4.5 кГц (для ряда моделей пейджеров +/-4.0 кГц). При этом в пакеты собираются сообщения с единой скоростью передачи В, равной 512, 1200 или 2400 бод, т.е. с единой частотой манипуляции, рассчитываемой как FМ=B/2, Гц (2561 600 и 1200 Гц, соответственно скоростям). В этом случае сигнал описывается выражением x=A0sin(w0t+m sin 2piFt), где m - индекс модуляции передатчика, определяемый как m=df/FМ, и, соответственно трем скоростям передачи сообщений, равный: 17.58, 7.5 и 3.75.
    Для приближенной оценки ширины практически занимаемой полосы частот, учитывающей составляющие спектра сигнала не менее 1% амплитуды немодулированного сигнала, по рекомендации МСЭ-Р используют соотношение ВЗ =2.6df+1.5В.
Следуя этой формуле, расчетные значения ВЗ для скоростей 512, 1200 и 2400 бод составят 12.47, 13.5 и 15.3 кГц, соответственно.
На рис. 1.5 представлен упрощенный вид теоретически рассчитанного спектра POCSAG-сигнала (на скорости 1200 бод), а на рис. 2.11 - изображение реального спектра сигнала, принятого и показываемого на экране спектр-анализатора.


(Сигнал снят с реального спектр-анализатора).
    Здесь следует отметить, что при частотной модуляции при m>1, основная часть мощности приходится на долю боковых составляющих, а составляющая спектра с частотой f0 может отсутствовать. По этой причине частоту f0 называют не несущей, а средней или центральной частотой ЧМ сигнала.

Высота подвеса передающей антенны.

    Как уже отмечалось в разделе 1.2, именно этот фактор в основном определяет размер рабочей зоны. Там же предложено для грубого расчета использовать формулу: , где Н - высота подвеса, м. Добавим, что формула хорошо работает на равнинной местности, когда Н не менее чем в 4-8 раз превышает среднюю высоту застройки в рабочей зоне. Идеальным местом размещения антенны является городская телевышка.
    Если места для размещения антенны с необходимой высотой нет, то пейджинговая система строится на основе использования нескольких передатчиков (например, базовая станция и ретрансляторы или группа передатчиков, работающих в режиме "simulcast").

Мощность излучения передатчика

    Мощность применяемого передатчика должна быть соответствующей высоте подвеса антенны (более - уже неэффективно и дорого), т.е. играет достаточную роль.
    Известно несколько методик расчета достаточной мощности РПРД. Например, методика, основанная на расчете ослабления сигнала на трассе распространения между передатчиком и приемником, с учетом предполагаемых характеристик АФУ, передатчика и чувствительности приемника. Базовым здесь является выражение:
    L = 20[lg(c / 4pi - lg R - lg f)] или L = - [33 + 20(lg R + lg f)],
где L - затухание сигнала в дБ; с - скорость света; R - расстояние в километрах; f - частота в МГц.
    На рис. 1.7 представлен график ослабления L сигнала в зависимости от расстояния для частот 150 МГц и 450 МГц (в свободном пространстве при ненаправленных приемной и передающей антеннах).

    Допустим, что в СПРВ используется антенно-фидерный тракт с потерями в кабеле -3 дБ и усиление антенны +3 дБ, шумы на трассе и дополнительные потери суммарно -30 дБ, чувствительность пейджера 5 мкВ и 10 мкВ. Для этих случаев в табл. 1.2 приведены результаты расчета требуемой мощности передатчика при взаимных расстояниях между передатчиком и пейджером 50, 100 и 150 км.
 
Требуемая мощность ПРД, Вт Потери в фидере, дБ Усиление антенны, дБ Потери на трассе 
на расстоянии, дБ		 Шумы, дБ Чувствительность 
пейджера, мкВ
2.5 
10		 -3 +3 50 км 
-110		 -30 5 
10
15 
46		 100 км 
-116.6		 5 
10
25 
79		 150 км 
-120		 5 
10
Таблица 1.2. Расчет требуемой мощности передатчика.
    Парадоксально, но факт: расчеты показывают, что для приема сообщений пейджером, находящимся на открытой площадке в пределах прямой оптической видимости антенны передатчика на расстоянии 100 и даже 150 км (гипотетически, так как для этого требуется обеспечить высоту подвеса передающей антенны 570-1280 м), достаточно передатчика мощностью не более 100 Вт.
    Реально же, для обеспечения хорошей проницаемости сигнала в помещения и надежной его помехозащищенности, мощность выбирается выше. Предлагаем оценочную формулу для расчета требуемой мощности передатчика (Р, Вт), приведенной ко входу антенны-
р=а*Н*100.9b, где а - коэффициент, учитывающий высоту застройки и степень пересеченно-сти рельефа местности (0.25<а<1); b - коэффициент усиления антенны, дБ.
Формула допускает расчеты при b <10 дБ.

Рабочая частота СПРВ

    При выборе рабочей частоты учитывают два аспекта:
        • качество распространения сигнала;
        • возможность роуминга с другими городами.
 С точки зрения перспектив использования роуминга пока выигрывает диапазон 160 МГц как наиболее распространенный по России. На частотах 157.175, 157.925, 159.025, 159.050, 159.6375, 160.0375 МГц работают уже десятки компаний-операторов по всей территории РФ.

Количество абонентов в системе

    Ресурс одной частоты по количеству абонентов позволяет строить СПРВ по обслуживанию абонентов в стандартах:
        • POCSAG - до 15-20 тысяч при однобазовом построении или в режиме "simulcast" или до 7-8 тысяч - при использовании эхо-репиторов;
        • FLEX - до 50-80 тысяч.
    Не менее важное значение, чем выше рассмотренные базовые параметры СПРВ, для правиль-ного построения сети персонального радиовызова имеет выбор топологии сети. В упрощенном виде она может быть представлена в виде следующих крупных элементов (рис. 1.8):
        • средства сбора сообщений от отправителей в пейджинг-центре;
        • средства операторского зала (или пейджинг-центра), включая АРМ операторов и пейджинг-терминал;
        • средства передачи сообщений на пейджеры, включая различные линии связи, пере-дающие устройства и ретрансляторы:
        • сервисные подсистемы СПРВ, к которым можно отнести группу подсистем сервисного обслуживания абонентов, а также группу подсистем, предназначенных для внутреннего (внутрисистемного в СПРВ) применения.

 

 На главную страницу