3.5.5 Структура сотовых сетей связи

Сотовые системы связи (ССС) позволили решить проблему, связанную с многократным использованием выделенного частотного ресурса путем пространственного разнесения приемопередатчиков с совпадающими частотами. Для этого вся обслуживаемая территория разбивалась на небольшие участки – соты, в которых функционировали базовые станции с фиксированной частотой. Эта частота могла использоваться в другой ячейке, удаленной от предыдущей на значительное расстояние. Практическое использование ССС началось после разработки способов определения текущего местоположения абонента (роуминга), обеспечивающих непрерывность связи при перемещении абонента из соты в соту. Известно большое число стандартов аналоговых и цифровых ССС.

Наиболее известным аналоговым стандартом ССС в диапазоне 450 МГц является NMT-450 (Nordic Mobile Telephone), принятый в 1981 году. В дальнейшем, в интересах расширения функциональных возможностей стандарта NMT-450 был разработан в диапазоне 900 МГц стандарт NMT-900. Кроме того, в 80-х годах прошлого века в США были разработаны в диапазоне 800 МГц стандарт AMPS (Advanced Mobile Phone Service), в Германии – С-450, в Великобритании – TACS (Total Access Communications System) и др. В этих стандартах использовалась частотная или фазовая модуляция для передачи

Рис. 3.34. Структурная схема аналоговой сети сотовой связи

речи и частотная манипуляция для передачи сигналов управления, применялся метод множественного доступа с частотным разделением каналов FDMA. Территориальное построение ССС производилось при различных моделях повторного использования частот, а для управления сетью применялся общий канал сигнализации ОКС-7. Это позволило быстрее идентифицировать м переключать абонентские станции при перемещениях абонента, а также снизить потребление энергии радиотелефонами. Структурная схема сети аналоговой сотовой подвижной связи изображена на рис. 3.34.

Рис. 3.35. Структура центра коммутации

Центр коммутации осуществляет управление потоками информации между абонентами ССС, ТФОП и ИЦС (рис. 3.35).

П ереключение потоков информации от одной БС к другой или к абоненту ТФОП осуществляет коммутатор, управляемый центральным контроллером. Подключение коммутатора к ТФОП и БС производят контроллеры связи , в которых осуществляется промежуточная обработка информации. С помощью средств отображения и регистрации информации, а также терминалов операторы вводят условия обслуживания и данные от абонентов в центральный контроллер. База данных включает домашний и гостевой регистры, центр аутентификации и регистр аппаратуры. В домашних и гостевых регистрах хранятся различные сведения о своих абонентах и абонентах-гостях, зарегистрированных в другой ССС. Проверка подлинности абонентов и шифрования сообщений производится в центре аутентификации, а в регистре аппаратуры хранятся сведения об эксплуатируемых подвижных станциях.

Структура базовой станции включает несколько приемников и передатчиков; контроллер, осуществляющий управление работой БС, а также блок сопряжения с линией связи к центру коммутации (рис. 3.36).

Для аналоговых ССС характерны недостатки, связанные с низким качеством связи, малой емкостью сети, ограниченностью зоны действия, отсутствием засекречивания и др. По этой причине в 80-х годах были разработаны три стандарта цифровых ССС: GSM (Европа), D-AMPS (Америка), JDS (Япония).

Р ис. 3.36. Структура базовой станции

Стандарт GSM (Global System for Mobile Communications), разработанный в диапазоне частот 900 МГц, в дальнейшем был усовершенствован для работы в частотном диапазоне 1800 МГц.

При разработке стандарта GSM были использованы решения, основанные на принципах временного разделения каналов связи (TDMA), интеллектуальных сетей, открытых систем, блочного и сверточного кодирования, шифрования сообщений и т.д. Взаимодействие сетевых функциональных компонентов в стандарте GSM осуществляется с помощью системы ОКС-7. Центр коммутации используется для обслуживания как подвижных абонентов, так и соединений с абонентами ТФОП, ИЦС и ЦСИС.

Цифровые ССС состоят из систем базовых станций (СБС), включающих несколько базовых приемопередающих станций (БППС) и центр коммутации, а также ряд дополнительных систем (рис. 3.37).

Рис. 3.37. Структурная схема цифровой сети сотовой связи стандарта GSM

К дополнительным системам относятся: домашний и гостевой регистры, центр аутентификации, регистр аппаратуры, центр эксплуатации и техобслуживания, связанный с центром управления сетью и административным центром. Передача вызовов в сотах в составе СБС осуществляется контроллером БС, а между сотами разных СБС – через центр коммутации, который постоянно отслеживает положение подвижных станций с помощью домашнего и гостевого регистров.

В домашнем регистре хранится международный идентификационный номер подвижного абонента своей сети (IMSI), а в гостевом – номер абонента-гостя (MSRN). В центре аутентификации осуществляется удостоверение подлинности абонента путем анализа информации, записанной в модуле подлинности абонента (SIM), который находится в радиотелефоне.

Идентификация аппаратуры, в частности сведения об эксплуатируемых подвижных станциях на предмет их исправности и санкционированного использования, осуществляется с помощью регистра аппаратуры.

Контроль и управление компонентами сети обеспечивает центр эксплуатации и технического обслуживания. Иерархическое управление всей сети GSM производится центром управления сетью, который не допускает перегрузок в сети. Стратегию управления сетью GSM задает административный центр. Контроллер БС управляет работой БППС, т.е. распределяет радиоканалы, контролирует соединения, обеспечивает различные режимы работы БППС, в частности, шифрование сообщений, использование служб коротких сообщений (SMS) и т.д.

Следующими после ССС с временным разделением каналов стали системы с цифровыми шумоподобными сигналами при многостанционном доступе с кодовым разделением каналов (CDMA). Эти системы обеспечивают более высокий уровень защиты передаваемой информации, емкости сети и спектра услуг, чем сети на основе стандарта GSM. В 1995 г. был разработан стандарт IS-95 сетей CDMA, в котором использовались шумоподобные сигналы с прямым расширением спектра. Адрес абонента определяется формой псевдослучайной последовательности, используемой для расширения полосы спектра частот радиосигнала. В качестве псевдослучайной последовательности используются 64 вида последовательностей, сформированных по закону функций Уолша.

Структурная схема сети сотовой связи CDMA имеет такой же вид, что и сети GSM, но дополнительно включает устройства выбора кадра, необходимого для мягкого переключения БС при перемещении абонента (рис. 3.38).

Использование ССС по технологии CDMA обеспечивает 18-20-кратное увеличение емкости сети по сравнению с сетью AMPC и 4-5-кратное – по сравнению с сетью GSM.

Рис. 3.38. Структурная схема цифровой сети сотовой связи стандарта IS-95