Радиосвязь,_радиовещание,телевидение2

Часть III. Мобильная связь и системы

беспроводного доступа

Глава 13. Сети подвижной радиосвязи

13.1.Краткая характеристика сетей мобильной (подвижной) радиосвязи

В последние годы наблюдается резкий рост числа пользователей радиосетей как у нас в стране, так и за рубежом. В ряде случаев такие сети целесообразно создавать не только для обеспечения связи между подвижными объектами, где таким сетям нет альтернативы, но и для организации связи между стационарными объектами. Достоинства радиосетей (беспроводных сетей) перечислены в табл. 13.1.

Во многих случаях окупаемость беспроводных сетей составляет 1–2 года. В то же время срок окупаемости проводных значительно выше. Проводные сети экономически нецелесообразны на местностях с малой плотностью населения, например в случае, когда требуется обеспечить телефонную связь с удаленной от райцентра фермой.

Т а б л и ц а 13.1. Сравнение проводных и беспроводных сетей

В некоторых местах организацияРадиосети идеально подходят для мепроводных сетей затруднительна, стности со сложным рельефом легкость повреждения направляющих элементов сети

Повышенные затраты на обслужиПониженные затраты на обслуживание вание

Внастоящее время доминирующее положение на рынке подвижной радиосвязи занимают [1]:

- профессиональные (частные) системы подвижной связи; - системы персонального вызова; - системы беспроводных телефонов;

- системы сотовой связи общего пользования.

Первые системы подвижной радиосвязи создавались и развивались в интересах государственных организаций, коммерческих структур, скорой помощи, милиции и т.п. В принятой за рубежом классификации эти системы относятся к так называемым профессиональным системам подвижной радиосвязиPMR (Professional Mobile Radio). Как правило, PMR имеют радиальную или радиаль- но-зоновую структуру сети.

Впрофессиональных системах подвижной радиосвязинаиболее

эффективное использование выделенного частотного ресурса обеспечивается в системах со свободным доступом абонентов к общему частотному ресурсу, получивших название транкинговых(от англ. trunk – магистраль, шина). Различают транкинговые системы с последовательным (сканирующим) поиском свободного канала связи и с выделенным каналом управления. Сканирующий транкинг характеризуется значительным временем установления канала связи и может быть рекомендован при небольшом количестве каналов(до 5–8). Наиболее распространенным видом транкинговых систем связи -яв ляются системы с выделенным каналом управления, использующие стандарты МРТ 1327, МРТ 1317, МРТ 1343 и МРТ 1347, разработанные первоначально в Великобритании на диапазоны частот 174…225 МГц и распространенные позже на другие диапазоны [1].

Системы персонального радиовызова (СПРВ) гармонично сопря-

гаются с системами радиосвязи и передачи данных. Персональный радиовызов (пейджинг) – услуга электросвязи, обеспечивающая беспроводную одностороннюю передачу информации в пределах обслуживаемой зоны. По своему назначению СПРВ можно разделить на частные (ведомственные) и общего пользования.

Частные СПРВ обеспечивают передачу сообщений в локальных зонах или на ограниченной территории в интересах отдельных групп пользователей. Как правило, передача сообщений в таких СПРВ осуществляется с пультов управления диспетчерами без взаимодействия с ТФ ОП.

Под системами персонального радиовызова общего пользования понимается совокупность технических средств, через которые с помощью ТФ ОП происходит передача в радиоканале сообщений ограниченного объема.

Основными компонентами коммерческого успеха этих систем -яв ляются: широкая зона обслуживания в масштабах страны с возмож-

ностью межнационального взаимодействия; низкие тарифы и арендная плата; простота передачи сообщений и удобство пользования; малые габариты приемников СПРВ и длительный срок непрерывной работы с одним источником.

Системы беспроводных телефонов были первоначально ориен-

тированы на резидентное использование, т.е. в условиях офисов и квартир. Позже они стали развиваться как системы общего пользования, обеспечивающие поддержку услуг общего доступа.

Такие системы уже сейчас составляют определенную конкуренцию макросотовым сетям, которые будут более детально рассмотрены ниже.

Сети связи с подвижными объектами могут иметь радиальную, ра- диально-зоновую и сотовую структуру сети.

Радиальные системы основаны на использовании однойцен тральной наземной радиостанции, имеющей значительный радиус действия (до 50…100 км). При радиально-зоновой структуре сети область обслуживания делится на зоны, в каждой из которых используется радиальный принцип передачи сигналов.

Радиальным сетям присущ ряд недостатков, основными из которых являются ограниченность зоны обслуживания, нерациональное использование имеющегося частотного ресурса, невозможность существенного увеличения числа обслуживаемых абонентов из-за -по явления взаимных помех. Для передачи информации в радиальных системах выделяется диапазон частот DFS. В этом диапазоне организуются каналы с полосой пропусканияDFC . Тогда число каналов N в диапазоне DFS:

N » DFS .

DFC

Очевидно, что число каналов N и будет определять число абонентов, пользующихся радиосвязью.

Для преодоления ограничений на число каналов в условиях ограниченного частотного ресурса DFS была предложена сотовая идеология построения сетей радиосвязи, позволяющая использовать одни и те же частоты в нескольких ячейках (сотах), отстоящих друг от друга на расстояние, зависящее от размеров соты*.

Идея сотовой телефонной связи такова (рис. 13.1). Площадь, подлежащая телефонизации, покрывается сетью базовых приемопередатчиков (Base Transceiver Station – BТS). При этом чувствительность и излучаемая мощность базовой станции гораздо выше, чем чувстви-

* Ячейки имеют форму шестиугольника и очень напоминают по форме пчелиные соты. Отсюда и название ячейки «сота».

тельность и мощность излучения мобильной станции (Mobile Station – MS), что позволяет сделать сами телефоны достаточно компактными и использовать источники питания ограниченной емкости. При перемещении MS через границу зоны обслуживанияBS (соты) должно обеспечиваться автоматическое (и незаметное для абонента) переключение обслуживания с одной базовой станции на другую. Переключение осуществляет центр коммутации подвижной сети(Mobile Service Switching Center – MSC). Центр коммутации подвижной связи

(MSC) имеет выход на коммутируемую телефонную сеть общего пользования (PSTN – Public Switched Telephone Network).

Если представить зону обслуживания абонентов сотовой сети как окружность с радиусом R0 (рис. 13.2), то площадь этой зоны будет pR 2 площадь соты (шестиугольника) равна 2,6R02 , где R 2 – радиус рабочей зоны BS, тогда число сот L определяется по формуле

2

L = 1,21æç R0 ö÷ . (13.1)

è R ø

Очевидно, что число BS равно числу сот, так как на каждую соту приходится одна базовая станция.

Соты группируются в кластеры. В одном кластере находится с базовых станций, работающих в неповторяющихся диапазонах частот, каждая из BS обеспечивает I каналов. Общее число каналов в кластере равно cI, а общая полоса, занимаемая этими каналами,

где DFC – полоса пропускания одного канала.

Так как в зоне обслуживания радиосвязью размещаетсяL/c кластеров, работающих в повторяющихся диапазонах частот, то при том же ресурсе частот DFS число каналов в сотовых сетях радиосвязи

Рис. 13.3. Архитектура сотовой сети

увеличивается в L/c раз по сравнению с радиальными системами радиосвязи.

Для увеличения числа абонентов надо стараться уменьшить число сот в кластере. Минимальное значение с равно 2. На рис. 13.3 приведена архитектура сотовой сети сс = 7. На практике с определяют по формуле [1]

где D – расстояние между базовыми станциями, использующими одни и те же рабочие частоты. Это расстояние выбирается так, чтобы помехи от BSi одного кластера в зоне обслуживания BSi* соседнего кластера не превышали допустимой величины. Частоты BSi и BSi* совпадают.

Более эффективной считается система, которая в выделенном спектре частот DFS обслуживает большее количество MS. Из анализа выражений (13.2) и (13.3) следует, что увеличение доступных абонентам каналов при заданных DFS и с может быть достигнуто путем

уменьшения радиуса соты R. Уменьшение радиуса соты позволит уменьшить коэффициент повторяемости с, получить большие значения отношений сигнал– помеха на входе MS, но приведет к росту числа переключений MS между базовыми станциями, что увеличивает нагрузку на устройства управленияBS и MS, а также число пере-

рывов в связи. Таким образом, уменьшение размеров соты обеспечивает повышение эффективности использования спектра радиочастот, но повышает требование к обеспечению непрерывности связи с MS.

При проектировании сотовых сетей помимо перечисленных выше факторов следует учитывать данные о нагрузке, поступающей от абонента. Так, считается, что во время наибольшей нагрузки типич-

ный абонент делает 1 вызов в час, средняя длительность сеанса связи 90 с. Таким образом, нагрузка от абонента

A = n ´T = 1´ 90 = 0,025 эрланга, 3600 3600

где n – число вызовов в час наибольшей нагрузки; Т – длительность сеанса связи.

Во время сеанса связи в среднем требуется одно переключение на другую сотовую зону. На один вызов, получаемый абонентом, он сам инициирует два вызова. Менее 10 % вызовов – это вызовы от подвижного к подвижному телефону.

При средней длительности сеанса связи90 с пропускная способность одного канала составляет40 вызовов в час. Следовательно, если в среднем абонент делает один вызов в час, то один канал может обслужить 40 абонентов в час. Очевидно, что и коммутатор сотовой системы должен в час наибольшей нагрузки обрабатывать40 вызовов в час от каждого канала. Приведенные оценки являются максимальными теоретическими оценками. Более реалистичные оценки составляют примерно 75 % от теоретических.

Сотовая идеология систем подвижной связи начала разрабатываться в 70-х годах. Однако внедрение сотовых систем началось только после того, как были найдены способы определения текущего местоположения абонентов и обеспечения непрерывности связи при перемещении абонента из одной соты в другую.

Различают аналоговые и цифровые сотовые системы подвижной связи. Известно девять основных стандартов аналоговых систем.

Один из них – NMT (Nordic Mobile Telephone System) принят в качест-

ве федерального стандарта для России.

Однако аналоговые системы уже не удовлетворяют современному уровню развития информационных технологий из-за ряда недостатков, главные из которых несовместимость стандартов, ограниченная зона действия, низкое качество связи, отсутствие засекречивания передаваемых сообщений и взаимодействия с цифровыми сетями с интеграцией служб и пакетной передачи данных. Пик числа абонентов аналоговых сетей приходится на1994 г. В настоящее время в мире наблюдается снижение числа пользователей аналоговых сетей.

В80-х годах в Европе, Северной Америке и Японии приступили

кинтенсивному изучению принципов построения перспективных цифровых систем и сегодня уже разработаны три стандарта таких систем, один из них, GSM-900, принят в качестве федерального для цифровых сотовых сетей России.

Внедрение сетей подвижной радиотелефонной связи в России началось в 60-х годах с вводом в действие отечественного оборудования системы «Алтай-1». В первых десятилетиях эти сети предназна-

чались в основном для организации оперативной связи должностным лицам органов государственного и административно-хозяйственного управления.

По мере изменения в России социальных и экономических условий появилась необходимость расширения сетей радиотелефонной связи, повышения качественных показателей услуг, предоставляемых этими сетями. Решение этой задачи в настоящее время можно обеспечить только путем использования передовых зарубежных технологий и инвестирования работ по созданию в стране систем сухопутной подвижной радиосвязи общего пользования* (СПР-ОП).

13.2. Аналоговые сотовые сети подвижной радиосвязи

Стандарты аналоговых сотовых систем[1–5]. Первым в мире стандартом сотовых сетей радиотелефонной связи является стандарт NMT-450. Этот стандарт был введен в эксплуатацию в1981 г. в Дании, Финляндии, Норвегии и Швеции. В системе NMT-450 для передачи информации от BS к MS используется поддиапазон 463…467,5 МГц, а для передачи отMS к BS поддиапазон 453…457,5 МГц. Каналы в этих поддиапазонах занимают полосу25 кГц. Таким образом в каждом поддиапазоне размещается 180 каналов. В среднем один канал с частотной модуляцией может обслужить25–30 абонентов при нагрузке от одного абонента до 0,025 эрланга.

В 1983 г. в США был введен в эксплуатацию стандартAMPS (American Advanced Mobile Phone System). В отличие от стандарта

NMT-450, который предусматривает связь между абонентами, находящимися в любых частях страны, стандарт AMPS был первой системой сотовой радиосвязи, ориентированной на города. Связь от BS к MS осуществляется в поддиапазоне 870–890 МГц, от MS к BS – в поддиапазоне 825…845 МГц. В каждом из поддиапазонов размещается 666 каналов. AMPS является единственным стандартом, предоставляющим возможность плавного перехода с аналогового на цифровое оборудование при их совместном использовании в единой системе. Такое совмещение поддерживается современными портативными телефонами (Dual Mode), работающими как по цифровым, так и по аналоговым каналам. Это позволяет минимизировать затраты на создание системы сотовой связи, используя на начальном этапе аналоговое оборудование, а в последующем его цифровую модернизацию

(DAMPS).

*Под системами сухопутной подвижной радиосвязи общего пользования(СПР-ОП) понимается совокупность технических средств (радиооборудование, коммутационное оборудование, соединительные линии и сооружения), с помощью которых можно предоставлять подвижным абонентам связь между собой и абонентами телефонной сети общего пользования.