3 Сотовая структура как метод эффективного использования частотного ресурса

Доступность и необходимость сотовой связи в последнее десятилетие привели к существенному увеличению числа пользователей данного вида услуг и резкому росту объема передаваемой и обрабатываемой информации. В этой связи перед операторами мобильной связи наиболее остро встает вопрос грамотного распределения нагрузки сети на ее ресурсы для оказания услуг на определенном законодательством уровне. При проектировании сотовой сети основной целью является ее оптимальное построение по основному критерию: высокая эффективность — минимальная стоимость. Решение данной проблемы включает в себя комплекс мер, рассматриваемых как на этапе частотно-территориального планирования, так и в процессе эксплуатации путем постоянной оптимизации ресурсов сети. Основными задачами, стоящими перед оптимизатором, являются следующие: грамотное распределение нагрузки по ресурсам сети; обеспечение качественного приема сигнала в зоне обслуживания; выявление и устранение со канальных помех. Наиболее актуальна проблема оптимального распределения нагрузки, так как она напрямую влияет на основной критерий проектирования

Для правильной оценки эффективности работы частотного ресурса необходимо рассчитать максимальную нагрузку, которую может обеспечить сектор базовой станции (БС) с различным числом приемопередатчиков.

Таблица 3.1 Типы сот

Тип соты	Радиус	Когда используется
Пикосота	до 100 м	в домах/магазинах
Микросота	50-300 м	в городе
Макросота	1-20 км	вдоль дорог
Гиперсота	больше 20 км	вне городов

Группа сот с различными наборами частот называется кластером. Определяющим его параметром является количество используемых в соседних сотах частот. Основной идеей, на которой базируется принцип сотовой связи, является повторное использование частот в несмежных сотах. Первым способом организации повторного использования частот, который применялся в аналоговых системах сотовой подвижной связи первого поколения, был способ, использующий антенны базовых станций с круговыми диаграммами направленности. Он предполагает передачу сигнала одинаковой мощности по всем направлениям, что для абонентских станций эквивалентно приему помех от всех базовых станций со всех направлений. Базовые станции, на которых допускается повторное использование выделенного набора частот, удалены друг от друга на расстояние, называемое "защитным интервалом". Именно возможность повторного применения одних и тех же частот определяет высокую эффективность использования частотного спектра в сотовых системах связи. Частоты внутри кластера распределяются так, чтобы минимизировать интерференцию по соседнему каналу. Например, если в кластере 21 сота, см. рис 10.8 и для них выделен определенный частотный диапазон, то каждой соте будет выделена 1/21 часть от общего частотного диапазона. Если соты в кластере пронумеровать как А1, А2, А3, … G1, G2, G3 то соты в соседних кластерах тоже будут иметь номера А1, А2, А3, … G1, G2, G3, а каждая пронумерованная сота в кластере имеет тот же частотный спектр, что и сота с тем же номером в соседнем кластере при использовании трехсекторных сайтов, численное обозначение кластера будет кратно 1/3.

Рисунок 3.1 Кластер.

Секторные антенны

Секторные антенны принимают (и передают) сигнал с определённого сектора. Этот сектор обычно составляет в горизонтальной плоскости 60°, 90° или 120° и от 5° до 15° в вертикальной плоскости.

Секторные антенны, в основном, ставят на базовых станциях операторы сотовой связи или мобильного интернета, или их используют в составе ретрансляторов. Для того чтобы в любой точке вокруг базовой станции был сигнал, используются такие схемы установки антенн:

– 6 антенн с диаграммой направленности (далее ДН) по 60°;

– 4 антенны с ДН по 90°;

– 3 антенны с ДН по 120°.

У секторной антенны во всех рабочих направлениях её диаграммы направленности примерно одинаковое усиление сигнала. В этом состоит первое отличие секторных антенн от обычных направленных, у ДН которых есть ярко выраженный максимум, спадающий к её границам.

Узкая ДН в вертикальной плоскости позволяет секторной антенне принимать (и передавать) сигнал только от устройств, находящихся на поверхности земли и немного выше её. То есть сигнал как бы «стелется» по поверхности, не создавая ненужных от неё отражений и не облучая небо. У обычных же направленных антенн ДН в вертикальной плоскости не позволит добиться этого.

Представим себе здание, на крыше которого расположено 6 секторных антенн с ДН по 60°. Эти антенны расположены равномерно по кругу, чтобы обручить все 360° вокруг себя. Вот как будет выглядеть распространение сигнала, если смотреть на это здание сверху:

Рисунок 3.2 Шесть секторных антенн с ДН 60

Рисунок 3.4 вид сбоку (показана только одна антенна)

У абонента можно поставить либо всенаправленную, либо направленную, либо секторную антенны. Плюсы и минусы каждого случая:

1. Всенаправленные антенны

Плюсы: антенна ловит сигнал ото всех базовых станций, находящихся вокруг, и абонентское устройство подключится к наименее загруженной базовой станции с самым мощным уровнем сигнала; простой монтаж антенны.

Минусы: слабое усиление сигнала (обычно от 3 до 12 дБ).

2. Направленные антенны

Плюсы: большое усиление позволяет добиться высокой скорости, качества и устойчивости соединения; узкая диаграмма направленности ловит сигнал только с нужного направления и не захватывает боковые помехи.

Минусы: при монтаже антенны необходимо знать точное направление на базовую станцию; при отказе базовой станции или при её большой загрузке абонентское устройство не сможет переключиться на другую базовую станцию, придётся вручную перенаправлять антенну.

3. Секторные антенны

Плюсы: сравнимое с направленными антеннами усиление также позволяет добиться высокой скорости, качества и устойчивости соединения; ДН в виде сектора позволяет захватывать несколько базовых станций и переключаться между ними в зависимости от условий связи и состояния БС.

Минусы: более высокая стоимость по сравнению с направленными и всенаправленными антеннами (обусловленная, как правило, их сравнительно невысокой распространенностью).

Также стоит отметить, что секторные антенны, установленные на здании, не представляют угрозы здоровью людей, находящимся в нём. Секторные антенны излучают всю свою мощность на территорию вокруг себя, а вниз, то есть в само здание, практически ничего не излучается. Напротив, прием сигнала  в здании от антенны, установленной на нём, будет значительно хуже, чем на территории рядом с ними.