7.2.2. Ефективне використання радіозасобів

В системі GSM існують високі вимоги на ефективне використання радіозасобів. Цій меті служать, з одного боку, описані раніше, точно підібраний алгоритм кодування мови та цифрова модуляція. Крім них, з іншого боку, в системі GSM використовуються також кілька інших спеціальних методів, які виконують подібні функції. Одним з них є процедура скакання по частотах (англ. frequency hopping), яка в принципі є одним з методів модуляції з розширеною смугою, але в системі GSM використовується з метою зменшення міжканальної інтерференції та підвищення рівня захищеності від завад. Наступним методом є керування потужністю рухомої станції (англ. power control). Це процедура, яка зменшує рівень радіосигналів в каналі. Слідуючим методом є, так звана, передача з випередженням (англ. timing advance). Метод дозволяє ефективно використовувати радіоканал майже весь час, під час тривання передачі і розташування окремих передавачів на різних відстанях від базової станції. Останнім методом є, так звана, переривчаста передача (англ. Discontinuous Transmission DTX ), яка дозволяє обмежувати трансмісію сигналу в моменти, коли абонент не є активним підчас триваючого з'єднання.

7.2.2.1. Скакання по частотах

Скакання по частотах (англ. Frequency Hopping FH ) є, поряд з системами з імпульсним кодуванням, одним з двох основних методів модуляції з розширеною смугою (англ. spread spectrum modulation). Метод скакання по частотах полягає в тому, що несуча частота модульованого сигналу циклічно змінюється і псевдовипадковим способом приймає одну з N можливих величин, причому типово N = 1000. В результаті отримують модульований сигнал, який займає дуже широку смугу, приблизно в N раз ширшу від смуги сигналів з модулядією амплітуди чи фази. Модульований сигнал таким чином набирає рис псевдошумового сигналу, його важко викрити, а також розшифрувати, він дуже завадостійкий. Можливо також одночасно передавати сигнали, які займають після модуляції той самий інтервал часу і ту саму смугу частоти. Такий спосіб називається кодовим розділення каналів CDMA.

В системі GSM метод скакання по частотах (FH) використано в іншому, менш тиловому застосуванні. Метою застосування методу FH було, з одного боку, зменшення залежності від якості трансмісії в окремому частотному каналі, а з іншого боку, зниження середнього рівня міжканальної інтерференції в сусідніх комірках. Скакання по частотах в версії, що використовується в системі GSM, може бути використане тільки в комірках, в яких використовується кілька частотних каналів (на практиці хоча б чотири). В такій ситуації фізичний канал організується за допомогою ряду часово-частотних інтервалів, які періодично повторюються, причому величина несучої частоти для даного фізичного каналу не є сталою, а змінюється циклічним способом в рамках певної групи частот. Переваги скакання по частотах видно, між іншим, в ситуації, коли в радіоканалі проявляються швидкі завмирання. Умови поширення в окремих частотних каналах можуть тоді значно відрізнятися одні від одних. Тоді і фізичний канал системи GSM, в якому застосовано скакання по частотах, використовує кожний з доступних частотних каналів. Отже статистичні характеристики поширення в фізичному каналі також можна усереднити, а якість трансмісії в окремих фізичних каналах є наближено однакова.

Іншою перевагою використання методу FH в системі GSM є обмеження впливу міжканальних завад, генерованих даною базовою станцією, на інші комірки, які використовують ті самі частоти. Розглянемо з цією метою схему, представлену на рис. 7.27, де показано дві комірки та позначено частоти, які використовуються в кожній. Вважатимемо, що перша комірка обслуговує відносно велике навантаження і має в своєму розпорядженні чотири частоти f_l, f₂ ,f₃ ,f₄, a друга комірка тільки одну частоту f_l. Комірки з рис. 7.27 використовують частково ті самі частотні канали, отже вони не є комірками, що межують між собою. Звернемо увагу на факт, що типово в кожній комірці (подібно як у всій мережі) значна кількість з'єднань не використовується. Для спрощення вважатимемо, що в даний момент в комірці №1 тільки частоти f_l і f₄ використовуються повністю (тобто 8 фізичних каналів), а решта частот не використовується. Якщо не буде використовуватись метод FH, то в канал f_l в комірці №2 будуть проникати дуже значні завади з каналу f_l комірки №1 (рис. 7.27а). Після застосування методу FH, всі частоти в комірці №1 будуть завантажені в рівній мірі, тобто на 50%, це означає, що як канал f_l так і f₂ в комірці №2 будуть в рівній мірі піддаватися впливу завад від комірки №1, з рівнем завад на 3 dB нижчим від максимального рівня. Отже, отримуємо середній (оптимальний) рівень міжканальних завад, що в контексті статистичних методів планування телекомунікаційних систем дає можливість понизити вимоги, що стосуються, наприклад, відстані між комірками, які використовують ті самі частоти і тим самим веде до збільшення ємності системи. Потрібно зауважити, що реальна ситуація в радіоканалі є набагато складнішою, наприклад, із-за застосування в обох комірках методу FH одночасно (для цього потрібно було б також кілька частотних каналів в комірці №2), але названі вище якісні показники, що стосуються обмеження впливу завад, залишаються правильними.

Скакання по частотах є визначене для кожної комірки, але не є обов'язковим для виконання кожною базовою станцією. Проте кожна рухома станція повинна мати можливість зміни своєї частоти на вимогу базової станції на основі отриманого від неї алгоритму. Такий наказ може бути виданий в результаті погіршення якості з'єднання, зауваженого блоком керування базовими станціями BSC. Тоді блок керування виділяє рухомій станції групу частот, в рамках якої вона буде змінювати несучу частоту для даного фізичного каналу та алгоритм змін. Існує кілька таких алгоритмів, вони понумеровані, а до рухомої станції передається номер алгоритму - HSN (англ. Hopping Sequence Number). Розрізняють циклічний алгоритм та псевдовипадкові алгоритми. Циклічний алгоритм полягає на виборі ряду частот з деякої групи: від першої до останньої, потім знову перша. Псевдовипадковий алгоритм полягає у виборі частоти на основі псевдовипадкового закону. Приклад утворення фізичного каналу при виконанні циклічного алгоритму скакання по частотах, для трьох частотних каналів, представлено на рис. 7.28.

Частота базової станції, на якій в нульовому часовому інтервалі передаються сигналізаційні канали FCCH, SCH і ВССН (англ. beacon frequency), завжди є сталою величиною. Ця частота використовується як спеціальна сигналізаційна частота для рухомих станцій і на основі неї рухомі станції проводять вимірювання потужності сигналу прийому, що надходить від сусідніх комірок та синхронізуються з системою.

Групи частот, в рамках яких рухома і базова станції змінюють свої частоти, можуть утворюватися незалежно для кожного часового інтервалу.

Використаний в системі GSM метод скакання по частотах дозволяє на практиці покращити приблизно на 2 dB співвідношення сигнал/шум. З іншого боку, метод FH вимагає використання в даній комірці кількох частот, тоді як в типових комірках на території з невеликим навантаженням руху базові станції укомплектовані часто тільки одним передавально-приймальним блоком TRX, який працює на одній, чітко визначеній частоті.

a) без скакання по частотах; b) із скаканням по частоті

Рис. 7.27 Застосування скакання по частоті для зменшення рівня спільно канальної інтерференції

Застосування скакання по частотах означає тоді необхідність монтажу в базовій станції додаткових передавально-приймальних блоків або доукомплектування базової станції блоком синтезу частот, який би змінював частоту роботи передавача при збереженні невеликої кількості фізичних каналів, що використовуються в даній комірці.