4.1. Проектирование телекоммуникационных ячеек
Границы каждой соты определяются электромагнитным взаимодействием между базовой станцией (BS) и группой мобильных станций (MS), обеспечивающим выполнение условия связности. Качество обслуживания в мобильной системе связи обеспечивается достаточным количеством каналов радиосвязи (рабочих частот) и возможностью их быстрой замены при снижении надежности радиосвязи в процессе движения MS. Однако, проектирование больших зон обслуживания при ограниченном радиочастотном спектре, выделяемом мобильной системе, возможно только при повторном (неоднократном) использовании одинаковых рабочих частот. Это обуславливает появление значительных уровней взаимных помех между радиостанциями. Обеспечение связности в зоне обслуживания оказывается возможным только при правильном пространственном разносе сот с повторяющимися рабочими частотам.
Каждая из ячеек обслуживается своим передатчиком с невысокой выходной мощностью и ограниченным числом каналов связи, что позволяет без помех повторно использовать частоты каналов этого передатчика в другой, удаленной на значительное расстояние ячейке. Теоретически такие многоканальные передатчики можно использовать уже в соседней ячейке, однако на практике зоны обслуживания ячеек могут перекрываться под воздействием различных факторов, в частности вследствие изменения условий распространения радиоволн. Поэтому в реальных системах мобильной связи в соседних ячейках используются различные частоты.
Существуют статистический и детерминированный способы формирования зон обслуживания.
Статистический способ основан на измерении основных статистических характеристик распространения сигналов в системах связи. Детерминированный способ основан на измерении и расчете параметров распространения сигнала для конкретного района. При практической реализации статистического способа вся обслуживаемая территория делится на одинаковые по форме зоны, и с помощью статистической радиофизики определяются их предельно-допустимые размеры и расстояние до других зон, в пределах которых выполняются условия допустимого взаимного влияния.
Для оптимального разделения обслуживаемой территории на отдельные ячейки, позволяющего добиться получения однородных (гомогенных) участков без перекрытия или пропусков могут использоваться только три геометрические фигуры: треугольник, квадрат и шестиугольник.
Наиболее подходящей фигурой является правильный шестиугольник, так как он позволяет обеспечить доступ практически ко всем участкам ограниченной зоны обслуживания при помещении антенны с круговой диаграммой направленности в его центр. Структура получаемой зоны обслуживания напоминает пчелиные соты, отсюда и название системы связи – сотовая.
При использовании статистического способа интервал между зонами, в которых используются одинаковые рабочие каналы, как правило, получается больше требуемого, необходимого для поддержания взаимных помех на допустимом уровне.
При детерминированном способе тщательно измеряются и рассчитываются все необходимые параметры системы связи для определения минимального числа базовых станций, обеспечивающих удовлетворительное обслуживание абонентов. Кроме того, определяется место расположения базовой станции с учетом рельефа местности, и рассматривается возможность использования направленных антенн, пассивных ретрансляторов и смежных центральных станций в момент наибольшей (пиковой) нагрузки системы.
Группа сот с различными наборами часто получила название кластера. Определяющим параметром кластера является количество используемых в соседних ячейках частот. Размерность кластера может варьироваться от 3 до 19 (рис.4.1).
Рис. 4.1. Построение многоэлементных кластеров:
а) 3-элементного; б) 4-элементного; в) 7-элементного; г) 12-элементного;
д) 19-элементного
Во всех случаях расположение частот кластере должно допускать простое каскадирование, то есть формирование регулярной структуры. Повторное использование частот в несмежных ячейках является основной идеей, на которой базируется принцип сотовой связи, и позволяет эффективно использовать частотный спектр (частотный ресурс системы). Первый способ организации повторного использования частот, который применяется в аналоговых системах сотовой связи, например, в NMT-450/900, AMPS, TACS/ETACS, заключается в использовании антенн базовых станций с круговой диаграммой направленности. При этом предполагается, что по всем направлениям передается сигнал одинаковой мощности, что для абонентских станций (сотовых телефонов) эквивалентно приему помех от всех базовых станций со всех направлений.
Минимально возможным для построения системы сотовой связи является 3-элементный кластер, в каждой ячейке которого можно использовать одну треть от полного частотного диапазона, отведенного системе (рис. 4.1). Однако в таком кластере ячейки с одинаковыми полосами часто повторяются, что плохо для сокращения сокальных помех, то есть помех от станций системы, работающих на одних и тех же частотных каналах, но в других ячейках. Следовательно, на практике более выгодно использовать многоэлементные кластеры.
Базовые станции, на которых допускается повторное использование выделенного набора частот, удалены друг от друга на расстояние Δ, называемое защитным интервалом рис. 4.2. Смежные базовые станции, использующие различные наборы частотных каналов, образуют группу из C станций. Если каждой базовой станции выделяется набор из m частотных каналов с шириной полосы каждого FK, то общая ширина полосы FС, занимаемая системой сотовой связи, составит:
FС = FK ∙ m ∙ С, (1)
Рис. 4.2. Защитный интервал
Таким образом, величина C определяет минимально возможное число каналов в системе, поэтому ее называют частотным параметром системы сотовой связи или коэффициентом повторения частот. Коэффициент C не зависит от числа каналов в наборе частот и увеличивается по мере уменьшения радиуса ячейки. Следовательно, уменьшение радиуса ячеек создает возможность для увеличения повторяемости частот.
Шестиугольные ячейки позволяют минимизировать ширину необходимого частотного диапазона, обеспечивая оптимальное соотношение между величинами C и Δ.
В общем случае, расстояние Δ между центрами ячеек, в которых используются одинаковые полосы частот, связано с числом ячеек К в кластере следующим соотношением:
Δ
= r
∙
,
(4.2)
Q = Δ / r = , (4.3)
где r – радиус ячейки (радиус окружности, описанной около правильного шестиугольника); Q – коэффициент уменьшения сокальных помех.
Коэффициент уменьшения сокальных помех Q в зависимости от числа элементов в кластере К, для регулярных структур сети сотовой связи, представлен в табл.4.1.
Таблица 4.1
Коэффициенты уменьшения сокальных помех
Количество сот в кластере |
3 |
4 |
7 |
12 |
19 |
Коэффициент уменьшения сокальных помех |
3,00 |
3,46 |
4,58 |
6,00 |
7,55 |
Размеры ячейки определяются радиусом r – радиусом окружности, описанной около правильного шестиугольника. Этот радиус, в свою очередь, определяет размеры защитного интервала между ячейками, в которых одни те же частоты могут использоваться повторно. Величина защитного интервала Δ зависит также от допустимого уровня помех и условий распространения радиоволн в зоне обслуживания.
Размер зоны обслуживания, выраженный через радиус ячейки r, определяет также число абонентов, способных одновременно вести переговоры на всей территории обслуживания. Следовательно, уменьшение радиуса ячейки позволит не только повысить эффективность использования выделенной полосы частот и увеличить абонентскую емкость системы, но и уменьшить мощность передатчиков и чувствительность приемников базовых и подвижных станций, что, в свою очередь, улучшает условия электромагнитной совместимости эксплуатирующихся средств сотовой связи с другими радиоэлектронными средствами и системами.
Эффективным способом снижения уровня помех является использование направленных антенн с узкими диаграммами направленности. В секторе такой направленной антенны сигнал излучается преимущественно в одну сторону, а уровень излучения в противоположном направлении сокращается до минимума. Деление на секторы (секторное дробление) позволяет чаще применять частоты в сотах повторно. Наиболее распространен способ использования 3-секторных антенн с шириной диаграммы направленности 1200 для каждой базовой станции и трех соседних базовых станций с формированием ими девяти групп частот.