1. Особенности организации сотовых сетей подвижной радиосвязи

1.1. Роль сотовой структуры в повышении эффективности использования частотного ресурса

Стремительно развивающиеся сотовые системы радиосвязи позволили решить проблем экономии радиочастотных каналов за счет многократного использования выделенного частотного ресурса на основе пространственного разнесения приемопередатчиков с совпадающими частотами. Именно сотовая топология позволила многократно увеличить емкость телекоммуникационных сетей по отношению к сетям радиальной структуры без ухудшения качества связи и расширения выделенной полосы частот. Использование сотовой структуры для организации сети подвижной радиосвязи стало возможным только после того, как были найдены способы определения текущего местоположения подвижных абонентов, обеспечения непрерывности связи при перемещении абонента из одной в другую, а также тарификации предоставляемых услуг связи.

В сотовых системах радиотелефонной связи вся обслуживаемая территория разделена на ячейки. Ячейка рассматривается в данном случае как участок поверхности Земли. Если на базовой станции используется антенна с круговой диаграммой направленности, то линия, соответствующая постоянному уровню сигнала, близка к окружности. Однако для проектирования сети круговые ячейки не совсем удобны, поскольку заполнение поверхности кругами приводит либо к образованию непокрытых областей, либо к перекрытию ячеек. С другой стороны, аппроксимация круга многоугольниками приводит к фигурам трех типов: равносторонним треугольникам, квадратам и правильным шестиугольникам (рис. 1,1). При одинаковом расстоянии от центра фигуры до ее вершины наибольшую площадь занимает правильный шестиугольник. Отсюда следует, что при обслуживании определенной площади шестиугольный план требует меньшего количества ячеек и, следовательно, меньшего числа БС. Система, которая основывается на шестиугольных ячейках, экономически выгоднее, чем треугольная или квадратная при прочих равных условиях [25, 26]. При таком подходе npиходится допускать, что вследствие изменения условий распространения радиоволн границы

ячейки могут изменяться и обслуживаться всегда будут только те мобильные объекты, которые находятся в пределах зоны действия БС в данный момент времени.

В результате разделения поверхности на правильные шестиугольники образуется перио­дическая структура, которая называется плоской регулярной гексагональной решеткой (рис. 1.2).

Рис. 1.2

Для определения расстояний в такой структуре удобно ввести косоугольную систему координат, в которой угол между осями ОХ и OY 60 град. В таких координатах расстояние между двумя точками P₁(x1, y1) и Р₂(х2, у2) определяется по формуле

Например, если деление на каждой оси соответствует одному километру, то расстояние между точками P₁(2, 1) и Р₂(1, 3) согласно (1.1) равно d(P₁, P₂)= =1,73 км. (рис.1.2)

В вопросах частотного планирования ССПР важную роль играет понятие кластера.

Кластером называется совокупность ближайших сот, в которых используются различные частоты либо группы частот в пределах выделенного диапазона. Число ячеек, входящих в кластер, называется его размерностью.

Таким образом, за каждой ячейкой кластера закрепляется канал или группа каналов.

Размерность кластера определяется по формуле

где i и j- целые числа, причем i j.

На рис.1.3 показаны кластеры различных размерностей. Если i=2 и j=0, то группа ячеек образует кластер размерности К=4 (рис. 1.3,а). Ячейки кластера пронумерованы и каждой цифре соответствует частотный канал или группа каналов. Кластеры равномерно покрывают всю территорию, образуя периодическую структуру. Поскольку при повторении кластеров повторяются и приписанные им частоты, то для покрытия территории любых размеров при ограниченных взаимных помехах достаточно иметь всего четыре частоты или четыре группы радиочастот.

Очевидно, что чем больше размерность кластера, тем меньше взаимные помехи на сов­падающих частотах. На рис. 1.3,б, в, и г показаны конфигурации кластеров размерностей К=7 (i=2, j=l), K=12 (i=2, j=2) и К=19 (i=3, j=2). Наименьшая размерность кластера К= 1 получает­ся при i= 1 и J=o ,

Рис. 1.3

Рассматривая шестиугольную соту как совокупность равносторонних треугольников со стороной, равной радиусу описанной окружности R, можно показать, что цена одного деле­ния вдоль каждой оси, выраженная в радиусах ячейки, равна R . Координаты центральных точек ячеек с совпадающими частотами соседних кластеров равны Р₁(0, 0) и P₂(i R,J R).

Отсюда согласно (1.1) расстояние между центрами ячеек с совпадающими частотами равно

С учетом (1.2) имеем

Отношение D, представляющего собой расстояние между центрами ближайших cut с совпадающими частотами, к радиусу соты R называют относительным расстоянием повтор­ного использования частотных каналов

В табл. 1.1 приведены величины расстояния между сотами с совпадающими частотами радиоканалов для кластеров различных размерностей.

Таблица 1.1
№	i	j	К	D
1	1	1	3	3R
2	2	0	4	3,46R
3	2	1	7	4.6R
4	3	0	9	5,2R
5	2	2	12	6R
6	3	2	19	7,5 5 R

На рис. 1.4 показаны все пути прихода помех от ближайших ячеек с совпадающими час­тотами. Мобильные станции (МС) окружающих ячеек создают помехи приемному устройст­ву базовой станции центральной ячейки кластера (К=7). В свою очередь, базовая стаиция центральной ячейки выделенного утолщенной линией кластера создает помехи мобильным станциям во всех ячейках с третьим номером примыкающих кластеров. Учет всех этих помех и сведение их уровня до приемлемого значения представляют со­бой самостоятельные задачи, решаемые в процессе проектирования ССПР.

Рис. 1.4