Принципы построения и технические проблемы систем сотовой связи

Система сотовой связи – это сложная и гибкая техническая система, допускающая большое разнообразие, как по вариантам конфигурации, так и по набору выполняемых функций. А именно, эта система может обеспечивать передачу речи и других данных (факсов, компьютерных данных, видео и так далее). При этом при передаче речи может быть организована обычная телефонная, двухстороння связь, многосторонняя связь, голосовая почта и так далее.

Функциональная схема. Система сотовой связи строится в виде совокупности ячеек, расположенных в виде ячеистой структуры.

Рисунок 1

Шестиугольная форма ячеек наибольшим образом подходит для применения принципа повторного использования частот, это основной принцип сотовой связи. В центре каждой ячейки имеется так называемая базовая станция, которая связана с центром коммутации. Базовая станция обслуживает мобильный телефон и связывается с центром коммутации, который осуществляет связь.

Сотовая связь имеет иерархическую структуру. Ячейки в реальной жизни не имеют четкой формы и границ, так как передача радиоволн зависит от погоды, рельефа и т.д. В связи с этим границы передачи обслуживания подвижной станции из одной ячейки в другую может смещаться, в зависимости от условий распространения радиоволн и направления движения подвижной станции. В связи с этим базовые станции расположены не в центре ячейки. Более того, если базовая станция имеет направленную антенну, то фактически базовые станции находятся на границе ячеек. Система так же может иметь несколько центров коммутации

Рисунок 2

Возникает вопрос: а где граница системы сотовой связи. В каждой системе сотовой связи присутствует домашний регистр, это база данных, отвечающая за базу данных подвижных станций.

Следующая особенность связана с построением базовых станций. Стандарты GSM – в нем присутствует понятие система базовой станции (СБС), в которую входит контроллер базовой станции, и несколько (как правило до 16) базовых приемо-передающих станций. Контроллер помогает уменьшить количество передач подвижной станции между базовыми станциями.

Подвижная станция

Подвижная станция наиболее просто по функциональному назначению и структурно состоит из 3 основных блоков:

1. Блок управления

2. Приемо-передающий блок

3. Антенный блок

Рисунок 4

Антенный блок самый простой по своему составу. Включает непосредственно антенну (в простейшем случае – четверьволновый штырь) и коммутатор приема передач, который представляет собой электронный коммутатор, подключающий антенну либо на выход передатчика, либо на вход приемника, так как подвижная станция никогда не работает на прием и передачу одновременно.

Функционально не сложен и блок управления, содержащий по сути 4 устройства: динами, дисплей, клавиатуру и микрофон.

Приемо-передающий блок значительно сложнее:

В состав передатчика входят:

• Аналого-цифровой преобразователь (АЦП), преобразующий информацию с выхода микрофона в цифровую форму, и вся последующая обработка и передача сигнала речи выполняется в цифровой форме, вплоть до обратного цифро-аналогового преобразования.

• Кодер речи – осуществляет кодирование сигнала речи, то есть преобразование сигнала, имеющего цифровую форму по определенным законам с целью сокращения его избыточности, то есть с целью сокращения объема информации, передаваемой по каналу связи

• Кодер канала – добавляет в цифровой сигнал, получаемый с выхода кодера речи, дополнительную информацию, предназначенную для защиты от ошибок при передаче сигнала по линии связи. С той же целью информация подвергается определенной переупаковке. Кроме того кодер канала вводит в состав передаваемого сигнала управляющую информацию, поступающую от логического блока.

• Модулятор – осуществляет перенос кодированного сигнала на несущую частоту

Приемник по составу соответствует передатчику, только функции обратные:

• Демодулятор – выделяет из модулированного сигнала кодированный сигнал, несущий информацию.

• Декодер канала выделяет из входного потока управляющую информацию и направляет ее в логический блок. Принятая информация проверяется на наличие ошибок и выявленные ошибки по возможности исправляются. Принятая информация подвергается обратной переупаковке.

• Декодер речи восстанавливает поступающий на него с кодера канала сигнал речи, переводя его в естественную форму.

• Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует принятый сигнал речи в аналоговую форму и подает его на вход динамика.

Кроме передатчика и приемника существует еще логический блок и синтезатор частот.

Логический блок – это по сути своей микрокомпьютер со своей оперативной и постоянной памятью, осуществляющий управление работой подвижной станции.

Синтезатор является источником колебаний несущей частоты, используемой для передачи информации по радио каналу.

Приведенная схема является упрощенной, потому что в зависимости от стандарта и реализации блоки могут добавляться и удаляться.