5.8. Сотовые системы связи

Сотовые системы связи (ССС) предназначены для обеспечения подвижных и стационарных объектов телефонной связью и передачей данных [13].

В сотовых системах связи к подвижным объектам относятся как наземные транспортные средства, так и непосредственно человек, находящийся в движении и оснащенный портативной абонентской станцией.

Передача данных подвижному объекту существенно расширяет его возможности, так как кроме телефонной связи он имеет возможность получать телексные и факсимильные сообщения, графическую информацию, планы местности, графики движения транспорта и т.п.

Сотовые системы связи в различных отраслях хозяйственной деятельности позволяют значительно повысить производительность труда на подвижных объектах, обеспечить автоматический контроль технологических процессов, создать надежную систему управления на больших территориях, что позволяет экономить материально-трудовые ресурсы.

В настоящее время системы радиосвязи с подвижными объектами подразделяют:

• на ведомственные или частные системы подвижной связи (ВСПС);

• на сотовые системы подвижной связи (ССПС);

• на системы персонального радиовызова (СПРВ).

Сотовые системы подвижной связи – это принципиально новые системы радиосвязи. Они построены по принципу «сотового» распределения частот на обслуживаемой территории. Это значит, что подведомственная территория в соответствии с сотовым территориально-частотным планированием обеспечивает радиосвязью большое число подвижных объектов с предоставлением им выхода на телефонную сеть общего пользования. Это позволяет значительно повысить оперативность связи, управления и контроля за работой подведомственных организаций.

Сотовые системы связи имеют следующие преимущества по сравнению с централизованными средствами связи:

• большое число абонентов;

• высокое качество телефонной связи и передачи данных;

• возможность связи с ЭВМ и базами данных;

• эффективное использование полосы частот;

• лучшую электромагнитную совместимость (ЭМС) с другими радиотехническими системами.

Системы радиосвязи с подвижными объектами (ПО) подразделяются на ведомственные (специализированные) радиотелефонные системы и на радиотелефонные системы общего пользования.

Радиотелефонные системы общего пользования занимают ведущее место среди всех видов связи с подвижными объектами. Это по сути дела радио АТС, где эффективно используется выделенная полоса частот. В этой полосе частот абоненты объединяются в группу с равным доступом к общей системе связи.

Радиотелефонные системы общего пользования делятся на два вида:

• системы с большими зонами обслуживания (радиальные системы);

• системы с малыми зонами обслуживания (сотовые системы связи).

Системы с большими зонами обслуживания имеют одну центральную станцию (обычно на возвышенности), которая обслуживает территорию радиусом 50-100км и имеют мощность передатчика 100-250Вт.

К недостаткам таких систем относятся:

• ограниченное число абонентов и трудность их увеличения;

• взаимные помехи от передатчиков соседних зон;

• трудность контроля качества связи внутри каждой зоны для подвижных объектов;

• необходимость детально планировать частотную обстановку в выделенном рабочем диапазоне частот.

Системы с малыми зонами обслуживания или сотовые системы подвижной связи имеют совершенно иную структуру. Она основана на сотовом построении и распределении частот. Представьте себе пчелиные соты в виде определенной зоны. Эта зона обслуживания делится на большое число ячеек – «сот», каждая из которых обслуживается радиостанцией малой мощности в центре соты. Мощность передатчика всего несколько десятков мВт. Это позволяет без помех повторять рабочие частоты через одну-две соты и обеспечить качественной радиосвязью большое число подвижных абонентов в условиях ограниченного частотного диапазона. Кроме того, появляется возможность гибкого развития системы за счет увеличения или уменьшения зон обслуживания.

К числу недостатков сотовых систем связи следует отнести повышение стоимости системы из-за увеличения числа базовых радиостанций и необходимости слежения за подвижным объектом, чтобы он не пересек другую зону. А это требует применение специальной аппаратуры непрерывного слежения.

Последние разработки сотовых систем радиосвязи с подвижными объектами имеют сотовую или квазисотовую структуру, автоматизированное управление, возможность входа в сеть общего пользования, возможность передачи цифровых сигналов управления, а также других видов сигналов, в том числе и речи, в цифровой и аналоговой форме.

В структуру сотовой системы связи входят:

• оборудование центральных станций (центров коммутации);

• оборудование базовых станций;

• оборудование абонентских станций;

• комплект линейного оборудования для подвижной радиосвязи со стационарной телефонной сетью.

Электронная система коммуникации центральной станции содержит процессоры, запоминающие устройства, коммутационные цепи, межстанционные соединительные линии и различные служебные цепи в виде единой системы управления.

На базовой станции, предназначенной для передачи и приема сигналов абонентов, размещены передатчик, приемник, контролер, аппаратура передачи данных и контроля каналов, а также антенная система. Здесь под управлением центральной станции осуществляется поиск подвижных объектов, определение его места положения, установление соединения, распределение каналов, передача данных и выполнение диагностических процедур на оборудовании базовой станции. Все эти операции программируются контролерами.

На рис. 5.29 представлена обобщенная структурная схема сотовой системы связи.

рис.5.29

Условные обозначения:

• ПО – подвижный объект (абонентская радиостанция);

• БС – базовая станция;

• ЦК – центр коммуникации (центральная станция);

• ВБД – визитный банк данных;

• АТС – автоматическая телефонная станция;

• ОБД – опорный банк данных.

Подвижный объект (ПО) имеет абонентскую радиостанцию, работающую в диапазоне частот порядка 900МГц. Вид модуляции – частотный с разносом рабочих частот 2530кГц. Прорабатываются варианты передачи сигналов с одной боковой полосой и широкополосных шумоподобных сигналов с целью повышения помехоустойчивости и увеличения числа абонентов [5].

Абонентская станция имеет ячейку с микропроцессором (модемом), который называется слот.

Мощность передатчика 10 мВт, что позволяет держать уверенную связь с базовой станцией на расстояние 1012км.

Базовая станция (БС) имеет десять несущих частот с 24 ячейками (слотами) на каждой несущей частоте. Здесь осуществляется автоматический поиск свободного канала, а также переключение на новый канал в диапазоне частот 1,8-1,9ГГц. Для снижения межканальных помех антенны ориентируются строго на корреспондента.

Сигналы от абонентских станций принимаются базовой станцией и передаются на центральную станцию, которую называют также центром коммуникации (ЦК). На центральной станции производится опознание абонента. Для этого служит Визитный банк данных (ВБД). После опознания абонент подключается к автоматической телефонной станции (АТС), которая также имеет все данные об абонентах в своем Опорном банке данных (ОБД).

После того, как опознанный абонент вышел на АТС, он имеет возможность подключиться к любому другому абоненту.

Обычно сотовая связь используется для передачи данных, но промежутков между передачей данных вполне достаточно для осуществления практически бесперебойной телефонной связи.

В заключении следует отметить, что в сотовых системах связи весьма эффективно используется выделенный частотный диапазон за счет повторения одних и тех же рабочих частот в различных ячейках радиостанций. Еще большему уплотнению отведенного диапазона мешают внутрисистемные помехи от ячеек с повторяющимися частотами, а также межканальные помехи. Критерием здесь служит допустимая величина защитного интервала между каналами.

Для ослабления взаимных и межканальных помех в сотовых системах связи стали применять разнесенный прием и соответствующую пространственную ориентацию антенны смежных каналов. Принятые меры позволяют повысить отношения сигнал/помеха и улучшить качество связи. Дополнительно подавить помеху можно также путем увеличения индекса частотной модуляции, но здесь нужно знать меру, так как этот метод ведет к расширению спектра частот передаваемого сигнала.

Сотовые системы подвижной связи является весьма перспективными, вот почему в России и многих других странах мира осуществляется интенсивное внедрение этих систем во все сферы деятельности общества.

Вопросы для самопроверки

1. Поясните особенности распространения ультракоротких волн.

2. Что такое дифракция и рефракция радиоволн?

3. Почему возможен прием ультракоротких волн за пределами прямой видимости?

4. Нарисуйте структурную схему радиорелейной линии связи.

5. Чем отличаются режимы работы оконечной, промежуточной и узловой радиорелейной станции?

6. Поясните принцип тропосферной радиосвязи.

7. Почему канал ионосферной радиосвязи уже, чем тропосферной радиосвязи?

8. Какие особенности имеют системы метеорной радиосвязи?

9. Поясните принцип радиосвязи через искусственный спутник Земли.

10. Что такое многостанционный доступ в системе спутниковой связи?

11. Поясните назначение основных элементов наземного комплекса системы спутниковой связи.

12. Как строится приемо-передающая аппаратура наземного комплекса?

13. Что такое стационарная система спутниковой связи?

14. Поясните назначение основных элементов бортового оборудования ИСЗ.

15. Нарисуйте и поясните структурную схему связного оборудования борта ИСЗ.

16. Какие виды радиосвязи с подвижными объектами вы знаете?

17. Какие преимущества и недостатки имеют системы радиосвязи с большими зонами обслуживания и с малыми зонами обслуживания?

18. Какие элементы входят в систему сотовой связи?

19. Поясните функции, выполняемые центральными и базовыми станциями ССС.

20. Нарисуйте обобщенную структурную схему системы сотовой связи и поясните процесс выхода абонента подвижного объекта на телефонную сеть общего пользования.

Литература: [ЭП], [8–13].

Задачи

Задача 1

В системах тропосферной связи средняя мощность на входе приемника (Р_о – мощность сигнала на входе приемника при распространении радиоволн в свободном пространстве, _ср – средний множитель ослабления поля за счет рассеяния радиоволн неоднородностями тропосферы). Протяженность трассы Д=500км, рабочая частота f_р=300МГц, а мощность передатчика Р_прд=10кВт.

Определить величину _ср и средную мощность Р_ср на входе приемника

Задача 2

На высокоэлептической орбите с апогеем 39500км и перигеем 500км находятся три ИСЗ с периодом обращения 12 часов. Длительность сеанса связи с Москвой через каждый спутник составляет 9 часов.

Определить максимальный доплеровский сдвиг частоты f_доп, если несущая частота f_o=8,4ГГц. По вычисленному значению доплеровского сдвига частоты найти на сколько телефонных каналов произойдет сбой в системе с ЧРК на 1820 каналов, если не применять автоматическую подстройку частоты по сигналу корреспондента.

Литература: [ЭП], [12].