КОРАБЕЛЬНАЯ ПОДСИСТЕМА СОТОВОЙ ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ
SHIPBORNE SUBSYSTEM FOR CELLULAR MOBILE COMMUNICATION

Настоящее изобретение относится к области электрорадиотехники, а именно к системам сотовой подвижной связи, и может быть использовано на предприятиях, разрабатывающих аппаратуру радиосвязи, устанавливаемую на подвижных объектах, например надводных кораблях, подводных лодках, гражданских судах, железнодорожном транспорте и т.п.
Корабельная подсистема сотовой подвижной связи предназначена для установки на корабли с целью обеспечения членов экипажа услугами подвижной сотовой связи как с абонентами своего объекта, так и с внешними абонентами, находящимися в пределах зоны обслуживания базовой станции корабля.
Обычная система сотовой связи состоит из абонентских мобильных радиотелефонов и оборудования базовых станций, состоящего из антенны базовой станции, многоканального приемопередатчика, контроллера базовой станции, транскодера и центра коммутации подвижной связи, обеспечивающего все функции управления сетью связи (см. [1] рис.3.17, стр.122). В системе связь между абонентскими телефонами и базовыми станциями осуществляется по радиоканалу. Рабочий диапазон частот в наиболее распространенной в России цифровой системе связи GSM 2-го поколения составляет: 1710-1785 МГц на передачу от абонента к базовой станции и 1805-1880 МГц на передачу от базовой станции к абоненту.
При установке оборудования сотовой связи на корабле антенна базовой станции должна располагаться на верхней палубе, а абоненты (члены экипажа) находятся в подпалубных помещениях корабля. Степень экранирования корабельного корпуса составляет не менее 80 дБ. При этом радиоканал между абонентскими и базовой станциями не будет работать по причине чрезмерного затухания сигнала. Т.е. использование обычного оборудования системы сотовой связи на корабле не обеспечит абонентов сотовой связью.
Известны системы для обеспечения абонентов сотовой подвижной связью в помещениях, экранированных относительно антенн наземных базовых станций толстым слоем железобетонных и металлических конструкций. К таким помещениям относятся:
- станции метро;
- высотные здания;
- здания с железобетонными перекрытиями;
- подземные гаражи и автостоянки;
- склады и таможенные терминалы;
- аэропорты и ж/д вокзалы;
- спортивные комплексы и т.п.
В состав таких систем включают оборудование базовой станции, размещаемое в каждом экранированном помещении (например, на каждой станции метро), и ретрансляторы (репитеры), одна антенна которых располагается в пределах зоны досягаемости антенны базовой станции, а другая антенна (или несколько других антенн) располагаются в экранированном помещении в пределах зоны досягаемости антенн абонентских станций. Репитер по существу является антенным усилителем, усиливающим сигнал до 60 дБ. Пример обеспечения связью абонентов в подземном гараже с помощью репитера [2] показан на фиг.1.
В метро для обеспечения абонентов сотовой связью используют антенны в вестибюлях, на эскалаторах, на платформах, а для обеспечения связи в туннелях используют излучающий кабель. Излучающий кабель - это обыкновенный провод, но работает он как и антенна базовой станции, позволяя сотовым телефонам ловить сигнал от кабеля так же надежно, как и на поверхности. Правда, монтаж и создание такой системы пока стоит очень дорого. Прокладка одного излучающего кабеля вдоль перегона между двумя станциями метро стоит примерно столько же, сколько монтаж трех-четырех базовых станций на поверхности [3].
Наиболее близкой к заявляемой подсистеме является подсистема сотовой подвижной связи в метро, описанная в [3]. Она выбрана в качестве прототипа. Подсистема сотовой подвижной связи в метро, размещаемая на каждой станции метро, включает оборудование базовой станции, состоящее из последовательно соединенных антенны базовой станции, многоканального приемопередатчика, контроллера базовой станции, транскодера и центра коммутации подвижной связи, и репитеры, антенны для связи с абонентами которых размещаются на эскалаторах, платформах и туннелях метро, а выходы репитеров соединены по высокоскоростным проводным каналам связи с контроллером базовой станции.
Использование подсистемы-прототипа в каждом помещении корабля не представляется возможным по следующим причинам:
1. Наружная антенна базовой станции на корабле может быть одна, т.к. на корабле размещается большое количество других антенн, обеспечивающих радиосвязь, радионавигацию, радиолокацию и т.п. При этом оборудование базовых станций, размещаемых в каждом помещении корабля, должно быть соединено радиочастотными кабелями с единой наружной антенной. Прокладка радиочастотных кабелей от одной наружной антенны ко всем помещениям на действующих кораблях невозможна, т.к. прокладку кабелей осуществляют на начальном этапе строительства корпуса корабля. Кроме того, существуют нормативы на максимальную длину антенного кабеля, которая, как правило, не должна превышать 10…50 м. При таких нормативах разводка радиочастотного кабеля от одной антенны по всем помещениям корабля даже на этапе его строительства недопустима.
2. Размещение оборудования базовой станции в каждом помещении корабля также проблематично в связи с ограниченными размерами помещений, в которых размещается многочисленное традиционное оборудование.
Для организации сотовой связи на корабле следует установить одну базовую станцию и разработать специальные устройства для доставки сигналов от абонентов, расположенных во всех помещениях корабля, на вход многоканального приемопередатчика базовой станции.
Целью изобретения является расширение области применения систем сотовой подвижной связи путем обеспечения возможности ее функционирования на кораблях и других подвижных объектах, на которых абоненты находятся в экранированных помещениях относительно антенны базовой станции.
Поставленная цель достигается тем, что в корабельную подсистему сотовой подвижной связи, состоящую из n абонентских (по числу абонентов) радиотелефонов с антеннами и m антенн-ретрансляторов, размещаемых в каждом помещении объекта и соединенных через первый делитель мощности с репитером, и оборудования базовой станции, размещаемого в одном из помещений корабля и состоящего из антенны и последовательно соединенных многоканального приемопередатчика, контроллера, транскодера и центра коммутации подвижной связи, дополнительно введены постовые коммутационные центры и соединяющие их межпостовые кабели из состава комплекса внутрикорабельной связи, а также размещаемые в каждом помещении корабля и последовательно соединенные приемопередатчик, первый усилитель промежуточной частоты, первое устройство сопряжения с постовым кабелем внутрикорабельной связи, первое устройство преобразования и фильтрации сигнала, выход которого соединен со вторым входом приемопередатчика, а также размещаемые в помещении, где расположено оборудование базовой станции, последовательно соединенные второй делитель мощности, включенный между антенной базовой станции и многоканальным приемопередатчиком, второй приемопередатчик, второй усилитель промежуточной частоты, второе устройство сопряжения с постовым кабелем внутрикорабельной связи, второе устройство преобразования и фильтрации сигнала, выход которого соединен со вторым входом второго приемопередатчика, при этом вторые входы устройств сопряжения с постовым кабелем внутрикорабельной связи соединены с соответствующими выходами постовых коммутационных центров, а вторые выходы соединены межпостовым кабелем из состава комплекса внутрикорабельной связи, каждое устройство преобразования и фильтрации состоит из последовательно соединенных первого полосового фильтра, смесителя, второго полосового фильтра и усилителя промежуточной частоты, а также гетеродина, выход которого соединен со вторым входом смесителя, а каждый приемопередатчик состоит из аналоговой части стандартного цифрового радиотелефона.
Каждое устройство сопряжения с постовым кабелем внутрикорабельной связи представляет собой два последовательно соединенных тройника. Вход первого тройника соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, а выход второго тройника соединен со входом устройства преобразования и фильтрации сигнала.
На фиг.2 показана блок-схема корабельной подсистемы сотовой подвижной связи. Она состоит из следующих элементов:
1 - антенна базовой станции.
2 - оборудование базовой станции.
3 - делитель мощности.
4 - многоканальный приемопередатчик базовой станции.
5 - контроллер базовой станции.
6 - транскодер.
7 - центр коммутации подвижной связи (ЦКПС).
8 - постовой коммутационный центр из состава комплекса внутрикорабельной связи (ВКС).
9 - низкочастотные межпостовые кабели из состава комплекса ВКС.
10 - абонентский радиотелефон.
11 - антенны-ретрансляторы.
12 - высокочастотный делитель мощности.
13 - репитер (ретранслятор).
14 и 18 - приемопередатчик.
15 и 19 - усилитель промежуточной частоты.
16 и 20 - устройство сопряжения с постовым кабелем внутрикорабельной связи.
17 и 21 - устройство преобразования и фильтрации.
На фиг.3 приведена схема устройства преобразования и фильтрации. Оно состоит из следующих элементов:
22 - первый полосовой фильтр.
23 - смеситель.
24 - второй полосовой фильтр.
25 - усилитель промежуточной частоты.
26 - гетеродин.
Приемопередатчик 14 и 18 предназначен для преобразования сигнала сотовой связи с высокой частоты на промежуточную в приемном канале и с промежуточной частоты на высокую частоту в передающем канале. Каждый приемопередатчик представляет собой аналоговую часть стандартного цифрового радиотелефона, структурная схема которого приведена на рис.3.50 стр.160 [1]. При этом первый вход приемопередатчика является его антенным входом, второй вход приемопередатчика соединен со входом смесителя передающего канала приемопередатчика, а выход усилителя промежуточной частоты приемного канала является выходом приемопередатчика.
Межпостовые кабели 9 из состава комплекса внутрикорабельной связи используются для передачи сигналов сотовой связи на промежуточной частоте между помещениями корабля. Структурная схема размещения коммутационных центров и связей между ними в корабельных постах и помещениях приведена на рис.8.5 стр.355 [5]. В соответствии с этой схемой каждый постовой коммутационный центр связан со всеми коммутационными центрами, расположенными в других помещениях корабля. Таким образом осуществляется связь всех помещений корабля с помощью кабелей 9, которые являются низкочастотными кабелями (например, марки КНРТ). По этим кабелям предлагается передавать сигналы сотовой связи на промежуточной частоте. Параметры такого сигнала следующие:
- модуляция сигнала - спектрально-эффективная гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK);
- ширина полосы гауссовского фильтра 80 кГц;
- 2-я промежуточная частота приемника порядка 5 МГц.
Распространение промежуточной частоты порядка 5 МГц по низкочастотному кабелю будет претерпевать затухание. Для кабеля марки КНРТ постоянная затухания на частоте 5 МГц составляет 0,0115 неп/м или 0,1 дБ/м. При длинах кабеля между постами от 10 до 100 м затухание сигнала составит от 1 до 10 дБ. Чтобы скомпенсировать потери сигнала при распространении в кабеле между помещениями корабля, используются усилители промежуточной частоты 15 и 19 с коэффициентом усиления до 20 дБ.
Высокочастотный делитель мощности 3 и 12 и репитер 13 являются стандартными элементами из состава оборудования для базовых станций [4].
Делители мощности 3 и 12 предназначены для распределения мощности между несколькими антеннами или между антенной и высокочастотным кабелем. Они также могут быть использованы для формирования разветвленных кабельных сетей как внутри, так и вне помещений.
Компания KATHREIN предлагает делители на все требуемые частотные диапазоны, на уровни подводимой мощности от единиц до 1000 Вт. Выпускаются модели с равным делением на 2/3/4 канала (splitter) и неравным делением на 2 канала (tapper) с потерями на деление 6/10/15 дБ. Коаксиальная конструкция и совершенная технология производства этих устройств обеспечивают уровень собственных потерь не более 0,05 дБ.
Репитер 13 является разновидностью антенного усилителя, но в отличие от последнего репитер "связан" с абонентскими радиотелефонами не по кабелю, а по радиоканалу. С одной стороны подключаются внешние антенны или подается высокочастотный сигнал от приемопередатчика, а с другой - внутренние антенны. С помощью внутренних антенн репитер ретранслирует (передает) сигналы от сотовых телефонов, находящихся на небольшом расстоянии (до 600 кв.м.). Репитер создает как бы одну маленькую соту, в зоне действия которой можно свободно перемещаться. При этом пользоваться репитером одновременно могут до нескольких десятков человек.
Примером может служить стандартная система на базе репитера Remotek RP12, которая содержит внешнюю антенну типа Yagi, которая посредством коаксиального кабеля соединяется с репитером. Репитер производит усиление принятого сигнала (коэффициент усиления 60dB). Далее сигнал через делитель мощности подается на внутренние антенны, которые переизлучают сигнал в помещении.
Корабельная подсистема сотовой подвижной связи работает следующим образом.
Абонент, находящийся в одном из помещений корабля, начинает разговор по сотовому радиотелефону 10. Высокочастотный сигнал через антенну радиотелефона 10, расположенную на задней крышке радиотелефона, излучается в помещении и принимается одной из антенн-ретрансляторов 11 репитера 13. В помещении корабля, загруженном разного рода оборудованием, придется установить несколько антенн-ретрансляторов, чтобы избежать «мертвых» зон и обеспечить связью членов экипажа, расположенных в разных точках помещения. Несколько антенн-ретрансляторов 11 соединяются с репитером 13 с помощью делителя мощности 12. Репитер-ретранслятор 13 принимает заданную полосу частот и усиливает ее в каналах Uplink и Downlink. Грамотный выбор типа антенн и мест их установки позволяет минимизировать интерференцию, присущую полосовым ретрансляторам. Изменяемый коэффициент усиления позволяет сконфигурировать и оптимизировать наилучшую зону покрытия. Достаточно высокая выходная мощность позволяет произвести деление высокочастотного сигнала между антеннами-ретрансляторами для различных внутренних конфигураций объектов предполагаемого размещения.
Ретранслятор контролирует собственные параметры работы и выдает соответствующую информацию на индикаторы при обнаружении сбоев и аварийных ситуациях. Внешние индикаторы перегрузки поканально Uplink и Downlink существенно упрощают процедуру инсталляции антенн-ретрансляторов таким образом, чтобы интерференция сигналов от нескольких антенн на входе приемопередатчика 14 была минимальной.
Высокочастотный сигнал попадает на вход приемопередатчика 14, усиливается в малошумящем усилителе и проходит двойное преобразование частоты. С выхода усилителя второй промежуточной частоты (ПЧ) приемопередатчика 14 сигнал поступает на вход усилителя промежуточной частоты 15 с целью компенсации потерь при дальнейшем распространении по низкочастотному кабелю 9 комплекса внутрикорабельной связи. Сигнал сотовой связи на второй ПЧ через устройство сопряжения 16 поступает в постовой кабель внутрикорабельной связи, и по нему поступает в помещение корабля с оборудованием базовой станции. Через устройство сопряжения 20 сигнал поступает на вход устройства преобразования и фильтрации 21, в котором осуществляется преобразование сигнала на промежуточную частоту (порядка 90 МГц). Преобразованный сигнал с выхода усилителя 26 поступает на передающий вход приемопередатчика 18, где преобразуется в высокочастотный сигнал, который через антенный вход приемопередатчика 18 и делитель мощности 3 поступает на вход многоканального приемопередатчика базовой станции 4 и антенну базовой станции 1. На этом завершается путь распространения сигнала сотовой связи от абонента до базовой станции.
Известно, что при функционировании сети сотовой связи осуществляется непрерывное взаимодействие базовой станции 2 с абонентом 10.
Обратный сигнал от базовой станции 2 к абоненту 10 распространяется по пути: делитель мощности 3, приемопередатчик 18, усилитель промежуточной частоты 19, устройство сопряжения 20, межпостовой кабель 9 комплекса ВКС, устройство сопряжения 16, устройство преобразования и фильтрации 17, передающий канал приемопередатчика 14, репитер 13, делитель мощности 12, антенна-ретранслятор 11 и радиотелефон абонента 10.
По межпостовому кабелю 9, расположенному между устройствами сопряжения 16 и 20, распространяются прямые и обратные сигналы сотовой связи между базовой станцией и радиотелефоном абонента. Однако эти сигналы не будут мешать друг другу, т.к. прием и передача одного абонента разнесены во времени, и сигналы разных абонентов также разнесены во времени: в стандарте GSM используется множественный доступ с временным разделением каналов (TDMA).
Дальнейшее взаимодействие базовой станции и абонента осуществляется стандартным образом. Сигнал может излучаться антенной базовой станции во внешнее пространство, а также передаваться в другие помещения корабля для связи с абонентами корабля по следующему пути: делитель мощности 3, приемопередатчик 18, усилитель промежуточной частоты 19, устройство сопряжения 20, межпостовой кабель 9 комплекса ВКС, устройство сопряжения 16, устройство преобразования и фильтрации 17, передающий канал приемопередатчика 14, репитер 13, делитель мощности 12, антенна-ретранслятор 11 и радиотелефон абонента 10.
Таким образом, предлагаемая корабельная подсистема сотовой подвижной связи может обеспечить сотовую связь между абонентами, находящимися в различных помещениях корабля, а также между абонентами корабля и внешними абонентами, находящимися в зоне покрытия антенн базовых станций.
Технико-экономический эффект от внедрения и использования корабельной подсистемы сотовой подвижной связи заключается в расширении области применения систем сотовой подвижной связи путем обеспечения возможности ее функционирования на кораблях и других подвижных объектах, на которых абоненты находятся в экранированных помещениях относительно антенны базовой станции. При этом абоненты получают сервисные услуги сотовой связи, а операторы - дополнительную прибыль за счет увеличения числа абонентов.
Литература
1. Андрианов В.И., Соколов А.В. Средства мобильной связи. - СПб.: BHV - Санкт-Петербург, 1998.
2. Remotek - ретрансляторы GSM. Реши проблему с плохой мобильной связью! 2008. Компания "Альфа Радио". 2008.
3. Беспроводное подземелье. Источник: Мобильные новости 15.01.2009 г. (Михаил Камишин), www.note.mnovosti.ru.
4. Алехин Ю.Н., Лазарева Е.В. Антенно-фидерные устройства для базовых станций сотовой и подвижной связи. ГСПИ РТВ. 2009 г.
5. Автоматизация управления и связь в ВМФ. / Под общ. ред. Ю.М.Кононова. Изд. 2-е. - СПб.: «Элмор», 2001.