Тема 2 сотовые системы связи с подвижными объектами

Территориальное планирование сотовых сетей.

Система связи подвижной службы (ССПС) общего пользования является двухуровне-вой составной телекоммуникационной сетью, включающей систему мобильной радиосвя-зи (первый уровень) и телефонную сеть общего пользования — ТФОП (второй уровень).

Двухуровневая телекоммуникационная сеть (рисунок 2.1) обеспечивает функции комму-тации и распределения информации в каждой из составных частей.

Рисунок 2.1- Составная двухуровневая телекоммуникационная сеть

Элементы сети

Участки (1) составной сети являются радиолиниями, образованными между мобиль-ными станциями (MS) и базовыми станциями (BS). Участки (2) сети представляют много-канальные соединительные линии (СП) между BS и центром коммутации подвижной службы (ЦКПС). Участки (3) сети являются магистральными соединительными линиями (МОП) между радиоуровнем и фиксированной сетью ТФОП. Множество BS, размещае-мых по всей зоне обслуживания (ЗО) системы, позволяет обеспечивать устойчивую ра-диосвязь любого мобильного абонента радиоуровня, в какой бы точке ЗО он не находился,

с другим мобильным абонентом или с абонентом фиксированной сети ТФОП через ЦКПС. Таким образом ЦКПС выполняет роль автоматического радиокросса, обеспечи-вающего коммутацию различных MS между собой в ЗО, коммутацию MS с абонентскими телефонными аппаратами сети ТФОП, а также выход на ЦКПС других ЗО.

О собенности линий связи

Участки (1) составной сети (первичный пучок линий) могут рассматриваться как ли-нии с кратковременным занятием. Такие линии в процессе установления связи могут вес-ти себя как исправные, но из-за переходов в состояния плохого качества они не могут ис-пользоваться для дальнейшего обслуживания разговоров. Переходы линий радиосвязи в различные состояния и эквивалентны потерям вызовов.

Участки (2) составной сети могут строиться на основе линий радиорелейной связи (РРС), волоконно-оптических пиний связи (ВОЛС) и кабельных линий связи ( КЛС). Про-цессы коммутации и распределения каналов связи на участках (1) и (2) могут рассматри-ваться как процессы установления транзитной связи между MS и ЦКПС через BS.

30

Участки (3) составной сети формируются на основе выделенных каналов фиксирован-ной сети ТФОП. Процессы распределения каналов в МСЛ рассматриваются как предос-тавление свободных линий связи для обслуживания транзитных разговоров между або-нентами MS и абонентами сети ТФОП в требуемые моменты времени.

Таким образом, каналы ССПС являются составными каналами, объединяющими ра-диоуровень и уровень фиксированной сети (ТФОП) телекоммуникационной системы.

Т ерриториальные (сотовые) системы

Территориальные (сотовые) системы мобильной связи (рисунок 2.2б) явились резуль-татом дальнейшего развития транкинговых систем. Главное внимание уделялось обеспе-чению индивидуального вызова любого подвижного абонента системы на выделенной ра-бочей частоте.

Рисунок 2.2- Организация радиосвязи в транкинговых (а) и сотовых системах (б)

Принцип организации связи

Основным принципом организации связи в сотовых системах является создание ра-дионаправлений с ретрансляцией сигналов. Радионаправления формируются между двумя любыми MS зоны обслуживания, а также между любой MS и телефонным аппаратом або-нента стационарной телефонной сети связи.

Основным способом улучшения качества радиоканалов явилось устранение теневых зон путем деление всей зоны обслуживания на более мелкие субзоны путем введения множества BS.

Для централизованного управления системой все BS субзон соединяются с помощью соединительных линий (СП) со специальной диспетчерской станцией , называемой цен-тром коммутации подвижной службы (ЦКПС). Каждая BS обслуживает свою территорию, поэтому такие системы называются территориальными. Зона обслуживания системы представляет мозаичную картину, составленную из субзон, и напоминает сотовую струк-

31

туру, поэтому территориальные мобильные системы часто называются сотовыми систе-

мамиНаращивание количества сот позволяет теоретически неограниченно расширять площадь зоны обслуживания, причем качество радиоканалов будет высоким независимо от расположения MS в любой точке зоны.

Обеспечение связности системы

В пределах каждой соты соблюдается условие связности, т. е. каждая BS устанавли-вается в точку, обеспечивающую устойчивую связь с любой MS, находящейся в пределах площади соты. Достоинствами сотовой системы мобильной связи являются высокое каче-ство каналов с мобильными абонентами независимо от того, в какой точке территории они находятся, а также возможность создания больших зон обслуживания.

К недостаткам сотовых систем относятся существенное увеличение количества кана-лов радиосвязи и сложности оборудования и инфраструктуры , обеспечивающей связь сис-темы со стационарной сетью телефонной связи. Поскольку все коммутации в сотовых системах связи обеспечиваются с помощью ЦКПС, то надежность его работы будет опре-делять надежность работы всей системы.

Выбор геометрических параметров ячейки.

Внедрение систем сотовой связи позволило решить проблему экономичного исполь-

зования выделенной полосы радиочастот путем передачи сообщений на одних и тех же частотах и увеличить пропускную способность телекоммуникационных сетей. Свое на-звание они получили в соответствии с сотовым принципом организации связи, согласно которому зона обслуживания (территория города или региона) делится на ячейки (соты).

Эти системы подвижной связи построены в соответствии с сотовым принципом рас-пределения частот по территории обслуживания (территориально-частотное планирова-ние) и предназначены для обеспечения радиосвязью большого числа подвижных абонен-тов с выходом в телефонную сеть общего пользования.

Разделить обслуживаемую территорию на ячейки (соты) можно двумя способами:

либо основанным на измерении статистических характеристик распространения сигналов в системах связи, либо основанным на измерении или расчете параметров распростране-ния сигнала для конкретного района.

П ри реализации первого способа вся обслуживаемая территория разделяется на оди-

н аковые по форме зоны и с помощью закона статистической радиофизики определяются их допустимые размеры и расстояния до других зон, в пределах которых выполняются ус-ловия допустимого взаимного влияния. Для оптимального, т. е. без перекрытия или про-пусков участков, разделения территории на соты могут быть использованы только три геометрические фигуры: треугольник, квадрат и шестиугольник. Наиболее подходящей фигурой является шестиугольник, так как, если антенну с круговой диаграммой направ-ленности устанавливать в его центре, то будет обеспечен доступ почти ко всем участкам соты.

П ри использовании первого способа интервал между зонами, в которых используют-ся одинаковые рабочие каналы, обычно получается больше требуемого для поддержания взаимных помех на допустимом уровне. Более приемлем второй способ разделения на зо-ны. В этом случае тщательно измеряют или рассчитывают параметры системы для опре-деления минимального числа базовых станций, обеспечивающих удовлетворительное об-служивание абонентов по всей территории, определяют оптимальное место расположения базовой станции с учетом рельефа местности, рассматривают возможность использования направленных антенн, пассивных ретрансляторов и смежных центральных станций в мо-мент пиковой нагрузки и т. д.

Каждая из ячеек обслуживается своим передатчиком с невысокой выходной мощно-стью и ограниченным числом каналов связи . Это позволяет без помех использовать по-вторно частоты каналов этого передатчика в другой, удаленной на значительное расстоя-ние, ячейке. Теоретически такие передатчики можно использовать и в соседних ячейках.

Но на практике зоны обслуживания сот могут перекрываться под действием различных

32

Рисунок 2.3 - Условное графическое изображение соты и сайта.

а - круговая сота; б - сайт из трех 120 градусных сот; в - сайт из шести 60 градусных сот

факторов, например, вследствие изменения условий распространения радиоволн. Поэтому

• соседних ячейках используются различные частоты.

  • сотовой сети связи можно выделить следующие топологические структуры.

Сота – зона радиопокрытия антенны базовой станции (БС). Сота является наимень-шей структурной единицей сети. В зависимости от характера диаграммы направленности (ДН) антенны БС сота может быть круговой ( ширина ДН 360^○) или секторной (ширина ДН 120^○ или 60^○). В настоящее время наиболее популярны секторные 120 градусные соты. Размер соты характеризуется радиусом R, определяющим зону обслуживания БС. Следует подчеркнуть, что радиоизлучение БС распространяется заметно дальше расстояния R.

Сайт – совокупность нескольких смежных секторных сот, работа которых обеспечивается одной БС. Исторически

сайты появились как способ повышения емкости соты: одна круговая сота разбива-лась на несколько секторных. Поэтому ха-рактеристический размер зоны обслужи-вания сайта – R – такой же, как круговой соты. На рисунке 2.3 приведены условные графические обозначения соты и сайтов.

Важно помнить, что форма реальных зон покрытия сот и сайтов может сильно отличаться от этого условного образа.

Кластер – группа сот (сайтов), в пределах которой нет повтора радиочастот (номе-ров радиоканалов). Кластер используется как крупная типовая структура для планирова-ния больших территорий телефонизации. Кластеры могут состоять из круговых сот (на-пример, классическая «ромашка» из 7 сот) или сайтов с секторными сотами.

Принципы организации связи и повторного использования частот

Основной идеей, на которой базируется принцип сотовой связи, является повторное использование частот в несмежных сотах. Первым способом организации повторного ис-пользования частот, который применялся в аналоговых системах сотовой подвижной свя-зи первого поколения, был способ, использующий антенны базовых станций с круговыми диаграммами направленности. Он предполагает передачу сигнала одинаковой мощности по всем направлениям, что для абонентских станций эквивалентно приему помех от всех базовых станций со всех направлений.

Сотовая топология позволяет многократно увеличить абонентскую емкость системы по сравнению с системами радиальной структуры и охватить сколь угодно большую зону обслуживания без ухудшения качества связи и расширения выделенного частотного диа-пазона. Вместе с тем использование сотового принципа построения предполагает и ряд усложнений, касающихся определения текущего местоположения мобильного абонента и обеспечения непрерывности связи при перемещении его из одной соты в другую. Соот-ветствующая процедура получила название эстафетной передачи (англ. Handoff или handover).

В ысокая спектральная эффективность в этом случае достигается ценой максимально частого повторного использования одних и тех же частотных полос, и с этой точки зрения наиболее предпочтительным был бы трехсотовый (или трехэлементный ) кластер, изобра-женный на рисунке 2.4а, где одинаковыми цифрами обозначены соты с совпадающими наборами частотных каналов.

Кроме того, каждой из сот кластера данного типа отводится частотная полоса, равная трети полного частотного диапазона, а значит, и треть общего числа каналов связи в сис-теме, что обеспечивает значительную абонентскую емкость соты. Вместе с тем частое по-вторение зон с одинаковыми полосами частот характеризуется заметным уровнем сока-нальных помех, т .е. помех от станций системы, работающих в той же полосе частот, но расположенных в несмежных сотах. Для уменьшения влияния соканальных помех более

33

выгодны кластеры с большим числом элементов, например 7-элементные, изображенные на рисунке 2.4б.

Рисунок 2.4 - Варианты структур кластера

Кроме того, каждой из сот кластера данного типа отводится частотная полоса, равная трети полного частотного диапазона, а значит, и треть общего числа каналов связи в сис-теме, что обеспечивает значительную абонентскую емкость соты. Вместе с тем частое по-вторение зон с одинаковыми полосами частот характеризуется заметным уровнем сока-нальных помех, т .е. помех от станций системы, работающих в той же полосе частот, но расположенных в несмежных сотах. Для уменьшения влияния соканальных помех более выгодны кластеры с большим числом элементов, например 7-элементные, изображенные на рисунке 2.4б. Можно показать, что расстояние D между центрами ячеек, в которых ис-пользуются одинаковые полосы частот, и число п_с элементов в кластере связаны соотно-

шением

(2.1)

где р - радиус ячейки, т.е. радиус окружности, описанной вокруг правильного шести-угольника. Параметр ξ определяемый соотношением

(2.2)

34

называют коэффициентом уменьшения соканальных помех или коэффициентом соканаль-

ного повторения. Для величины η= 1/п_с употребляют наименование коэффициент эф-

фективности повторного использования частот или коэффициент повторного использо-

вания частот. Увеличение числа элементов в кластере, благоприятно сказывающееся на уровне соканальных помех, приводит к пропорциональному уменьшению полосы частот, которая может быть использована в каждой соте, а значит, к снижению абонентской емко-сти соты.

Рассмотренные структуры кластеров предполагают использование на базовых стан-циях антенн с круговой диаграммой направленности, осуществляющих передачу сигнала по всем направлениям с одинаковой мощностью. Эффективным способом снижения сока-нальных помех является применение направленных (в горизонтальной плоскости) антенн с шириной диаграммы направленности 120 или 60°, в результате чего шестиугольная ячейка разбивается на 3 или 6 секторов, т.е. производится секторизация сот. В секторе сигнал излучается антенной только одну сторону, а уровень излучения в противополож-ном направлении сокращается до минимума. Таким образом, секторизация сот позволяет чаще использовать одинаковые полосы частот в кластерах без изменения их структуры,

либо в рамках прежней схемы повторения частот заметно снизить уровень соканальных помех. Если кластер состоит из п_с сот, каждая из которых содержит т_с секторов, то гово-рят, что размерность кластера (п_с, п_с х т_с).Типичными размерностями кластеров, широко применяемых на практике, являются (3, 9), (4, 12), (7, 21). На рис. 2.3в, д приведены воз-можный варианты распределения наборов частотных каналов в секторизованных класте-рах. Отметим, что разработка топологии ССМС является своеобразной и достаточно сложной задачей и на одном из этапов проводится частотно-территориальное планирова-ние.

Базовые станции, на которых допускается повторное использование выделенного на-бора частот, удалены друг от друга на расстояние D, называемое "защитным интервалом".

Именно возможность повторного применения одних и тех же частот определяет высокую эффективность использования частотного спектра в сотовых системах связи.

Смежные базовые станции, использующие различные наборы частотных каналов, образуют группу из С станций. Если каждой базовой станции выделяется набор из n кана-лов с шириной полосы каждого E, то общая ширина полосы, занимаемая системой сото-вой связи, составит

Fc =E·n·С.

Таким образом, величина С определяет минимально возможное число каналов в сис-теме, поэтому ее часто называют частотным параметром системы, или коэффициентом повторения частот. Коэффициент С не зависит от числа каналов в наборе и увеличивает-ся по мере уменьшения радиуса ячейки. Таким образом, при использовании ячеек мень-ших радиусов имеется возможность увеличения повторяемости частот.

Применение шестиугольных ячеек позволяет минимизировать ширину необходимого частотного диапазона, поскольку такая форма обеспечивает оптимальное соотношение между величинами С и D. Кроме того, шестиугольная форма наилучшим образом вписы-вается в круговую диаграмму направленности антенны базовой станции, установленной в центре ячейки.

Каждая из сот обслуживается многоканальным приемопередатчиком, называемым базовой станцией. Она служит своеобразным интерфейсом между сотовым телефоном и центром коммутации подвижной связи, где роль проводов обычной телефонной сети вы-полняют радиоволны. Число каналов базовой станции обычно кратно 8, например, 8, 16, 32... Один из каналов является управляющим (control channel). В некоторых ситуациях он может называться также каналом вызова (calling channel). В этом канале происходит не-посредственное установление соединения при вызове подвижного абонента сети, а сам разговор начинается только после того, как будет найден свободный в данный момент ка-нал и произойдет переключение на него. Все эти процессы происходят очень быстро и по-

35

тому незаметно для абонента. Он лишь набирает нужный ему телефонный номер и разго-варивает, как по обычному телефону.

Любой из каналов сотовой связи представляет собой пару частот для дуплексной связи, т. е. частоты базовой и подвижной станций разнесены. Это делается для того, чтобы

улучшить фильтрацию сигналов и исключить взаимное влияние передатчика на приемник одного и того же устройства при их одновременной работе.

Все базовые станции соединены с центром коммутации подвижной связи (коммута-тором) по выделенным проводным или радиорелейным каналам связи (рисунок 2.5). Центр коммутации подвижной связи ЦКПС — это автоматическая телефонная станция системы сотовой связи, обеспечивающая все функции управления сетью.

Она осуществляет постоянное слежение за подвижными станциями, организует их эстафетную передачу, в процессе которой достигается непрерывность связи при переме-щении подвижной станции из соты в соту и переключение рабочих каналов в соте при по-явлении помех или неисправностей, производит соединение подвижного абонента с тем, кто ему необходим в обычной телефонной сети и др.

1- базовая станция; 2 – подвижная станция; ЦКПС – центр коммутации подвижной связи; ТСОП – теле-фонная сеть общего пользования; АБ – абонент.

Рисунок 2.5– Схема построения сотовой связи.

Несмотря на разнообразие стандартов сотовой связи, алгоритмы их функционирова-ния, независимо от имеющихся особенностей, в основном сходны. Для абонента практи-чески нет никакой разницы, в каком стандарте осуществляется связь. Если ему нужно по-звонить, то он просто нажимает клавишу на своем радиотелефоне (это может быть любой сотовый радиотелефон), что соответствует снятию трубки обычного телефона. Когда же радиотелефон находится в режиме ожидания (состояние “трубка положена” обычного те-лефона), его приемное устройство постоянно сканирует (просматривает) либо все каналы системы, либо только управляющие. Для вызова соответствующего абонента всеми базо-выми станциями сотовой системы связи по управляющим каналам передается сигнал вы-зова. Сотовый телефон вызываемого абонента при получении этого сигнала отвечает по одному из свободных каналов управления. Базовые станции, принявшие ответный сигнал, передают информацию о параметрах сигнала в центр коммутации, который, в свою оче-редь, переключает разговор на ту базовую станцию, где зафиксирован максимальный уро-вень сигнала сотового радиотелефона вызываемого абонента.

36

Во время набора номера радиотелефон занимает один из свободных каналов, уровень сигнала базовой станции в котором в данный момент максимален. По мере удаления або-

нента от базовой станции или в связи с ухудшением условий распространения радиоволн уровень сигнала уменьшается, что ведет к ухудшению качества связи. Улучшение качест-

ва разговора достигается путем автоматического переключения абонента на другой канал связи. Это происходит следующим образом. Специальная процедура, называемая переда-чей управления вызовом или эстафетной передачей (в иностранной технической литера-туре — handover, или handoff), позволяет переключить разговор на свободный канал дру-гой базовой станции, в зоне действия которой оказался в это время абонент. Аналогичные действия предпринимаются при снижении качества связи из-за влияния помех или при возникновении неисправностей коммутационного оборудования. Для контроля таких си-туаций базовая станция снабжена специальным приемником, периодически измеряющим

уровень сигнала сотового телефона разговаривающего абонента и сравнивающим его с допустимым пределом. Если уровень сигнала меньше этого предела, то информация об этом автоматически передается в центр коммутации по служебному каналу связи. Центр коммутации выдает команду об измерении уровня сигнала сотового радиотелефона або-нента на ближайшие к нему базовые станции. После получения информации от базовых

станций об уровне этого сигнала центр коммутации переключает радиотелефон на ту из них, где уровень сигнала оказался наибольшим. Это происходит так быстро, что абонент совершенно не замечает переключений.

Иногда возникает ситуация, когда поток заявок на обслуживание, поступающий от абонентов сотовой сети, превышает количество каналов, имеющихся на всех близко рас-положенных базовых станциях. Это происходит тогда, когда все каналы станций заняты обслуживанием абонентов и нет ни одного свободного, и поступает очередная заявка на обслуживание от подвижного абонента. В этом случае как временная мера (до освобожде-ния одного из каналов) используется принцип эстафетной передачи внутри соты (так на-зываемая СКИП-процедура). При этом происходит поочередное переключение каналов в пределах одной и той же базовой станции для обеспечения связью всех абонентов.

Одна из важных услуг сети сотовой связи — предоставление возможности использо-вания одного и того же радиотелефона при поездке в другой город, область или даже страну, причем сотовая сеть позволяет не только самому абоненту звонить из другого го-рода или страны, но и получать звонки от тех, кто не успел застать его дома. В сотовой радиосвязи такая возможность называется роуминг (от англ. roam — скитаться, блуждать). Для организации роуминга сотовые сети должны быть одного стандарта (телефон стан-дарта GSM не будет работать в сети стандарта CDMA и т. п.), а центры коммутации под-

вижной связи этого стандарта должны быть соединены специальными каналами связи для обмена данными о местонахождении абонента. Иными словами, применительно к сото-вым системам для обеспечения роуминга необходимо выполнение трех условий:

1. Наличие в требуемых регионах сотовых систем стандарта, совместимого со стан-дартом компании, у которой был приобретен радиотелефон.

2. Наличие соответствующих организационных и экономических соглашений о ро-

уминговом обслуживании абонентов

3. Наличие каналов связи между системами, обеспечивающих передачу звуковой и

другой информации для роуминговых абонентов При перемещении абонента в другую сеть ее центр коммутации запрашивает инфор-

мацию в первоначальной сети и при наличии подтверждения полномочий абонента реги-стрирует его. Данные о местоположении абонента постоянно обновляются в центре ком-мутации первоначальной сети, и все поступающие туда вызовы автоматически переадре-совываются в ту сеть, где в данный момент находится абонент.

При организации роуминга недостаточно провести только технические мероприятия по соединению различных сетей сотовой связи. Очень важно еще решить проблему взаи-морасчетов между операторами этих сетей.

37

Различают три вида роуминга:

1. Автоматический роуминг (именно с этой формой за рубежом обычно и связывают понятие роуминга) - предоставление абоненту возможности выйти на связь «в любое вре-мя в любом месте»;

2. Полуавтоматический роуминг - абоненту для пользования данной услугой в ка-ком-либо регионе необходимо предварительно поставить об этом в известность своего оператора;

3. Ручной, по сути, простой обмен одного радиотелефона на другой, подключенный к

сотовой системе другого оператора Существующий объем услуг роуминга во многом определяется активностью дея-

тельности конкретных компаний, так как возникающие при этом технические проблемы у всех приблизительно одинаковы (хотя здесь и можно отметить стандарт GSM, в который возможность роуминга была заложена изначально). Перспективы развития этой сферы ус-луг зависят уже от распространенности стандартов.

Например, для создания единой сети стандарта GSM в России, предлагающей услуги роуминга в национальном масштабе, требуется организация связи с каждым региональ-ным оператором. Кроме того, для передачи служебных сообщений необходим, как мини-мум, выделенный цифровой канал со скоростью передачи информации 64 Кбит/с. Пока из-за недостаточного спроса на услуги подвижной связи вне столиц и больших городов,

для местных операторов нерентабельно держать такой канал для небольшого количества приезжих.