Системы с сотовой структурой
Системы с радиальной структурой при всей кажущейся простоте и эффективности имеют несколько изъянов, ограничивающих их возможности.
1. Прежде всего, ограниченность частотного спектра снижает возможность наращивать число радиоканалов в системе, т. е. увеличивать её емкость. Действительно, на примере «Алтая» мы видели, что в отведенной полосе (2x5 МГц) обслужить с удовлетворительным качеством более 5000 абонентов не удается.
2. Дополнительное наращивание на ограниченной площади большого числа мощных центральных передатчиков ухудшает электромагнитную обстановку как за счет интермодуляционных помех (каналы нарезаются через 25 КГц), так и внеполосного излучения, что приводит к ухудшению качества обслуживания абонентов.
3. Вызывные сигналы с БС передаются на всю обслуживаемую территорию и обрабатываются всеми подвижными абонентами до момента занятия радиоканала. Это требует введения в трафик служебного временного интервала, что, с одной стороны, ведет к сокращению полезного времени, а с другой стороны, создает дополнительные помехи в системе.
4. Необходимость симметрии в энергетике радиоканала в направлении с ПС на БС требует применения ПС с мощностью 10Вт что не позволяет ввести в систему портативные станции ( 1Вт).
С целью устранения этих недостатков было предложено реализовать систему СПР-ОП на основе сотовой структуры. Территория обслуживания разбивается на отдельные небольшие ячейки (соты). Каждая из ячеек обслуживается своей БС с относительно небольшой мощностью, обеспечивая дальность связи в пределах только этой ячейки. Это может быть сделано эмпирическим путем или расчетом. Без пропусков и перекрытий всю обслуживаемую территорию позволяют покрыть только три правильные геометрические фигуры: треугольник, квадрат и шестиугольник (рис. 101).
Рис. 101. Варианты разбиения территории на ячейки (соты)
Для разбиения подходит любой способ, но лучше всего принять шестиугольник, так как он наилучшим образом вписывается в окружность, радиус которой соответствует предельной дальности связи. Все БС, стоящие в сотах, связаны соединительными линиями с ЦКС, которая, в свою очередь, входит в АТС.
Использование на БС передающих устройств малой мощности позволяет повторять в соседних сотах одни и те же частоты. В результате каждая ячейка будет обладать всей емкостью, свойственной системе, а суммарная емкость увеличится во столько раз, на сколько ячеек была разбита территория обслуживания. Этот момент является основополагающим в системах СПР-ОП с сотовой структурой. Конечно, если бы сигнал ограничивался заданным для связи уровнем строго в пределах окружности, то повторять частоты можно было бы в смежных сотах. На практике из-за сложности условий распространения радиоволн равносигнальная зона не описывается окружностью и даже могут быть отдельные участки требуемого уровня вне зоны связи (рис. 102). В результате невозможно разграничение ячеек и велики взаимные помехи. Поэтому приходится повторяемость частот на местности осуществлять через несколько ячеек. Для этого полный набор частот (каналов) разбивают на несколько групп и каждую такую группу присваивают БС отдельной ячейки.
Рис. 102. Иллюстрация отклонения от радиальной зоны обслуживания
Теперь можно такие ячейки расположить вплотную и ни в каких двух соседних ячейках частоты не будут повторяться. Такая группа ячеек называется кластером. Подобными кластерами покрывают всю территорию обслуживания. Эта структура обеспечивает требуемое разнесение ячеек с одинаковыми частотами и позволяет их использовать повторно (и многократно).
Размер кластера зависит от диапазона частот, структуры застройки (в городе), высоты подъема антенны на БС, качества обработки сигналов в системе. Классический вариант повторяемости частот обеспечивается в семизоновой структуре (кластер 7), где повторные частоты появляются приблизительно через две ячейки. Схема покрытия обслуживаемой территории в этом случае показана на рис. 103. Здесь цифрами обозначены группы частот в кластере, а один из кластеров обведен жирной линией.
Несколько лучшими характеристиками по ЭМС обладает девятизоновая структура, где две повторяющиеся частоты располагаются строго через две соты.
Конечно, в случае многоканальной БС в каждой ячейке используется группа частот (например, с кратностью 7). Назначение этих частот осуществляется по определенным алгоритмам, для чего первоначально составляется частотная матрица.
Рис. 103. Вариант построения системы с сотовой структурой с кластером 7
Например, в системе AMPS выделенная полоса в 40 МГц разбивается на два поддиапазона (дуплекс по 20 МГц), в каждом из которых нарезано 666 каналов (через 30 КГц). В пределе в каждой ячейке может быть 666:7=96 каналов. Или при 8-канальной БС может быть 12 стоек. При этом возможно обслуживание 4000 абонентов в ячейке, т.е. 28000 - в кластере.
Использование повторяющихся частот в сотовой структуре дает значительное повышение потенциальной емкости по сравнению с радиальной структурой. Всего в одном кластере может быть обслужено 4000x7=28000 абонентов. Если для радиальной системы - это уже предел, то сотовая может расположить на обслуживаемой территории множество примыкающих кластеров с уменьшенной площадью каждого, что позволяет пропорционально числу кластеров увеличивать число абонентов. Теоретически в системах с сотовой структурой ограничением потенциальной емкости является не ограничение по полосе частот, а ограничение, накладываемое коэффициентом блокирования (вероятность отказа в соединении) при перенасыщении абонентами одной соты.
Возьмем для простоты случай, когда в каждой ячейке устанавливается одна 8-канальная БС. Тогда в семисотовой структуре имеем 7x8=56 каналов, что при шаге.25 КГц составляет 1,5 МГц полосы частот. Исходя из принципа равнодоступности, при 56 каналах в равнодоступной системе может быть обслужено 2200 абонентов при нагрузке 0.025 Эрл и 10% вероятности блокирования. В случае же удвоения числа абонентов на эту зону (4400) коэффициент отказов может возрасти до 50%, что, конечно, недопустимо.
Из практики эксплуатации сотовых систем известен случай в Бразилии (зона тюрьмы в г. Сан-Паулу), когда на ограниченной территории около тюрьмы в зоне действия одной БС собралось свыше тысячи абонентов и связь была полностью заблокирована.
Вообще говоря, сотовый принцип позволяет теоретически неограниченно увеличивать емкость системы при ограниченной полосе доступных частот (путем увеличения количества кластеров). К сожалению, он не всегда это делает рационально. Так, в многоячеечном кластере на каждую ячейку со своей БС приходится только небольшая часть полного числа выделенных каналов, что пропорционально уменьшает емкость каждой ячейки. В результате требуемое число БС на территории обслуживания оказывается очень большим, а система - сложной и дорогой. Это показывает, что и для сотовых систем вопрос повышения емкости стоит достаточно остро. В этом отношении применяют несколько дополнительных мер.
Во-первых, некоторый выигрыш в абонентской емкости может быть получен в случае неравномерной структуры ячеек. Действительно, рассматривая структуру современного градостроительства, можно отмстить, что имеется центр города с его административной частью и максимальным числом потенциальных абонентов СПР-ОП; есть коммерческо-деловая часть города с несколько меньшей плотностью потенциальных абонентов и есть «черемушки» с еще более низкой плотностью абонентов; есть многочисленные пригороды с самой низкой плотностью абонентов (за исключением аэропорта). При такой городской структуре представляется целесообразным делать неравномерную структуру ячеек: в центре - микроячейки, по окружности - самые большие ячейки, внутри - ячейки среднего размера (рис. 104). Расчеты показывают, что при такой структуре возможно увеличение потенциальной емкости в 1,5 раза.
Другая возможность повышения абонентской емкости каждой ячейки заложена в повышении числа равнодоступных каналов в ее пределах. Однако мы видим на примере радиальных систем, что прямое наращивание числа рабочих каналов с определенного числа становится невозможным. Выход был найден в понижении размера кластера путем секционирования антенных устройств БС.
Рис. 104. Структурная схема покрытия неравномерными сотами
Рассмотрим это на примере трехсотовой трехъячеечной структуры. На БС вместо антенны с круговой ДН используется направленная трехсекторная антенна с раскрывом ДН в азимутальной плоскости 120°. При этом удается 9 независимых секторов разместить в трех ячейках (т.е. свести кластер с 7-9 до трех, обеспечив повторяемость частот по трем ячейкам) с сохранением требуемых характеристик электромагнитной совместимости (повтор через 2 ячейки). Теперь на каждую ячейку можно выделить значительно большее число частот из доступного их набора (1/3 вместо 1/7 или 1/9 при кластере 7 или 9 соответственно) с соответствующим ростом емкости каждой ячейки. С учетом реального раскрыва ДН практический выигрыш будет несколько меньше. Еще больший эффект дает секторизация на 6 секторов. В этом случае имеется вариант частотно-территориального планирования с кластером 2 (т.е. полный набор частот распределяется по двум ячейкам).
Таким образом, мы выяснили, что при реализации сотовой структуры удается устранить некоторые недостатки, присущие радиальным системам, в том числе:
- снимается ограничение по дальности связи;
- снимается ограничение по полосе частот;
- вместо централизации мощности в одной точке имеет место распределение мощности по территории;
- служебное время на вызывные сигналы не зависит от емкости системы;
- не требуются мощные ПС, поэтому можно использовать портативные.
И еще достаточно важное замечание при проектировании сотовой системы следует иметь в виду, что границы ячейки достаточно условны [16].
В первом разделе рассмотрены методики расчета радиолиний, в том числе для городских условий. Можно отметить, что вследствие сильно выраженной интерференционной картины структуры электромагнитного поля в городских условиях имеют место сильные флуктуации напряженности поля электромагнитной волны. Поэтому нарисованная картина ячеек в виде набора шестиугольников - это идеализированный вариант. Так, вариант расчета, полученный компьютерным методом по математическим моделям расчета уровней напряженности поля для города Москвы, в диапазоне 450 МГц. резко отличается от идеализированного. Необходимо отметить, что при повышении частотного диапазона от 450 МГц до 800-900 МГц картина несколько улучшается (в смысле приближения к окружности).
Функционирование сотовой системы. Система установления связи между ПС и абонентом городской АТС показана на рис. 105.
Рис. 105. Структурная схема установления связи в сотовой системе
Вызов, поступивший от находящейся в какой-либо ячейке ПС (или на ПС), обслуживается соответствующей БС и связанной с ней КС. Последняя обеспечивает управление, контроль вызовов и коммутацию ПС с абонентами городской коммутируемой телефонной сети (ТфОП) через местную АТС и ЦКС.
Каждая ПС до занятия канала по мере перемещения по ячейкам сети автоматически через определенные интервалы времени передает сигнал контроля на БС, в ячейке которой она находится, а та передает эту информацию на КС, которая сохраняет ее в памяти. В случае вызова абонента ПС, вызывной сигнал с КС поступает не на все БС сети, а адресно, на ту БС, в ячейке которой находится ПС.
Каждая БС также имеет специальный приемник, который следит за занятостью каналов (эта информация также передается на ЦКС). Вторая функция этого приемника - отслеживать через определенные промежутки времени уровень сигнала, принимаемого на БС от ПС. Если уровень сигнала становится ниже допустимого, то дается команда с ЦК на переход на свободный канал другой зоны, в которой принимаемый сигнал уверенно превышает заданный уровень.
При вызове с ПС через канал вызова посылается сигнал запроса на БС и оттуда - на ЦКС, которая предоставляет ПС свободный канал БС. После установления связи ЦКС производит соединение абонента ПС с абонентом АТС и постоянно контролирует уровень принимаемого сигнала с ПС для того, чтобы вовремя осуществить необходимое переключение каналов, если ПС переместилась из зоны одной БС в зону другой. Таким образом, абоненты ПС никогда не участвуют в выборе свободного канала и даже не подозревают о процедуре предоставления и смены канала, которая происходит автоматически. В худшем случае абонент прослушивает щелчок в момент переключения (так называемый, режим жесткого переключения).
Центральные коммутаторы (обычно на 10000 абонентов) связаны между собой так же, как и АТС.
Рассмотренный принцип нарезки каналов с жесткой привязкой к ячейке получил наименование фиксированного распределения каналов. Существует другой способ - динамического распределения каналов, суть которого в том, что БС имеет определенную избыточность каналов и поэтому число задействованных в системе каналов для каждой конкретной соты и ситуации может меняться в зависимости от текущей нагрузки. Динамическое распределение каналов используется преимущественно в центральной части города, где возможна детерминированная миграция абонентов ПС (ярмарки, выставки, зрелищные мероприятия). Выше уже приводился пример с г. Сан-Паулу.
Эффективность систем подвижной связи. Как и в случае стационарных телефонных сетей общего пользования, системы СПР-ОП также характеризуются большим числом показателей: пропускной способностью (скоростью передачи информации), качеством передачи, эффективностью использования выделенной полосы рабочих частот, емкостью системы (количеством равнодоступных каналов или одновременно обслуживаемых абонентов), размерами обслуживаемой территории, стоимостью оборудования системы, стоимостью се эксплуатации и др. Большинство из этих требований находятся в противоречии друг с другом, поэтому представляется актуальной выработка интегрального показателя, учитывающего многообразие технических, эксплутационных и экономических требований. Вопрос выработки такого интегрального показателя осложняется тем, что приходится производить сравнительный анализ принципиально различных систем: аналоговых и цифровых, а также различающихся технологиями образования канала общего доступа.
Таким показателем, общим для всех систем, является емкость системы или количество одновременно обслуживаемых («горячих») абонентов. В другой терминологии этот показатель соответствует числу каналов в сети. При прочих равных условиях та система эффективнее (а значит, и экономически выгоднее), которая может обслужить большее количество абонентов. Или иначе: при фиксированных требованиях к качеству обслуживания заданного количества абонентов на определенной территории более эффективная система позволяет это сделать на центровом оборудовании меньшей стоимости. Операторы сетей сотовой связи, используя показатель «емкость системы», конечно, учитывают связанные с этим расходы на приобретение центрового оборудования и его эксплуатацию, вплоть до стоимости частотного спектра.