Propagarea undelor radio [302197]

CAPITOLUL 1.NOȚIUNI GENERALE

Propagarea undelor radio

Câmpul electromagnetic reprezintă o consecință a [anonimizat] (electric) variabil (în timp). [anonimizat], [anonimizat]:

dimensiunile sistemului radiant sunt comparabile cu lungimea de undă;

frecvența câmpului (oscilației) este suficient de ridicată;

Undele electromagnetice sunt variații (periodice) în timp si în spațiu ale câmpului electromagnetic. Acestea se propagă în spațiu cu viteza luminii și sunt generate în jurul antenelor de emisie. Sunt caracterizate de o serie de parametrii ca: intensitatea, polarizarea, [anonimizat].

[anonimizat]. [anonimizat]:

[anonimizat]: , [anonimizat], care sunt perpendiculari între ei și în același timp pe direcția de propagare.

[anonimizat], refracție, difracție, [anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat].

[anonimizat] a energiei, la distanță.Totalitatea frecvențelor (lungimilor de undă) posibile pentru unda electromagnetică constituie spectrul electromagnetic.

Pentru a [anonimizat] 1.1 în care se observă că există două puncte aflate la o anumită distanță între care trebuie să se asigure o legătură pentru a transmite un mesaj. [anonimizat], după care i se asociază o purtătoare și este transmis prin intermediul antenei în mediul de propagare. La recepție fenomenele se petrec în sens invers. [anonimizat], unde după decodarea canalului și a sursei, mesajul este refăcut.

Fig.1.1 Schema unui sistem de comunicații radio

După cum se poate constata din figura 1.1, [anonimizat] o [anonimizat], [anonimizat], etc. [anonimizat].

Canalul de propagare are o [anonimizat] a acestuia, pentru elaborarea unor modele care să fie cât mai apropiate de realitate.

Studierea fenomenelor care însoțesc propagarea undelor radio este foarte importantă în condițiile în care suntem martori la o cerere din ce în ce mai mare privind realizarea unor sisteme de comunicații care să nu limiteze mobilitatea utilizatorului, precum și la extinderea sistemelor de comunicații în zone foarte aglomerate, unde mediul de propagare își schimbă foarte repede proprietățile în timp.

Moduri de propagare

Propagarea undelor electromagnetice este descrisă de ecuațiile lui Maxwell, care afirmă că un câmp magnetic variabil produce un câmp electric, iar o schimbare a câmpului electric produce un câmp magnetic. Astfel, undele electromagnetice sunt capabile de auto-propagare.

Propagarea Line-of-Sight și Radio Horizon

În spațiul liber, undele electromagnetice sunt modelate ca înmulțire exterioară de la sursă în toate direcțiile, rezultând un front de undă sferică. O astfel de sursă se numește un radiator izotrop. Pe măsură ce distanța față de sursă crește, unda sferică (sau faza) frontală converge la un front de undă plană peste orice suprafață finită de interes, aceasta reprezentând modul de modelare a propagării. Direcția de propagare, în orice moment dat pe frontul de undă, este dată de produsul vectorial dintre câmpului electric (E) și câmpul magnetic (H) în acel punct. Astfel, polarizarea antenei de recepție trebuie să fie în mod ideal, la fel ca și polarizarea undei recepționate, iar polarizarea undei transmise să fie la fel cu cea a antenei de la care se transmite.

Acest produs vectorial este numit vectorul lui Poynting. Când vectorul lui Poynting este împărțit la impedanța caracteristică a spațiului liber, vectorul rezultat arată atât direcția de propagare cât și densitatea de putere.

Densitatea de putere pe suprafața unei sfere imaginare care înconjoară sursa de radiofrecvență poate fi exprimată astfel:

, ,

unde d este diametrul sferei imaginare, P este puterea totală a sursei, iar S este densitatea de putere la suprafața sferei.

Această ecuație arată că densitatea de putere a undelor electromagnetice este invers proporțională cu . În cazul în care este utilizată o deschidere fixă pentru a colecta energie electromagnetică la punctul de recepție, atunci puterea recepționată va fi de asemenea invers proporțională cu .

Viteza de propagare a unei unde electromagnetice depinde de mediul în care aceasta se propagă. În spațiul liber, viteza de propagare este de aproximativ:

Lungimea de undă a unei unde electromagnetice este definita ca fiind distanța parcursă de undă peste un ciclu (perioadă) și în general, este notată cu litera greacă lambda, iar unitatea de măsură este metrul sau altă unitate de măsură a distaței.

Atunci când se analizează linia de vizare (LOS), este necesar să se ia in considerare curbura pământului (figura 1.2). Curbura pământului este o limită geometrică fundamentală asupra propagării LOS. Dacă distanța între emițător și receptor este mai mare în comparație cu înalțimea antenelor, LOS poate să nu existe. Cel mai simplu model este de a trata Pământul ca o sferă cu o rază echivalentă cu raza ecuatorială a Pământului.

Știim că :

Prin urmare:

,

Fig.1.2 Geometria propagării LOS pe pământ curbat

Raza Pământului este de aproximativ 3960 mile la ecuator. Un mijloc de corectare acceptat pentru curbura Pământului este de a aproxima raza cu 4/3.

Această aproximare oferă o metodă rapidă de determinare a distanței până la orizontul radio pentru fiecare antenă, iar suma lor reprezintă distanța maximă de propagare LOS între cele două antene.

Propagarea Non-LOS

Există mai multe mijloace de propagare a undelor electromagnetice dincolo de propagarea LOS. Mecanismele de propagare Non-LOS variază considerabil în funcție de frecvența de lucru. La frecvențe VHF și UHF, propagarea indirectă este folosită frecvent. Exemple de propagare indirectă sunt telefoanele mobile, pagere și unele echipamente de comunicații militare. Pentru aceste sisteme, LOS poate exista sau nu. În absența unei căi LOS, difracția, refracția, sau reflexiile pe căi multiple sunt moduri dominante de propagare.

Difracția reprezintă un fenomen asociat cu ocolirea de către unde a obstacolelor apărute in calea lor.

Refracția reprezintă curbarea undelor electromagnetice datorită neomogenității în mediu.

Reflexiile pe căi multiple reprezintă efectul reflexiilor pe mai multe obiecte în câmpul vizibil, ceea ce poate avea ca rezultat mai multe exemplare diferite ale undei care ajunge la receptor.

Efectele propagării undelor electromagnetice deasupra orizontului sunt reprezentate de următoarele tipuri de unde: sky waves, ground waves și undele troposferice. În comunicarea radio, sky waves se referă la propagarea undelor reflectate sau refractate înapoi spre Pământ din ionosferă (un strat electric perceput din partea superioară a atmosferei). Deoarece nu este limitată de curbura Pământului, propagarea sky wave poate fi folosită să comunice dincolo de orizont, la distanțe intercontinentale. Ground waves include unde de suprafață, care se propagă aproape de suprafața Pământului, fară a fi reflectate sau refractate de atmosferă, reprezentând un mod de propagare dominant la frecvențe joase. Undele troposferice sunt acele unde electromagnetice care rămân și se propagă în atmosfera joasă.

Propagarea indirectă

Propagarea indirectă descrie propagarea terestră unde LOS este obstrucționată. În astfel de cazuri, reflexia și difracția din jurul clădirilor pot oferi suficientă putere semnalului pentru a avea loc o comunicare semnificativă. Eficacitatea propagării indirecte depinde de puterea semnalelor reflectate. Frecvența de operare are un impact semnificativ asupra viabilității propagării indirecte, frecvențele mai mici de lucru fiind mai bune.

Propagarea troposferică

Troposfera reprezintă domeniul inferior al atmosferei, unde au loc fenomenele meteorologice. Se consideră că troposfera are o înălțime teoretică de aproximativ 20 km, aceasta variind însă, în funcție de zona geografică, astfel: la poli are o înălțime de 8-10 km, în zonă temperată o înălțime de 10-12 km, iar la ecuator o înălțime de 16-18 km.

Troposfera este caracterizată de o serie de parametrii: presiunea atmosferică (scade cu înălțimea), temperatura și umiditatea troposferică, care se datorează existenței în troposferă a vaporilor de apă a căror cantitate variază cu înălțimea.

Proprietatea cea mai importantă a troposferei este micșorarea temperaturii cu înalțimea.

În timpul propagării undelor radio prin troposferă, au loc următoarele fenomene:

curbarea traiectoriei undelor datorită fenomenului de refracție troposferică;

rotirea planului de polarizare (efect Faraday);

absorbția undelor;

dispersia undelor radio;

întârzierea undelor datorită micșorării vitezei de propagare;

Propagarea ionosferică

Trasmiterea semnalelor de comunicații prin refracție și reflexie de la ionosferă reprezintă una din cele mai vechi forme de rediocomunicație. Undele ionosferice se pot propaga mii de kilometrii de la emițător, ele au reprezentat singura modalitate de comunicare cu navele aflate în larg până la inventarea sateliților de comunicație.

Prin ionosferă se înțelege acel domeniu ionizat al atmosferei care se află la înălțimi mai mari de 60 km față de suprafața Pământului.

La suprafața Pămantului sosesc numai acele raze ultraviolete a căror lungime de undă depășeste 2900 Å. Razele ultraviolete, mai scurte, sunt în întregime absorbite în straturile superioare ale atmosferei. Ionizarea atmosferei poate fi produsă numai de acele particule, a căror viteză depașeste 2100 km/s.

Principala sursă de ionizare a atmosferei o reprezintă soarele. Alte surse de ionizare sunt: meteoriții, stelele, razele cosmice și praful cosmic.

Ionosfera prezintă patru straturi ionizate distincte, care au primit denumirea de stratul D, E, și , în ordinea înălțimilor la care se găsesc.

Ziua se pot distinge patru domenii: D (60-90 km), E (100-140 km), (180-240 km), (230-400 km). Noaptea straturile D și dispar, iar concentrația electronică a straturilor E și se micșorează într-o oarecare măsură.

Straturile D, E și sunt straturi foarte stabile, iar în stratul apar foarte des perturbații ionosferice.

Fig.1.3 Variația densității de ioni în atmosfera din jurul Pământului

în funcție de înălțime

Împărțirea spectrului radio în benzi de frecvență

Împărțirea spectrului radio pe benzi este prezentată în tabelul 1.4.

Tabelul 1.4 Împărțirea spectrului în benzi

Banda de microunde (500 MHz – 40 GHz) a fost împărțită în subbenzi, conform tabelului 1.5.

Tabelul 1.5 Împărțirea pe subbenzi a spectrului de microunde

Proprietățiile de propagare depind de frecvență, după cum urmează:

la frecvențe extrem de joase (ELF 300 – 3000 Hz) și frecvențe foarte joase (VLF 3 – 30 kHz):

undele radio se propagă între suprafața solului și ionosferă;

pătrund în sol și apă;

proprietățile de propagare sunt stabile;

Principalele aplicații în această gamă sunt reprezentate de sisteme de comunicații în subsol (mine), sisteme radio de navigație, servicii de comunicații fixepe distanțe foarte mari, sisteme de comandă la distanță pentru dispozitive îngropate.

la frecvențe joase (LF 30 – 300 kHz):

se propagă ca unde troposferice și unde ionosferice, care pot apărea pentru frecvențe mai mari de 100 kHZ;

se poate să apară fadingul la distanțe scurte datorită interferențelor între undele troposferice și cele ionosferice;

pe distanțe mari poate să apară fading datorită fluctuațiilor produse de reflexiile în ionosferă;

Principalele aplicații ale undelor electromagnetice în această bandă sunt reprezentate de sisteme radio de navigație pe distanțe medii, servicii de comunicații fixe pe distanțe mari, sisteme de radiodifuziune (AM 54-160 kHz).

la frecvențe medii (300 – 3000 kHz):

undele ionosferice sunt separate de cele troposferice;

undele troposferice sunt folosite la frecvențe joase;

undele ionosferice sunt utilizate la frecvențe înalte;

pierderile de propagare ale undelor troposferice sunt relativ; mari, cu toate astea, se pot realiza legături de până la 100 km ;

Principalele aplicații ale undelor electromagnetice în această bandă sunt reprezentate de servicii de comunicații fixe și mobile, sisteme de radiodifuziune cu semnale modulate în amplitudine, sisteme de navigație pentru marină.

la frecvențe înalte (3 – 30 MHz):

modul de propagare principal este cel ionosferic;

sunt posibile reflexii multiple între ionosferă si sol;

Principalele aplicații ale undelor electromagnetice în această bandă sunt reprezentate de comunicații fixe punct la punct, sisteme de comunicații militare, sisteme de difuzare pe suprafețe mari.

la frecvențe foarte înalte (30 – 300 MHz):

datorită refracției și difrecției undele electromagnetice se pot propaga dincolo de orizont;

propagarea este afectată de clădiri și forma terenului

este posibilă propagarea în spatele obstacolelor datorită difracției;

Principalele aplicații în această gamă constau în servicii de comunicații terestre mobile, rețele radio militare, balize radio pentru navigație.

la frecvențe ultraînalte (SHF 300MHz – 30 GHz ):

la frecvențe mai mari de 10 GHz principalul factor de limitare este absorbția datorată ploii, prafului și norilor;

straturile atmosferice creează semnale de interferență;

apar reflexii de la teren și de la clădiri;

Principalele aplicații în această gamă sunt reprezentate de servicii satelitare pentru telefonie și televiziune, servicii de comunicații mobile, detecția de la distanță prin sateliți.

Principiile de bază ale telefoniei celulare

Fundamente ale sistemelor mobile de telecomunicații

Dezvoltarea extrem de rapidă a sistemelor mobile de telecomunicații a avut ca și rezultat extinderea tipurilor și numărului de servicii oferite abonaților. Trecerea de la societatea industrială și postindustrială la cea informațională a accentuat nevoia de comunicare, și ca urmare, de sisteme care să asigure suportul tehnic necesar. Transmiterea informației se realizează astăzi cu sisteme de comunicații clasice (cu fir sau fară fir) și prin intermediul rețelelor de calculatoare.

În ciuda unor complexități ridicate a sistemelor actuale, principalele caracteristici ale acestora sunt comune cu cele ale primelor sisteme mobile. Toate sistemele au avut de rezolvat o serie de probleme comune, pentru care s-au găsit soluții diferite de la un sistem la altul. Dintre acestea se pot aminti:

Problemele de propagare – mediul radio este un mediu cu caracteristici diferite de mediul rețelelor fixe: semnalele sunt puternic atenuate, apar reflexii și interferențe cu alte semnale;

Probleme de gestionare a resurselor – mediul radio este o resursă limitată, iar pentru sistemele mobile nu se poate aloca decât o porțiune din acesta. Creșterea numărului de utilizatori conduce la necesitatea găsirii unor metode mai eficiente de gestionare.

Probleme de interconectare cu rețelele fixe – orice sistem mobil trebuie să poată fi conectat la rețeaua fixă.

Probleme de mobilitate – dacă în rețelele fixe punctul de acces al unui abonat în rețea este tot timpul identic, în sistemele mobile acest lucru nu mai este valabil. Poziția unui echipament mobil se poate modifica atât în timpul comunicației propriu-zise, dar și independent de aceasta. Este absolut necesar ca în orice moment să se cunoască cu exactitate poziția fiecărui abonat din sistemul mobil.

Toate problemele menționate anterior sunt generate de două aspecte fundamentale, care diferențiază sistemele mobile de cele fixe:

O parte a comunicației în care este implicat orice abonat mobil se desfășoară pe mediul radio.

Abonatul din sistemul mobil este susceptibil de a-și modifica poziția geografică și implicit punctul de acces în rețea.

1.4.2 Arhitectura unei rețele celulare

Sistemele de telefonie mobilă, denumite și sisteme de comunicații personale (Personal Communication Systems – PCS), sunt foarte populare și au avut o dezvoltare explozivă în ultimii ani. Ele furnizează servicii de comunicații duplex la viteza de deplasare a vehiculului, cu acoperire regională sau națională. Inițial, aceste sisteme au fost proiectate pentru vehicule și aveau antena montată pe mașină, însă au ajuns astăzi terminale de foarte mici dimensiuni și foarte ușoare, care pot fi utilizate în interiorul sau exteriorul clădirilor la viteza de deplasare a unui vehicul. Premisa de bază în cazul sistemelor celulare este refolosirea frecvenței de lucru, care este posibilă datorită pierderilor de propagare și presupune că aceeași frecvență poate fi reutilizată în locații diferite.

O rețea celulară este alcătuită dintr-o serie de stații de bază de joasă putere care gestionează comunicațiile dintr-o celulă. De asemenea stația de bază realizează periodic măsurători ale raportului semnal/interferență pentru toate comunicațiile aflate în celula sa. Atunci când acest raport scade sub valoarea de prag, se comută canalul radio alocat echipamentului mobil.

Un alt element component al arhitecturii unei rețele celulare îl constituie Centrul Mobil de Comutație (CMC), sau centrul de comutație a serviciilor mobile, care este un echipament foarte complex ce asigură interconectarea cu rețelele fixe: CMC trebuie să poată fi conectat la orice tip de rețea fixă: PSTN (rețeaua publică comutată), CPSTN (rețeaua publică cu comutație de pachete), ISDN (rețeaua digitală cu integrarea serviciilor). O altă funcție îndeplinită de CMC este gestionarea mecanismelor de transfer ale apelurilor; la modificarea poziției mobilului dintr-o celulă în altă celulă, mobilul va trebui, pentru menținerea apelului, să primească un canal radio în noua celulă.

CMC menține o bază de date proprie ce include identitatea și localizarea fiecărui mobil deservit, ceea ce îi permite asigurarea rutării apelurilor între doi abonați mobili, aflați în celule diferite. Modificarea poziției unui mobil dintr-o celulă într-alta va fi comunicată CMC-ului, care va face modificările corespunzătoare în baza de date proprie.

În mod obișnuit, un CMC poate deservi până la aproximativ 1000 de stații de bază sau, în echivalent, câteva sute de mii de abonați.

Spectrul de frecvențe aferent unui sistem mobil este partajat în benzi de frecvență. O bandă de frecvență definește un canal radio de comunicație (sau mai multe). Pentru a avea acces în sistem, unui mobil trebuie să i se aloce un canal radio prin care va comunica cu stația de bază. În sistemele mobile se separă canalele destinate comunicației pe sensul stație de bazămobil de cele destinate comunicației pe sensul mobilstație de bază. În funcție de spectrul alocat și lărgimea de bandă a unui canal radio, un sistem mobil dispune de un număr finit (și limitat) de canale radio.

Datorită caracteristicilor mediului de comunicație între mobil și stația de bază (mediu cu atenuări puternice și reflexii), precum și datorită necesității limitării puterii emise de un echipament mobil, semnalul emis poate deveni neinteligibil după numai câțiva kilometrii. O măsură a calității semnalului emis de un mobil îl constituie raportul semnal/interferență. Un semnal este inteligibil când raportul semnal/interferență este cel puțin egal cu o valoare de prag, aceasta fiind cuprinsă, de regulă, între 14 și 18 dB.

Aria de acoperire a unui sistem celular este împărțită în zone (celule),așa cum se poate observa și în figura 3.1, care nu se intersectează și unde anumite canale sunt asignate fiecărei celule. O celulă se poate defini ca fiind aria în interiorul căreia, oriunde s-ar afla un mobil, semnalul emis de stația de bază și recepționat de aceasta, este inteligibil. De asemenea, în această arie semnalele terminalelor mobile recepționate în stația de bază au un raport semnal/interferență superior unei valori de prag. Forma celulei se consideră a fi un hexagon regulat și oricare două celule sunt disjuncte (nu există o arie comună pentru două celule).

Figura3.1-sistem celular.refolosirea frecventelor de lucru+arhitectura

Dimensiunea unei celule este dependentă de mai mulți parametrii, din care cei mai importanți sunt structura geografică (relieful) a zonei deservite, numărul de utilizatori,etc. În mod normal o celulă are o rază de câțiva kilometrii. În mediile urbane, datorită traficului intens și a numărului mare de clădiri, aria de acoperire se divizează în:

microcelule (rază maximă de aproximativ 1 km) în medii urbane mediu populate;

picocelule (rază maximă de 1 – 300 m) în medii urbane dens populate;

Această divizare folosită în mediile urbane este necesară datorită numărului mare de clădiri precum și datorită zgomotului industrial, cauze ce conduc la o alterare a clarității semnalului la creșterea distanței.

Moduri de operare în rețele radio mobile

În zilele noastre, conceptul de rețea radio mobilă înglobează orice situație în care pozițiile emițătorului și receptorului nu sunt fixe, acestea putându-și schimba continuu poziția în spațiu. Rețelele radio mobile sunt utilizate într-o gamă largă de aplicații terestre, marine și aeriene, acestea bazându-se pe diverse tehnologii care au evoluat în timp. Astfel de sisteme ce utilizează rețelele radio sunt utilizate pentru comunicații de voce, aplicații de date, navigare și localizare.

Analizând aceste tehnologii, putem să ne facem o vedere de ansamblu despre toate tipurile de rețele mobile. În acest subcapitol vom avea în vedere câteva tipuri de rețele radio și tehnologii folosite pentru implementarea acestora, incluzând astfel și sistemele vechi, pe care mulți operatori încă le folosesc. Într-adevăr, rețelele mobile sunt în continuă modificare chiar dacă unele se află în curs de aplicare. Un motiv pentru care se utilizează tehnologiile vechi este durata de cicluri de achiziții publice, valabil în special în mediul militar, unde se pune problema costurilor și a eficienței costurilor. În unele cazuri, tehnologiile vechi încă satisfac cerințele rețelei, fără necesitatea de a recurge la altele noi, care sunt mai costisitoare și adesea, mai riscante din punct de vedere tehnic.

Nu vom încerca să descriem în totalitate fiecare tehnologie în parte, prezentând doar aspectele relevante cu privire la proiectarea unei rețele.

Unul din motivele pentru care există un număr mare de tehnologii radio disponibile este că fiecare tehnologie în parte, fiecare sistem, oferă o gamă de servicii, ce prezintă diferite beneficii pentru diverse grupuri de utilizatori. Utilizarea adecvată a unei anumite tehnologii pentru o cerință de rețea specifică va depinde de mulți factori, dintre care putem enumera:

eficacitatea costurilor;

tehnologia destinată unei anumite aplicații;

banda de frecvență autorizată a fi folosită;

funcționalitate;

securitate;

abilitatea de a satisface nivelurile de servicii(calitatea serviciilor oferite,tipul serviciilor,aria de acoperire);

nivelul de risc acceptat(capacitatea de a furniza servicii,fiabilitatea furnizorilor de infrastructură);

disponibilitatea;

interoperabilitatea cu sistemele existente sau alte sisteme aflate în raza de acoperire.

Fiecare din acești factori au anumite nivele de importanță, în funcție de fiecare proiect în parte. Pentru rețelele serviciilor de urgență, securitatea și abilitatea de a satisface nivelurile de servicii au o importanță maximă. Pentru rețelele comerciale, datele de proiectare vor trebui comparate cu bugetul și costul de implementare, ce reprezintă factori critici. În cazul unei competiții de piață, funcționalitatea și capacitatea de a asigura nivelurile de servicii pot fi aspecte cruciale. În majoritatea cazurilor va exista un compromis între mai mulți din acești factori. În aceste cazuri, este vitală luarea unei decizii corecte, în sistemele comerciale putând însemna diferența dintre succes și eșec pentru întreaga activitate.

Rețelele radio se pot împărți în funcție de modul lor principal de operare. Acesta va afecta atât aplicabilitatea lor cât și metodele de planificare utilizate pentru proiectare.

Modurile de operare sunt:

modul direct(direct mode);

un singur site(single site);

simulcast;

modul trunk;

Modul direct

Modul direct de operare este atunci când un utilizator intră în legătură direct cu o altă stație, sau un grup de stații, nemifiind nevoie de o stație de bază. Acesta este folosit în anumite rețele, de exemplu de poliție, atunci când lucrează în jurul unui incident, sau este folosit în special de forțele militare.

Apelurile pot fi efectuate către abonați individuali sau către un grup de utilizatori, depinzând de cine are fixată stația pe același canal.

Rețelele ce folosesc modul direct sunt adeseori reprezentate de rețelele radio militare de nivel tactic, utilizate pentru convorbirile pe distanțe mici, limitate în mod normal la echipe individuale. Sunt de asemenea utilizate de alte organizații ce necesită comunicații temporare peste suprafețe mici, ca de exemplu echipele de salvamontiști, echipele de căutare și salvare maritime etc.

Rețelele radio în mod direct prezintă anumite avantaje pentru acești operatori cum ar fi:

nu există costuri pentru infrastructură;

timpul de implementare foarte mic;

nu se limitează la un set de zone de serviciu;

simplu de operat, chiar și de operatorii nontehnici;

amprentă nepermanentă în spectrul radio;

intervalul scurt de comunicații în rândul abonaților este util pentru a preveni detecția de către inamic, interceptarea sau detectarea direcției.

În afară de avantaje, există un număr mare de constrângeri în ceea ce privește modul direct:

aria de acoperire scurtă a link-urilor va limita acoperirea maximă, negarantând că fiecare abonat poate accesa ceilalți abonați;

este potrivit doar pentru un număr mic de abonați, altfel traficul va limita performanțele sistemului;

abilitatea de a comunica depinde de disciplina radio;

foarte vulnerabil la bruiaj;

În ciuda acestor limitări, rețelele ce operează în modul direct vor continua să existe, chiar dacă acesta este doar un mod de operare cu alte moduri de transport disponibile. Folosirea lor pentru operații temporare va continua să fie cerută. În figura 1.5 este prezentat principiul de funcționare al modului direct.

Fig.1.5 Principiul de funcționare al rețelelor ce operează în modul direct

Un singur site(single site)

Cel mai simplu tip de rețea radio mobilă cu infrastructură fixă este reprezentat de rețeaua ʺsingle siteʺ, ce oferă acoperire pe o arie relativ restrânsă. Aceste sisteme folosesc de multe ori operarea simplex, fiecare abonat din rețea putându-se alătura unei conversații, dar numai o persoană poate vorbi. În mod tipic, ar trebui să fie un dispecer într-o locație centrală care să ofere o legătură cu restul lumii,cum ar fi controlorii de organizare. Acest aspect este prezentat în figura1.6, care ne arată un dispecer ce transmite un mesaj recepționat de toți abonații mobili din rețea.

Rețeaua radio mobilă de tip ʺsingle siteʺ este una din cele mai simple și mai vechi arhitecturi, fiind utilizată pe scară largă în diferite aplicații, incluzând:

aplicații aeronautice, pentru deplasările la sol în aeroporturi;

aplicații maritime pentru controlul portului și activități conexe;

întreprinderile mici ce operează intr-o zonă geografică limitată, ca de exemplu companiile de taxi;

servicii de urgență care încă folosesc tehnologie veche.

Arhitectura ʺsingle siteʺ are anumite limitări care o face nepotrivită pentru multe aplicații,incluzând:

acoperire limitată oferită de un singur site;

capacitate limitată datorită numărului de abonați și disciplinei lor radio;

predispoziția sistemului la abuz, când un abonat(de obicei abonat neautorizat) poate bloca sistemul transmițând continuu.

Oricum, sistemul încă prezintă câteva avantaje care-l fac potrivit pentru folosire în câteva circumstanțe, cum ar fi:

este ieftin,atât din punct de vedere al stației de bază cât și din punct de vedere al unităților mobile;

asigură o raza de acoperire mai mare decât modul direct de operare;

permite partajarea spectrului între mai mulți utilizatori;

oferă un standard simplu ce se folosește în întreaga lume(important pentru operații aeronautice și maritime);

pentru operațiunile combinate în care abonații pot avea acces la ambele direcții,atât downlink cât și uplink, permite abonaților să fie în cunoștință de cauză pentru a obține astfel o înțelegere a modului în care se desfășoară operațiunea.

Rețelele de tip ʺsingle siteʺ sunt în mod tipic foarte ușor de proiectat. Singurele variabile sunt reprezentate de locațiile antenei,înălțimile față de suprafața pământului și tipul acesteia. Atât puterea stației de bază cât și cea a unității mobile este de preferat să fie setate la maximul autorizat pentru acea aplicație. Locurile de amplasare a antenelor de emisie trebuie sa fie precise. Frecvențele vor fi asignate de către o autoritate de reglementare,licențele aplicându-se pentru o bandă licențiată disponibilă.

Rețeaua de tip ʺsingle siteʺ demonstrează că radiocomunicațiile nu depind întotdeauna de cele mai recente tehnologii și nevoi de proiectare, existând astfel o cerință de a păstra capacitatea de proiectării rețelelor în stiluri mai vechi.

Fig. 1.6 Un singur site(ʺsingle siteʺ)

Simulcast

Arhitectura simulcast sau cvasi-sincronă asigură o acoperire geografică extinsă, dar la un nivel redus de trafic. În acest caz, în loc să se folosească o stație de bază, se vor folosi mai multe stații de bază. Fiecare stație transmite aceeași informație pe aceeași frecvență și în mod sincronizat pentru a minimiza interferențele sau cel puțin să nu se manifeste la părțile importante ale rețelei. Arhitectura unei rețele simulcast este reprezentată în figura 1.7.

Abonații mobili aflați într-o arie acoperită de mai multe stații de bază vor trimite informația la fiecare stație de bază în parte. Semnalele recepționate la fiecare stație de bază sunt combinate, iar prin sistemul de “votare”, sistemul va alege cel mai puternic semnal recepționat. Celelalte semnale prezente, cu o putere mai mică dar și fază diferită vor fi ignorate. Aceasta poate imbunătați performanța uplink la marginea ariei de acoperire a rețelei. Pentru downlink, când semnalele de la două stații de bază ajung aproape la același nivel dar la faze diferite, sistemul mobil poate fi afectat de zgomot audio, ceea ce face mai dificilă înțelegerea mesajului vocal.

Arhitectura ʺsimulcastʺ a fost mult timp folosită pentru aplicații cum sunt serviciile de urgență, serviciile maritime care acoperă domenii mari și sisteme de comunicații aeronautice între sol și aeronavă.

Principalele avantaje ale arhitecturii ʺsimulcastʺ sunt următoarele:

cost redus de implementare a sistemului celular;

permite acoperirea unor arii mari folosind un minim de infrastructură;

este o tehnologie bine stabilită,ceea ce ne oferă un risc mai mic de implementare;

deoarece este bine stabilită,este potrivită pentru aplicații oriunde în lume;

deoarece este folosită o singură frecvență(sau o singură pereche de frecvențe), toți abonații vor auzi dispecerul și pot auzi calea ascendentă,prin urmare sunt ținuți la curent cu toate activitățile care au loc;

Principalele limitări sunt următoarele:

unitățile mobile trebuie să fie apte să lucreze cu întârzieri mari de propagare și trebuie să fie mult mai complexe(și de asemenea mai scumpe) decât alte sisteme;

nu poate lucra cu cereri mari de trafic.

Rețelele de tip ʺsimulcastʺ sunt mai greu de proiectat decât rețelele ʺsingle siteʺ ,din următoarele motive:

procesul de proiectare a unei rețele pentru a obține o anumită arie de acoperire este mult mai complex deoarece există mai multe variabile. În general, este de dorit să se aleagă site-uri situate în locații cât mai înalte. În unele cazuri,obiectivul este de a oferi o acoperire suplimentară pentru fiecare site nou adăugat, cu o suprapunere minimă peste acoperirea deja existentă. În alte cazuri, spre exemplu aplicațiile aeronautice,pot fi cerințe specifice de a avea o suprapunere de acoperire pentru a îndeplini cerințele de siguranță și pentru a oferi o disponibilitate mai mare;

proiectarea va trebui să includă planificarea pentru frecvențele de offset, întârzieri și trucuri pentru a ține interferențele departe de zonele operaționale;

este de asemenea necesar să se lege toate stațiile împreună prin rețeaua de telefonie fixă sau legături punct la punct,legături ce vor fi utilizate pentru ca apelurile să fie rutate în toată rețeaua.

Arhitectura ʺsimulcastʺ va continua să existe pentru câțiva ani, chiar dacă în majoritatea cazurilor, rețelele de tip ʺsimulcastʺ au fost înlocuite cu tehnologii mai moderne, cum ar fi TETRA în cazul rețelelor pentru servicii de urgență. Deși aceasta este în caz general, rețelele operative în zona maritimă și aeronautică vor persista o perioadă lungă de acum în colo.

Fig. 1.7 Arhitectura unei rețele simulcast

Sistemele radio de tip trunk

Pentru a oferi o capacitate de transfer mai mare abonaților mobili, crește numărul necesar de circuite disponibile. Un circuit este reprezentat de un canal individual de comunicație, care poate găzdui un apel la un moment dat. În funcție de tehnologia folosită, un circuit poate ocupa o frecvență(sau două în cazul comunicației duplex), un time-slot sau un cod. Cu toate acestea, nu va fi nevoie ca abonații mobili să ocupe un circuit permanent, în acest mod un circuit putând fi împărțit de mai mulți abonați. Acest fapt a dat naștere conceptului de rețele ʺtrunkʺ (cu resurse partajate), ilustrat în figura 1.8 unde este prezentată schematic diagrama unui sistem radio de tip ʺtrunkʺ cu un anumit număr de apeluri în desfășurare. În următoarea descriere, vom presupune că există doar un singur canal radio disponibil pentru abonații mobili dintr-o arie de serviciu pentru accesul fiecăruia la un nod într-un anumit moment. De asemenea este de reținut că, spre deosebire de celelalte cazuri, această rețea dispune de un număr de frecvențe ce pot fi folosite concomitent în zonele unde acoperirea a două sau mai multe stații de bază se suprapune. Pot fi utilizate aceleași frecvențe, dar în zone situate la distanță mare pentru a preveni interferențele.

Fig.1.8 Conceptul de rețea radio trunked

Nodurile de acces sunt reprezentate de stațiile de bază fixe, oferind accesul la restul prin rețeaua cablată. Centrele de comutare solicită traseu după caz. Aceasta înseamnă că apelul A, care vrea să ajungă la altă stație mobile dintr-o zonă diferită, va fi dat mai departe de nodul de acces la care se leagă acesta, și nu de fiecare nod de acces din rețea. Aceasta înseamnă că simultan cu apelul abonatului A, celelalte apeluri pot fi efectuate în același timp. Apelul B nu trece peste alte noduri de acces, dar va ajunge la o altă stație mobilă situată în aceeași arie de acoperire. În acest caz, apelul este tratat la nivel local fără a mai recurge la resursele centrelor de comutație. Apelurile C,E și F sunt toate efectuate către camera centrală de control și astfel nu mai apar în partea mobilă a rețelei. Apelul D este efectuat către o rețea complet diferită care poate fi o altă rețea radio sau un alt sistem,via centrele de comutație. În cele din urmă,în timp ce toate aceste apeluri au loc, apelul G este efectuat între două unități mobile pe frecvențe complet diferite și fără să utilizeze infrastructura fixă. Astfel,există șapte apeluri simultane ce trebuie tratate. Fiecare nod de acces are un apel în desfășurare, în timp ce infrastructura transportă cinci apeluri simultan.

Trebuie reținut că există și alți abonați în sistem care nu efectuează apeluri în tot acest timp, dar care sunt în continuare abonații sistemului. Pe diagramă sunt reprezentați 21 de abonați, aceștia efectuând apeluri la momente diferite de timp. După cum se observă în figură, 21 de abonați sunt deserviți de 7 noduri de acces și 4 frecvențe. În practică, sistemele reale vor fi mult mai mari și mai eficiente în ceea ce privește numărul de abonați deserviți de nodurile de acces și de frecvențe.

În concluzie, arhitectura rețelei radio de tip ʺtrunkʺ oferă o mulțime de canale disponibile pentru abonați.

Sistemele radio de tip ʺtrunkʺ prezintă câteva avantaje față de arhitecturile prezentate anterior cum ar fi:

aria de serviciu poate fi extinsă până la orice mărime din aria geografică, incluzând arii foarte largi;

sunt eficiente din punct de vedere spectral,prin refolosirea frecvențelor;

prezintă multe caracteristici de semnalizare cum ar fi apelul de grup, apelul de urgență și inhibarea unui anumit terminal mobil(pentru a șterge terminalele pierdute sau furate din lista de abonați);

prezintă capabilități de roaming, pentru ca abonații să se poate muta cu ușurință în întreaga rețea;

sunt mult mai eficiente din punct de vedere al costului decât sistemele celulare deoarece nu au nevoie de întreaga lor capabilitate de trafic;

cerințele de infrastructură sunt mai mici decât pentru sistemele celulare,astfel încât pot fi implementate mult mai rapid și mai ieftin.

Sistemele radio de tip ʺtrunkedʺ au fost utilizate pe scară largă pentru serviciul radio mobil atât public cât și privat(PMR-Private or Proffesional Mobile Radio), serviciile de urgență și rețelele militare. Tehnologiile moderne ca TETRA și TETRAPOL pot fi utilizate fie ca sisteme de radio ʺtrunkingʺ, fie ca sisteme celulare oferind astfel ceea ce este mai bun din ambele domenii.

Principalele dezavantaje ale rețelelor radio de tip ʺtrunkedʺ sunt legate de faptul că sunt mai scumpe față de modalitățile de implementare mai simple putând trata un nivel de trafic mai redus decât infrastructurile celulare.

În domeniul proiectării unei rețele radio, aspectele cruciale ale proiectării unei rețele radio de tip ʺtrunkedʺ vor include următoarele:

proiectarea acoperiri rețelei pentru a asigura o acoperire de rețea corespunzătoare serviciului dorit. Pentru sistemele cu densitate scăzută a traficului, aceasta va implica selectarea site-urilor bazate în principal pe capacitatea lor de a acoperi zone mari. Pentru sistemele cu un nivel ridicat al traficului, site-urile care oferă o acoperire extinsă nu sunt de dorit;

furnizarea capacității de a satisface cererile de trafic din rețea;

reglarea individuală a acoperirii site-urilor pentru a satisface cerințele de trafic;

asignarea frecvențelor în scopul minimizării interferențelor;

handover-ul apelului(predarea apelului către altă stație de bază);

interconectarea arhitecturilor.

Sistemele radio ʺtrunkedʺ reprezintă mai degrabă o abordare a arhitecturii de rețea decât o tehnologie specifică. Exemplele includ sistemele de alertă militare sau rețelele TETRA.