ИНТЕГРИРОВАННАЯ СИСТЕМА МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ
INTEGRATED SYSTEM OF MOBILE COMMUNICATION

Предлагаемое изобретение относится к мобильным системам связи, в частности к наземным сотовым и мобильным спутниковым системам связи.
Мобильные спутниковые системы связи используются во всем мире для организации спутниковой связи в региональной зоне или в глобальном масштабе, например «Широкополосные беспроводные сети передачи информации». / В.М.Вишневский
[и др.]. - М.: Техносфера, 2005. - 592 с. [1] и «Технология передачи данных. 7-е изд.». / Т.Хелд. - СПб: Питер, К. Издательская группа BHV, 2003. - 720 с. [2].
То есть пользовательский терминал подвижного потребителя имеет возможность направлять и получать вызовы через спутники вне зависимости от географических, экономических или политических границ. Однако достаточно высокая стоимость спутниковых услуг мобильной связи ограничила область их использования в основном ведомственным классом потребителей.
Поэтому для массовых (персональных) потребителей в настоящее время получили широкое распространение различные виды системы наземной мобильной связи: сотовые системы, персональные системы связи и другие наземные мобильные системы [1, 2]. Зона наземных систем связи в основном ограничивается теми областями обслуживания, которые имеют ретрансляторы наземного базирования, размещаемые на высотных сооружениях (мачты, башни, высотные дома…). Эти области мобильного обслуживания неизбежно будут относительно малыми, располагаясь в основном в городах и вдоль дорог с интенсивным движением. Наземные мобильные системы не обеспечивают совершенной зоны обслуживания, особенно на границе областей ячеек, и, более того, многие имеют пропуски и провалы в областях обслуживания из-за местных условий, приводящих к блокировке каналов связи, или по другим причинам. Результатом является пропуск вызовов и негарантированное обслуживание при нахождении пользователей в этих граничных областях или провалах.
В разных системах сотовой связи используются разные технологии множественного доступа [1, 2]. Традиционные аналоговые системы сотовой связи, основанные на стандартах AMPS и TACS, используют технологию частотного разделения каналов. Совсем другие технологии применяются в цифровых системах сотовой связи. Самая распространенная называется технологией многостанционного доступа с временным разделением каналов (TDMA).
В группу стандартов цифровой связи TDMA входят наиболее популярные стандарты: GSM, NMT-450 (UMC) и D-AMPS. Одновременно быстрыми темпами развивается еще одна система сотовой цифровой связи, основанная на технологии кодового разделения каналов - стандарт CDMA. В этой системе все телефонные разговоры как бы "перемешаны" в общем широкополосном сигнале, из которого каждый телефонный аппарат выделяет предназначенную ему часть благодаря присвоенному уникальному коду.
Особенность отечественных условий - параллельное развитие чуть ли не всех существующих в мире стандартов сотовой связи. Произошло это по многим причинам - здесь и трудности с диапазонами частот, и стоимость оборудования, и особенности географии, и конкуренция иностранных производителей аппаратуры связи на новом рынке. В итоге во многих городах России высотные сооружения превращаются в «сборище» разнообразных антенн, работающих в различных диапазонах длин волн. Это приводит к серьезным проблемам электромагнитной совместимости и ухудшению связи в каждой из сетей [1, 2].
В последнее время прорабатываются концепции использования аэростатной техники в качестве несущих высотных телекоммуникационных платформ. Аэростаты обеспечивают высотное положение передатчиков и ретрансляторов и способны заменить десятки и сотни типовых мачт. Стоимость аэростатной телекоммуникационной платформы на порядок ниже суммарных затрат на мачты-антенны. Качество передаваемого сигнала через высотную телекоммуникационную платформу аналогично по характеристикам спутниковому. С помощью аэростатных систем можно комплексно решать задачи телекоммуникационного и информационного обеспечения в условиях, где невозможно или нецелесообразно прокладывать кабель.
В настоящее время применяются следующие три технологии [1] для разработки высотных платформ для организации региональных беспроводных сетей:
1. Стратосферные дирижабли, поднимаемые на высоту от 15 до 25 км. Эти дирижабли должны работать автономно в течение долгого времени (до нескольких лет) и поддерживать стабильное пространственное положение, необходимое для обеспечения зоны обслуживания.
2. Размещение базовых станций на пилотируемых или беспилотных самолетах. Это легкие самолеты должны летать по кругу ограниченного диаметра в целях обеспечения зоны обслуживания
3. Телекоммуникационные сети с использованием привязных аэростатов. Это наиболее простая и дешевая технология реализации высотных платформ, при которой в основном решается проблема удерживания станции. Кроме того, привязной трос позволяет легко осуществлять подачу питания на станцию и доставлять данные к ней и от нее.
Поэтому существует логическая необходимость во взаимодействии спутниковых и наземных мобильных систем связи. Такое взаимодействие является эффективным и экономичным и может повысить качество обслуживания пользователя в городской среде и в пригородных районах с помощью наземных мобильных систем связи, в то время как спутниковое обслуживание может быть использовано в сельской местности и в тех местах, где наземное мобильное обслуживание недоступно или неэкономично. При этом спутниковые мобильные системы спутниковой связи могут выступать в качестве интегратора разнородных наземных мобильных систем связи.
В патенте США 5073900 на "Интегрированную сотовую систему связи" описана система сотовой связи, имеющая полностью интегрированные поверхностные и спутниковые узлы. То есть спутниковые ячейки космических узлов могут перекрывать наземные ячейки. Центр управления сети системы используется для распределения обработки конкретного вызова для одного из спутниковых узлов или из центров управления региональных узлов. В одном из вариантов осуществления согласно патенту США 5073900 пользователь может выбрать либо использование спутниковой линии связи, либо наземной линии связи. Для обеспечения такой схемы мобильной связи необходим двухкомплектный пользовательский терминал, то есть пользовательский терминал, имеющий возможность работы либо в спутниковой, либо в наземной сотовой системе. Однако двухкомплектный пользовательский терминал имеет увеличенную стоимость, массу и энергопотребление при ограниченной информативности. Кроме того, вышеупомянутая система не обеспечивает удовлетворительного решения проблемы обеспечения полной совместной работы между спутниковой системой связи и одной или более существующими наземными системами связи.
В качестве прототипа выбрана «Система и способы обеспечения роуминга мобильного терминала в спутниковой наземной системе связи» - патент РФ №2193815.
В патенте предложен способ и устройство осуществления взаимодействия одной или более наземных мобильных систем с мобильной спутниковой системой, способ и устройство автоматической обработки вызовов, осуществляемых в пределах зоны обслуживания одной или более наземных мобильных систем и мобильной спутниковой системы.
Эти задачи решаются созданием многорежимного терминала пользователя, имеющего возможность выбирать или обеспечивать выбор предпочтительных для него режимов связи, а также созданием способов и устройств автоматического переключения между этими режимами.
Предлагаемая система связи имеет подсистему спутниковой связи, включающую в себя по меньшей мере один спутник и по меньшей мере один наземный узел межсетевого сопряжения, беспроводную наземную подсистему мобильной связи, включающую в себя по меньшей мере один ретранслятор и по меньшей мере один центр коммутации мобильного обслуживания, по меньшей мере один пользовательский терминал, двухрежимный или более высокий (например, трехрежимный), включающий в себя первый приемопередатчик для двусторонней спутниковой связи, второй приемопередатчик для двусторонней связи с наземной сетью связи и контроллер выбора режима связи. При этом узел межсетевого сопряжения и центр коммутации мобильного обслуживания связаны с коммутируемой телефонной сетью общего пользования. Однако многорежимный пользовательский терминал также имеет увеличенную стоимость, массу и энергопотребление при ограниченной информативности.
Таким образом, ни одна из вышеупомянутых систем мобильной связи не обеспечивает удовлетворительного решения проблемы обеспечения в интересах массовых потребителей полной совместной работы между спутниковой системой мобильной связи и одной или более существующих наземных систем мобильной связи.
Изобретателям не известны существующие или предложенные интегрированные системы мобильной связи, которые адекватным образом решают эту проблему.
Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности и информативности линий связи с различными стандартами.
Это достигается тем, что интегрированная система мобильной связи содержит несколько пользовательских терминалов сотовой связи с различными стандартами, элемент спутниковой системы связи, включающий в себя по меньшей мере один спутник, один центр наблюдения и диспетчирования, один наземный узел межсетевого сопряжения и ретранслятор спутниковой связи, подсистему мобильной сотовой связи, включающую в себя многорежимный ретранслятор сотовой связи и центр коммутации мобильного обслуживания, коммутируемую телефонную сеть общего пользования.
При этом ретранслятор спутниковой связи и подсистема мобильной сотовой связи размещаются на высотной платформе над поверхностью Земли в заданной зоне обслуживания (например, на привязном аэростате), дополняются аппаратурой спутниковой навигации и устройством организации каналов связи с формированием единого радиоинформационного комплекса. Кроме того, антенная система ретранслятора спутниковой связи обеспечивает программное перенацеливание луча на спутник (механическое или электронное), а антенна ретранслятора сотовой связи многолучевая.
Для повышения информативности радиоинформационный комплекс может быть дополнен аппаратурой видеонаблюдения поверхности Земли в зоне обслуживания, состоящей из видеокамеры с высокой разрешающей способностью и механизма ее нацеливания и связанной через устройство организации каналов связи с ретранслятором спутниковой связи.
Для повышения надежности эксплуатации часть задач центра наблюдения и диспетчирования может быть передана в региональный центр, который размещается вблизи наземной точки закрепления привязного аэростата и связывается проводной связью с радиоинформационным комплексом аэростата.
Суть предлагаемого изобретения поясняется структурно-функциональными схемами системы мобильной спутниковой/наземной связи различной комплектации, приведенными на фиг.1, 2, 3.
Базовая конфигурация интегрированной системы мобильной связи (фиг.1) содержит несколько пользовательских терминалов сотовой связи с различными стандартами (ПТ) 7, элемент спутниковой системы связи, включающий в себя по меньшей мере один спутник 9, один наземный узел межсетевого сопряжения (УМС) 10, базовый центр наблюдения и диспетчирования (ЦНД-Б) 13, связанные с коммутируемой телефонной сетью общего пользования (КТСОП) 12, и радиоинформационный комплекс 17, размещаемый на аэростате. В качестве аэростата может быть использован любой зарубежный или отечественный свободный или привязной аэростат подходящей грузоподъемности и высоты функционирования, а также длительности автономного функционирования [1, 2].
Радиоинформационный комплекс включает в себя ретранслятор спутниковой связи (РТР-СП) 1, многорежимный ретранслятор сотовой связи (РТР-С) 4 с многолучевой антенной (см. Акимов. А.Д. «Синтез бортовой многолучевой антенны для подвижной спутниковой службы связи». // Электросвязь. - 1998. №2. - С.27-31 [4]), центр коммутации мобильного обслуживания (ЦКМ) 3, аппаратуру спутниковой навигации (АСН) 5, устройство организации каналов связи (УОКС) 2.
АСН 5 представляет собой один из серийно изготавливаемых навигационных приемников, работающих по сигналам навигационных космических систем ГЛОНАСС/GPS в режиме фазовых измерений (см. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования. / Под ред. А.И.Перова, В.Н.Харисова. Изд. 3-е, перераб. - М.: Радиотехника, 2005 - 688 с. [3]).
Функциональное объединение каждой аппаратуры радиоинформационного комплекса 17 осуществляется по проводной линии с помощью УОКС 2, при этом связь с РТР-С 4 осуществляется через ЦКМ 3.
Группа спутников 9 может включать в себя спутники низких околоземных орбит, спутники средних околоземных орбит или спутники геосинхронных орбит, зона обслуживания 11 которых охватывает УМС 10 и радиоинформационный комплекс 17, размещенный на аэростате. Спутники 9, находящиеся в зоне радиовидимости радиоинформационного комплекса 17, представляют собой ретрансляторы, которые осуществляют информационный обмен между радиоинформационным комплексом 17 и узлами межсетевого сопряжения (УМС) 10.
Один или несколько ПТ 7 являются однорежимными или многорежимными серийными терминалами и работают в области обслуживания 6 радиоинформационного комплекса 17. При этом каждый из ПТ 7 может иметь любой из форматов наземных систем сотовой связи: AMPS, TDMA, CDMA.
ЦНД-Б 13 связан через КТСОП 12 с УМС 10 по проводной линии и с радиоинформационным комплексом 17 по спутниковой радиолинии «земля-спутник» 16 и «спутник-земля» 15. Пользовательский терминал ПТ 7 осуществляет связь с радиоинформационным комплексом 17 по сотовой радиолинии 18.
Работа в интегрированной системе мобильной связи организуется следующим образом.
Одной из особенностей как спутниковой, так и наземных сотовых систем является процедура регистрации, которая позволяет потребителям осуществить доступ к системе и затем через КТСОП 12 к любому наземному потребителю. Процедура регистрации производит идентификацию потребителей, обеспечивает возможность различного обслуживания и выполнения различных функций обращения к базе данных. В настоящее время существуют два типа процедур регистрации: процедуры, основанные на использовании данных исходного местоположения, и роуминг или функции определения местоположения "визитера". Процедура регистрации ПТ 7 для сотовых систем выполняется в ЦКМ 3, а процедура регистрации радиоинформационного комплекса 17 для спутниковых систем в УМС 10.
Информация о местоположении ПТ 7 в УОКС 2 формируется по результатам совместной обработки данных о номере радиолуча многолучевой антенны РТР-С 4, через который поступил сигнал от ПТ 7, и данных об угловом и пространственном положении радиоинформационного комплекса 17, полученных также с АСН 5.
Информация о местоположении спутников 9 относительно радиоинформационного комплекса 17 для нацеливания антенной системы РТР-СП 1 формируется в УОКС 2 по данным об угловом и пространственном положении радиоинформационного комплекса 17 в инерциальной системе координат с помощью АСН 5. Это обеспечивает программное перенацеливание луча антенной системы РТР-СП 1 на спутник (механическое или электронное). В результате устанавливается прямая связь ПТ 7 через радиоинформационный комплекс 17 по спутниковой радиолинии «земля-спутник» 16 и «спутник-земля» 15 с УМС 10 и далее по проводной линии с ЦНД-Б 13 и КТСОП 12.
В первом модифицированном варианте (фиг.2) базовый вариант интегрированной системы мобильной связи дополняется аппаратурой видеонаблюдения поверхности Земли АВН 8, связанной с УОКС 2 проводной линией. АВН 8 состоит из видеокамеры с высокой разрешающей способностью и механизма ее нацеливания. Информация об углах нацеливания формируется на основе измерительной информации АСН 5 и поступает с УОКС 2. Зона видеонаблюдения поверхности Земли задается оператором УМС 10, а видеоинформация к оператору передается через ретранслятор спутниковой связи 1.
Во втором модифицированном варианте (фиг.3) базовый вариант интегрированной системы мобильной связи или его первая модификация дополняется региональным центром наблюдения и диспетчирования ЦНД-Р 14, который размещается вблизи наземной точки закрепления привязного аэростата и связывается проводной связью с радиоинформационным комплексом 17 аэростата. Это позволяет ему решать часть задач базового ЦНД-Б 13 по управлению и диспетчированию, что повышает надежность решения задачи.
При изучении известных технических решений в данной области техники совокупность признаков, отличающих заявляемый объект, не была выявлена. Предлагаемое решение существенно отличается от известных на данный момент времени.
Заявляемое решение явным образом не следует из уровня техники и имеет изобретательский уровень.