книги / Основы построения телекоммуникационных систем и сетей

Геостационарный КА

Среднеорбитальный КА

0о

Низкоорбитальный КА

Рис. 5.33. Углы 0О, под которыми видна сота

с разных типов КА

При известной характеристике приемной антенны наземного мобильного или персонального терминала величина So будет опре­ делять необходимую спектральную плотность потока мощности у поверхности Земли и соответствующую подводимую к передаю­ щей антенне ретранслятора спектральную плотность сигнала P„/R, где Р„ — подводимая к передающей антенне мощность сигнала в узком луче для канала со скоростью передачи информации R. При уменьшении диаметра соты на поверхности Земли мощность сиг­ нала, излучаемая ретранслятором, будет рассеиваться на меньшей площади у поверхности Земли, увеличивая тем самым плотность потока мощности у поверхности Земли, или при сохранении той же плотности потока мощности у поверхности Земли можно будет передавать информацию с большей скоростью.

Опишем вышесказанное количественно. Определим вначале необходимый диаметр антенны ретранслятора, которая формирует узкие лучи и пятна на поверхности Земли диаметром dcоты в под­ спутниковой точке. Рассмотрим рис. 5.33, где 0О — ширина диа­ граммы направленности узкого луча ретранслятора, формирующе­ го соту на поверхности Земли в подспутниковой точке диаметром (/сотыЕсли Н —высота КА над поверхностью Земли, то из рисунка получим уравнение

Рис. 5.34. Максимальный диаметр соты

в зависимости от энергетических затрат на борту КА на один канал

В итоге получим независимо от высоты КА относительно по­ верхности Земли

2 n h 2kTR

Положим для мобильного или персонального терминала с всенаправленной в верхней полусфере антенной / = 2 ГГц (X = 0,15 м), Gnp = 3 дБ, А2 = 10 дБ, Т = 200 К. Тогда получим

^соты = 9000V V W 1 км-

На рис. 5.34 представлен график зависимости максимального диаметра соты на поверхности Земли, который допускается, исхо­ дя из энергетики радиолиний, в зависимости от мощности радио­ сигнала, подводимого к передающей антенне ретранслятора в уз­ ком луче на один канал со скоростью передачи информации R. Из рис. 5.34 следует, что при общей излучаемой мощности ретрансля­ тора малого низкоорбитального КА порядка 100-300 Вт для орга­ низации высокоскоростной мультимедийной связи (со скоростями передачи информации 64 -384 кбит/с) с мобильными и персональ­ ными терминалами в диапазоне частот 2 ГГц необходимо иметь диаметр соты в подспутниковой точке dC0TU< 300 км.

Гпава 6

Н А ЗЕ М Н Ы Е С О Т О В Ы Е С И СТЕМ Ы М О БИ Л ЬН О Й И П Е Р С О Н А Л Ь Н О Й РА Д И О С В Я ЗИ

6 .1 . П р и н ц и п ы п о с т р о е н и я с о т о в ы х с и с т е м м о б и л ь н о й и п е р с о н а л ь н о й с в я з и

Сети наземной мобильной и персональной связи можно раз­ делить на три класса: сети сотовой мобильной и персональной свя­ зи; сети транкинговой мобильной связи; сети персонального ра­ диовызова или пейджинговые сети.

В сотовой сети связи территория зоны обслуживания (напри­ мер, город) делится на ячейки (соты). В центре каждой соты нахо­ дится стационарная базовая радиостанция, которая соединена ка­ бельной или радиорелейной линией связи с наземной стационар­ ной сетью связи общего пользования. Назначение сотовой сети - связать мобильный или персональный терминал через базовую станцию с абонентом сети связи общего пользования или другим абонентом сотовой сети связи.

При перемещении мобильного терминала из одной соты в другую производится автоматическое переключение радиоканала связи с одной базовой станции на другую. Этот процесс называет­ ся эстафетной передачей или handover.

Сети транкинговой мобильной связи предназначены для соз­ дания служебных, ведомственных сетей связи с мобильными и персональными терминалами (скорая медицинская помощь, мили­ ция, пожарная служба, такси, автомобильные перевозки и др.). Как правило, сеть транкинговой связи является односотовой с боль­ шим размером соты и малым числом каналов выхода в сеть обще­ го пользования.

Сеть персонального радиовызова является односторонней се­ тью передачи коротких сообщений от центральной радиостанции на миниатюрные абонентские приемники - пейджеры. Отправи­ тель сообщения передает короткое цифробуквенное сообщение по каналам телефонной сети общего пользования или сети сотовой связи на центральную радиостанцию, где оно запоминается, и за­ тем в порядке очереди электронная почта передается в эфир вме­ сте с адресом пейджера.

По размеру соты различают:

•пикосоты —связь внутри офиса, помещения с радиусом со­ ты 10-50 м;

•микросоты —связь внутри аэропорта, торговых центров, ор­ ганизация локальных вычислительных сетей и др. с радиусом соты 100-300 м;

•макросоты — являются основой сетей мобильной и персо­

нальной связи и имеют радиус соты от единиц километров до 30 -4 0 км;

• мегасоты —формируются узким лучом КА -ретранслятора и имеют радиус соты от нескольких сотен до тысяч километров.

Условия распространения радиосигналов в пико-, микро-, макро- и мегасотах существенно различны. Сети связи в пикосотах и микросотах создаются как односотовые системы без режима эс­ тафетной передачи. В силу вышесказанного сети связи в пико-, микро-, макро- и мегасотах создаются на базе различных техниче­ ских средств, с различными скоростями передачи информации, методами модуляции и др.

Мы в дальнейшем будем рассматривать принципы построения только сотовых сетей связи в макросотах. Функциональная схема типовой сотовой сети связи представлена на рис. 6.1.

Зона обслуживания сотовой сети связи (город в типичном слу­ чае) разбивается на шестиугольные соты с радиусом действия базо­ вой станции гсоты. Группа базовых станций с помощью стационар­ ных наземных каналов связи связывается с центром коммутации. В сети связи может быть один или несколько центров коммутации. Центры коммутации выделяют каналы связи мобильным термина­ лам по требованию и организуют их эстафетную передачу другим базовым станциям. Головной центр коммутации является автомати­ ческой телефонной станцией, осуществляет выход мобильных тер­ миналов в телефонную сеть общего пользования, сеть ISDN, Internet и другие цифровые сети интегрального обслуживания.

Кроме того, головной центр коммутации осуществляет про­ верку паролей мобильных терминалов, засекречивание сообщений

при передаче их по радиоканалам, организует роуминг —подклю­ чение мобильных терминалов других операторов к сотовой сети связи и др.

6 .2 . Т е р р и т о р и а л ь н о - ч а с т о т н ы е п л а н ы с о т о в ы х с е т е й с в я з и

Полоса частот, выделяемая сотовой системе связи, является важнейшим параметром сотовой системы связи, определяющим основные технико-экономические характеристики системы. Поло­ са частот системы определяет полосу частот, выделяемую на от­ дельную соту, что, в свою очередь, определяет число каналов свя­ зи, которое можно организовать в соте, размер соты и общую про­ пускную способность сотовой сети связи.

Выделенные для Европы и России диапазоны и полосы частот для наземной сотовой связи (макросоты) показаны в табл. 6.1.

В таблице под прямым каналом или каналом связи вниз под­ разумевается канал передачи информации в направлении от базо­ вой станции к мобильным терминалам, а под обратным каналом или каналом связи вверх понимается канал передачи информации от мобильного терминала в сторону базовой станции.

Стандарт NMT-450 (Nordic Mobile Telephone) является дейст­ вующим федеральным стандартом России, в котором для передачи телефонного сигнала используется аналоговый сигнал с частотной модуляцией. Система сотовой сети связи NMT-450 относится к системам сотовой мобильной связи первого поколения.

Стандарт GSM (Global Systems fo r Mobile Communications) яв­ ляется действующим европейским и федеральным стандартом России, в котором используется цифровая передача телефонного сигнала и низкоскоростных данных на несущей частоте с времен­ ным разделением шести каналов. Система GSM относится к систе­ мам сотовой связи второго поколения.

IMT-2000 (International Mobile Telecommunications) является международным стандартом высокоскоростных мультимедийных сотовых телекоммуникационных систем третьего поколения.

Рис. 6.3. Покрытие зоны обслуживания трехсекторными сотами: (3,9) (а) и (3,6) (6)

На рис. 6.3 показано покрытие зоны обслуживания на поверх­ ности Земли трехсекторными сотами (3,9) и (3,6), где первая циф­ ра в скобках означает количество секторов антенны базовой стан­ ции в горизонтальной плоскости (или количество частотных полос в соте), вторая цифра - количество различных частотных полос, используемых в сотовой сети связи.

Поскольку в мешающей соте мобильные терминалы, находя­ щиеся вблизи своей базовой станции, имеют малую излучаемую мощность, на рис. 6.3, б в качестве расстояния для помехи гпх взято расстояние от базовой станции до центра мешающего сектора. Для покрытия зоны обслуживания (3,9) = 1/3, для покрытия (3,6)

Лкл = 1 /2 .

Для шестисекторных сот (6,12) и (6,6) покрытие зоны обслу­ живания показано на рис. 6.4. Покрытие (6,12) имеет "Лкл = 1/2, а покрытие (6,6) имеет = 1. Сравнительные характеристики мето­ дов покрытия зоны обслуживания представлены в табл. 6.2.

Рис. 6.4. Покрытие зоны обслуживания шестисекторными сотами: (6, 12) (а) и (6.6) (б)

Отношение гпх/гсоты является исходным для оценки относи­ тельной мощности помехи от излучений станций ближайшей соты (сектора), работающих в тех же полосах частот, что и станции в рассматриваемой соте. Если принять для типовых условий распро­ странения сигнала в сотовых системах связи, что плотность потока мощности сигналов убывает пропорционально четвертой степени расстояния, то ожидаемое медианное значение мощности помехи от ближайшей соты по отношению к медианному значению мощ­ ности полезного принимаемого сигнала будет пропорционально отношению (гсоть1/гПх)4.

Использование помехоустойчивых кодов в радиоканалах со­ товой связи уменьшает требуемое отношение сигнал-помеха в приемном устройстве, что позволяет допустить больший уровень помех от станций в других сотах или секторах, работающих в той же полосе частот. Это, в свою очередь, позволяет уменьшить ве­

ность и пропускную способность соты и системы связи.

Емкость сотовой системы связи, т.е. число каналов связи в зо­ не обслуживания, равна числу каналов связи, которое можно орга­ низовать в одной соте, умноженному на число сот в системе связи. Уменьшая размер соты при сохранении того же числа каналов свя­ зи в соте, которое определяется полосой частот, выделяемой на одну соту, мы увеличиваем число сот в системе связи и, следова­ тельно, емкость сотовой системы связи.

6 .3 . Р а с п р о с т р а н е н и е р а д и о в о л н в с о т о в ы х

си с т е м а х с в я з и

6.3.1.Распространение радиоволн в свободном пространстве и оптимальные диапазоны частот

для сотовой связи

Рассмотрим изотропные передающую и приемную антенны. При подводимой к передающей антенне мощности радиосигнала Р„ мощность сигнала на выходе приемной антенны при его рас­ пространении в свободном пространстве