12.2. Сотовые системы
Сотовая система подвижной радиосвязи (ССПС) использует большое число маломощных передатчиков, которые предназначены для обслуживания только сравнительно небольшой зоны, скажем, радиусом 1…2 км. Эти небольшие зоны покрытия называются сотами. Чтобы понять, как это изменит общую картину, предположим, что все имеющиеся в распоряжении частотные каналы могут повторно использоваться в каждой ячейке сотовой структуры. Тогда требуемые для 0,1 % жителей Москвы 250 каналов можно получить, например, разделением обслуживаемой территории радиусом 50 км на 25 ячеек радиусом по 10 км с организацией в каждой ячейке только 10 радиоканалов с одним и тем же набором частот. (Пример приведен только для пояснения сотового принципа).
Из-за недопустимо большого уровня взаимных помех ячейки с одинаковым набором частот необходимо перемежать буферными ячейками с другими наборами частот. Группа ячеек в зоне обслуживания с различными наборами частот называется кластером. На рис. 12.2 показан образец сотовой структуры с типичной для аналоговых сетей размерностью кластера п = 7. Если, например, для обслуживания абонентов в одной ячейке требуется набор из 10 частот, то для создания сотовой структуры с размерностью кластера n = 7, обслуживающей сколь угодно большую территорию, необходимо располагать набором из 70 частот.
Рис. 12.2. Образец сотовой структуры
Основной потенциал сотовой идеи заключается в том, что уровень взаимных помех зависит не от расстояния между ячейками, а от отношения расстояния между ячейками к их радиусу. Радиус ячейки зависит от мощности передатчика и определяется разработчиком системы, который в процессе проектирования должен выбрать подходящую размерность кластера. С уменьшением радиуса ячейки возрастает количество базовых станций, приходящихся на 1 км2 площади обслуживания и на 1 МГц используемой полосы частот.
Конечно, полномасштабное развертывание сотовой сети с самого начала ее ввода в эксплуатацию представляется чрезвычайно дорогостоящим. Обычно начинается внедрение небольшого числа крупных ячеек, которые через некоторое время постепенно трансформируются в большее число более мелких ячеек. Такой способ преобразования называется расщеплением. Когда в некоторой ячейке нагрузка достигает того уровня, при котором существующее в ней число каналов оказывается недостаточным для поддержания установленного качества обслуживании абонентов (т.е. вероятность непредоставления канала при поступлении вызова оказывается больше установленного значения, как правило, до 5%), эта ячейка разделяется на несколько более мелких с пониженной мощностью передатчиков. При этом пропускная способность сети на территории расщепленной ячейки увеличивается в число раз, равное числу вновь образованных ячеек. Эта процедура может повторяться до тех пор, пока сеть не достигнет расчетного значения своей пропускной способности.
Ячейки небольших размеров требуются только в центральной части города со значительной плотностью абонентов. Ближе к окраинам плотность снижается, и размеры ячеек могут увеличиваться. Расщепление ячеек может производиться достаточно гибко как в пространстве, так и во времени. Такая гибкость является чрезвычайно удобным средством в руках проектировщиков для возможности повышения пропускной способности именно там и именно в то время, где и когда это необходимо.
Использование сравнительно небольших ячеек создает проблему поддержания непрерывности связи. При движении по произвольному маршруту объект (абонент ССПС) в течение одного сеанса связи может миновать несколько ячеек. В этом случае непрерывность связи обеспечивается способностью системы автоматически передавать связь с объектом тем базовым станциям, в зоне действия которых он оказывается в данный момент.
Благодаря непрерывным измерениям уровней сигналов, поступающих в центр коммутации подвижной связи от базовых станций, ближайших к движущемуся объекту, система может определить момент пересечения объектом границы двух ячеек и переключить разговорный канал из первой ячейки во вторую в течение достаточно малого промежутка времени, не приводящего к нарушению непрерывности разговора. Такая процедура, получившая название эстафетной передачи (handover), требует весьма сложного алгоритма определения именно той ячейки из нескольких соседних, куда перемещается объект, а также быстродействующих алгоритмов и схемотехнических решений, обеспечивающих освобождение канала в первой ячейке и поиск свободного канала с восстановлением по нему связи во второй ячейке. Реализация описанных основных принципов сотовой архитектуры:
использование маломощных передатчиков с радиопокрытием небольших по размеру ячеек;
повторное использование частот в пределах одной зоны обслуживания;
поэтапное увеличение пропускной способности за счет расщепления ячеек;
обеспечение непрерывности связи в процессе перемещения объекта от ячейки к ячейке привела в начале 80-х годов к созданию в ряде промышленно развитых стран Европы и Северной Америки ССПС, которые положили начало массовому внедрению услуг подвижной связи во всем мире.
Развернутые в 80-х годах ССПС относят к первому поколению и описываются стандартами AMPS(CUJA), НСМТЭ(Япония), NMT-450 и NMT-900 (Северная Европа), С-450 (Германия), TACS (Великобритания), ETACS (Англия, Лондон), RTMS-101H (Италия) и Radio-com-200 (Франция). Они были рассчитаны в основном на обслуживание абонентов в рамках национальных границ, использовали аналоговую ЧМ для передачи речи и внутриполосную (in-band) сигнализацию в процессе установления соединения между абонентскими терминалами и остальной сетью. Исключение составляла система стандарта NMT-450 (NMT-900), которая была введена в эксплуатацию в 1981г. как международная система для четырех стран Северной Европы: Дании, Финляндии, Норвегии и Швеции. Однако аналоговые ССПС не удовлетворяют современному уровню развития связи. Тем не менее, один из аналоговых стандартов – NMT-450 – принят в качестве федерального стандарта России.
Системы второго поколения проектировались для создания крупномасштабных сетей с учетом обеспечения международного роуминга – автоматического обслуживания абонентов, приехавших со своими терминалами в другую страну. К настоящему времени разработано четыре стандарта:
паневропейский GSM;
два конкурирующих североамериканских: ADC (D-AMPS) по стандарту TIA IS-54 и CDMA по стандарту TIA IS-95;
японский JDC.
Стандарт GSM является наиболее прогрессивным, его основные характеристики подробнее рассматриваются ниже.
Стандарт D-AMPS разрабатывался в США с 1987 г. FCC не смогла выделить отдельную полосу частот в диапазоне 900 МГц для перспективной цифровой ССПС США. Ассоциация промышленности сотовой связи (CTIA) совместно с TIA приняли решение о совмещении в одной полосе частот аналоговой ССПС стандарта AMPS и будущей цифровой ССПС, сохранив используемый в AMPS разнос каналов, равный 30 кГц, при использовании речевого кодека VSELP со скоростью преобразования речи 8 кбит/с. Стандарт TIA IS-54 на ССПС ADC (D-AMPS) был принят в 1990 г. Несмотря на то, что D-AMPS – не полностью цифровое решение (используются аналоговые каналы управления), он оказался более прогрессивным, чем AMPS.
ССПС, использующие кодовое разделение каналов CDMA, были разработаны фирмой Qualcomm (США) и развиваются фирмой Motorola.
В апреле 1991г. был принят японский стандарт цифровой JDC. Стандарт JDC рассчитан на работу в диапазонах частот 800/900 МГц и 1400/1500 МГц, использует, так же как D-AMPS, временное разделение каналов с тремя временными окнами на несущую. К особенностям JDC следует отнести прямую связь с ISDN, возможность шифрования передаваемых сообщений, применение речевого кодека VSELP со скоростью преобразования речи 11,2 кбит/с, меньший, чем в D-AMPS, разнос частотных каналов: 25 кГц. В целом цифровая ССПС Японии во многом не уступает ССПС стандарта GSM и по некоторым параметрам превосходит американскую ССПС стандарта D-AMPS.
Рассмотрим характеристики стандарта GSM. В 1982 г. СЕРТ в целях изучения и разработки общеевропейской цифровой системы сотовой связи создала рабочую группу, получившую название GSM (Groupe Special Mobile). В 1989 г. работы по GSM перешли к ETSI, а в 1990 г. были опубликованы спецификации первой фазы GSM. Несмотря на то, что система GSM была стандартизирована в Европе, на самом деле она не является исключительно европейским стандартом. Аббревиатура GSM приобрела новое значение-Global System for Mobile communications (Глобальная система подвижной связи).
Система стандарта GSM построена на основе новейшей технологии в виде цифровой системы с программным управлением, совместимой с цифровой телефонной сетью общего пользования интегрального обслуживания (ISDN). В ней использованы:
эталонная модель взаимодействия открытых систем (ЭМ ВОС);
система сигнализации SS7;
принципы построения интеллектуальной сети IN/1.
Элементы этой системы способны контролировать и управлять всеми основными характеристиками сигнала в процессе передачи. Система обладает достаточным «интеллектом» для обнаружения возникшего отклонения в работе, его диагностики, принятия решения и проведения необходимой коррекции. В ней реализована большая часть возможностей ISDN и дополнительные возможности, связанные с особенностями подвижной радиосети: управление по радио, слежение за местоположением подвижного объекта, обеспечение функции эстафетной передачи, защита передаваемой информации и т.п. Инфраструктура сети создает и постоянно обновляет объемные базы данных, содержащие необходимые сведения об абонентах и их местоположении, устраняет все обнаруженные неполадки, модифицирует свою конфигурацию по мере изменения нагрузки и выполняет множество других функций по эксплуатации и обслуживанию сети, тарификации, взаимодействия с другими стационарными и подвижными сетями.
Для системы GSM допустимое отношение мощностей несущей и помех в канале связи составляет 9 дБ, в аналоговых системах этот показатель, как правило, близок к 18 дБ. Выигрыш в 9 дБ объясняется известными преимуществами цифровой обработки сигналов и, в частности, использованием устройств типа:
речевых кодеков, устойчивых к помехам в канале связи;
эффективных цифровых модуляторов, благодаря которым основная часть энергии радиосигнала оказывается сосредоточенной в полосе частот канала связи;
помехоустойчивых кодов в сочетании с процедурой перемежения;
корректоров, способных обеспечить работу в условиях многолучевого распространения сигналов с предельно допустимой дополнительной задержкой отраженных лучей 16 мкс;
перестраиваемых синтезаторов частот, позволяющих улучшить работу в условиях многолучевого распространения сигналов.
Системы GSM работают в диапазоне около 900 МГц, который разбит на два поддиапазона шириной по 25 МГц (рис.12.3): 890...915 МГц для передачи от портативных устройств к базовой станции и 935...960 МГц для приема, т.е. используется организация дуплексной связи с частотным разделением (FDD). Каждый частотный поддиапазон разбит на 124 частотных канала с разносом между соседними 200 кГц (ширина полосы каждого частотного канала не превышает 200 кГц). Речевой канал системы GSM использует пару частотных каналов с результирующим разносом 45 МГц независимо от абсолютных значений несущих частот в обоих поддиапазонах. Наличие разноса препятствует появлению переходных помех между направлениями приема и передачи. Весьма перспективным является построение сетей GSM на основе диапазона частот 1800 МГц.
Рис.12.3. Временная и частотная структура GSM
В каждом частотном канале данные передаются в восьми канальных интервалах (КИ), т.е. используется временное разделение каналов. Восемь КИ объединяются в цикл, а 26 циклов – в повторяющийся циклически сверхцикл длительностью 120 мс. Длительность КИ составляет около 600 мкс. Структура КИ показана на рис. 12.4. Конкретное портативное устройство ведет передачу сигнала базовой станции в одном из КИ. В течение остальных КИ передача не ведется (передатчик «молчит»). В начале и конце КИ отводятся по 28 мкс на продолжительность переходных процессов, в ходе которых мощность излучения передатчика меняется (возрастает в начале и падает в конце КИ) на 70 дБ. Полезная продолжительность КИ составляет 546,12 мкс и служит для передачи 148 бит. В одном из КИ, в котором передача не ведется, портативное устройство осуществляет прием сигнала от базовой станции, т.е. используется одна и та же антенна с разделением во времени.
Расстояния между портативным устройством и базовой станцией в пределах соты может достигать 30 км. В результате задержка распространения сигнала может достигать 100 мкс. Такая задержка серьезно влияет на работу базовой станции, поскольку переданный КИ может частично попасть на соседний. Поэтому базовая станция может посылать команды портативному устройству на опережение передачи, чтобы сигнал поступал на базовую станцию в своем КИ. Базовая станция в зависимости от расстояния до портативного устройства может осуществлять регулировку излучаемой мощности последнего с целью уменьшения расхода энергоресурса.
Одной из особенностей работы систем сотовой радиосвязи является прием сигналов в условиях многолучевого распространения (на входе приемника действует совокупность сигнала, непосредственно пришедшего от передатчика, и сигналов, многократно отразившихся от неровностей рельефа, зданий и т.п.). Многолучевое распространение приводит к таким нежелательным явлениям, как растянутая задержка сигнала, релеевские замирания и пр. Избежать последствий многолучевого распространения позволяет механизм выравнивания сигналов. Он состоит в делении полезной длительности КИ на три части, в свою очередь разделенные битами флагов (см. рис. 12.4). В середине располагается специальная легко распознаваемая синхропоследовательность, по которой производится выравнивание принятого КИ. До и после синхропоследовательности располагаются по 57 бит информационной нагрузки.
Рис.12.4. Структура КИ GSM
В отличие от централизованного управления, характерного для систем первого поколения, в системе стандарта GSM принят принцип распределенного управления между центром коммутации подвижной связи, базовыми станциями и подвижными терминалами. В течение всего сеанса связи подвижные терминалы измеряют уровни сигналов от соседних базовых станций и сообщают результаты измерений обслуживающей их базовой станции. Последняя определяет необходимость эстафетной передачи и транслирует информацию о наиболее предпочтительной новой ячейке для обслуживания подвижного объекта системному контроллеру центра коммутации подвижной связи. Благодаря такому алгоритму распределенного управления большая часть работы выполняется не системным контроллером, а базовыми станциями и подвижными терминалами, что позволяет избежать перегрузки центрального звена и упростить процедуру эстафетной передачи.
Система стандарта GSM предоставляет пользователям широкий ассортимент услуг, как речевых, так и неречевой природы. Помимо телефонии к речевым услугам относят вызовы спецслужб (полиция, скорая помощь, пожарные и т.п.), как правило, набором номера 112, который принят в Европе в качестве стандарта, и речевую почту.
Набор неречевых услуг основывается на перечне услуг ISDN и для абонентов сети стандарта GSM состоит из трех с половиной десятков наименований. Услуги по передаче данных различаются в зависимости от потенциальных корреспондентов (абоненты телефонной сети общего пользования, либо ISDN, либо специализированных сетей), от характера передаваемой информации (данные, факсимиле и пр.), от режима передачи (коммутация пакетов либо каналов, сквозной цифровой канал либо с использованием телефонных модемов и пр.), от типа терминалов и т.д. Специфическими для подвижной сети являются службы коротких сообщений (Short Message Service – SMS) (исходящие, входящие и вещательные), которые представляют собой разновидность службы персонального вызова (пейджинга).
Стандарт GSM принят в России в качестве федерального.
Дальнейшее развитие систем сотовой подвижной связи осуществляется в рамках проекта создания ССПС третьего поколения (3G). В Европе работы по созданию ССПС третьего поколения, получившей название универсальной системы подвижной связи (Universal Mobile Telecommunication System – UMTS), проводятся CEPT по исследовательской программе RACE. Концепция создания UMTS предусматривает объединение функциональных возможностей существующих цифровых систем связи в единую систему с предоставлением стандартизированных услуг подвижной связи (сотовой, беспроводной, персонального вызова и пр.).
Проект по созданию единой международной ССПС третьего поколения, получивший название FPLMTS, проводит ITU.