Краткая характеристика сетей мобильной (подвижной) радиосвязи

В последние годы наблюдается резкий рост числа пользователей радиосетей как у нас в стране, так и за рубежом. В ряде случаев такие сети целесообразно создавать не только для обеспечения связи между подвижными объектами, где таким сетям нет альтернативы, но и для организации связи между стационарными объектами. Достоинства радиосетей (беспроводных сетей) перечислены в табл. 11.1.

Во многих случаях окупаемость беспроводных сетей составляет 1–2 года. В то же время срок окупаемости проводных значительно выше. Проводные сети экономически нецелесообразны на местностях с малой плотностью населения, например в случае, когда требуется обеспечить телефонную связь с удаленной от райцентра фермой.

В настоящее время доминирующее положение на рынке подвижной радиосвязи занимают:

- профессиональные (частные) системы подвижной связи;

- системы персонального вызова;

- системы беспроводных телефонов;

- системы сотовой связи общего пользования.

Первые системы подвижной радиосвязи создавались и развивались в интересах государственных организаций, коммерческих структур, скорой помощи, милиции и т.п. В принятой за рубежом классификации эти системы относятся к так называемым профессиональным системам подвижной радиосвязи PMR (Professional Mobile Radio). Как правило, PMR имеют радиальную или радиально-зоновую структуру сети.

В профессиональных системах подвижной радиосвязи наиболее эффективное использование выделенного частотного ресурса обеспечивается в системах со свободным доступом абонентов к общему частотному ресурсу, получивших название транкинговых (от англ. trunk – магистраль, шина). Различают транкинговые системы с последовательным (сканирующим) поиском свободного канала связи и с выделенным каналом управления. Сканирующий транкинг характеризуется значительным временем установления канала связи и может быть рекомендован при небольшом количестве каналов (до 5–8).

Системы персонального радиовызова (СПРВ) гармонично сопрягаются с системами радиосвязи и передачи данных. Персональный радиовызов (пейджинг) – услуга электросвязи, обеспечивающая беспроводную одностороннюю передачу информации в пределах обслуживаемой зоны. По своему назначению СПРВ можно разделить на частные (ведомственные) и общего пользования.

Частные СПРВ обеспечивают передачу сообщений в локальных зонах или на ограниченной территории в интересах отдельных групп пользователей. Как правило, передача сообщений в таких СПРВ осуществляется с пультов управления диспетчерами без взаимодействия с ТФ ОП.

Под системами персонального радиовызова общего пользования понимается совокупность технических средств, через которые с помощью ТФ ОП происходит передача в радиоканале сообщений ограниченного объема.

Основными компонентами коммерческого успеха этих систем являются: широкая зона обслуживания в масштабах страны с возможностью межнационального взаимодействия; низкие тарифы и арендная плата; простота передачи сообщений и удобство пользования; малые габариты приемников СПРВ и длительный срок непрерывной работы с одним источником.

Системы беспроводных телефонов были первоначально ориентированы на резидентное использование, т.е. в условиях офисов и квартир. Позже они стали развиваться как системы общего пользования, обеспечивающие поддержку услуг общего доступа.

Такие системы уже сейчас составляют определенную конкуренцию макросотовым сетям, которые будут более детально рассмотрены ни­же.

Сети связи с подвижными объектами могут иметь радиальную, радиально-зоновую и сотовую структуру сети.

Радиальные системы основаны на использовании одной центральной наземной радиостанции, имеющей значительный радиус действия (до 50…100 км). При радиально-зоновой структуре сети область обслуживания делится на зоны, в каждой из которых используется радиальный принцип передачи сигналов.

Радиальным сетям присущ ряд недостатков, основными из которых являются ограниченность зоны обслуживания, нерациональное использование имеющегося частотного ресурса, невозможность существенного увеличения числа обслуживаемых абонентов из-за появления взаимных помех. Для передачи информации в радиальных системах выделяется диапазон частот . В этом диапазоне организуются каналы с полосой пропускания . Тогда число каналов N в диапазоне :

Очевидно, что число каналов N и будет определять число абонентов, пользующихся радиосвязью.

Для преодоления ограничений на число каналов в условиях ограниченного частотного ресурса была предложена сотовая идеология построения сетей радиосвязи, позволяющая использовать одни и те же частоты в нескольких ячейках (сотах), отстоящих друг от друга на расстояние, зависящее от размеров соты*.

Идея сотовой телефонной связи такова (рис. 11.2). Пло­щадь, подлежащая теле­фо­ни­зации, покрывается сетью базовых приемопередатчиков (Base Transceiver Station – BТS). При этом чувствительность и излучаемая мощность базовой станции гораздо выше, чем чувствительность и мощность излучения мобильной станции (Mobile Station – MS), что позволяет сделать сами телефоны достаточно компактными и использовать источники питания

ограниченной емкости. При перемещении MS через границу зоны обслуживания BS (соты) должно обеспечиваться автоматическое (и незаметное для абонента) переключение обслуживания с одной базовой станции на другую. Переключение осуществляет центр коммутации подвижной сети (Mobile Service Switching Center – MSC). Центр коммутации подвижной связи (MSC) имеет выход на коммутируемую телефонную сеть общего пользования (PSTN – Public Switched Telephone Network).

Если представить зону обслуживания абонентов сотовой сети как окружность с радиусом (рис. 11.3), то площадь этой зоны будет площадь соты (шестиугольника) равна , где – радиус рабочей зоны BS, тогда число сот L определяется по формуле

(11.1)

Очевидно, что число BS равно числу сот, так как на каждую соту приходится одна базовая станция.

Соты группируются в кластеры. В одном кластере находится с базовых станций, работающих в неповторяющихся диапазонах частот, каждая из BS обеспечивает I каналов. Общее число каналов в кластере равно cI, а общая полоса, занимаемая этими каналами,

(11.2)

где – полоса пропускания одного канала.

Так как в зоне обслуживания радиосвязью размещается L/c кластеров, работающих в повторяющихся диапазонах частот, то при том же ресурсе частот число каналов в сотовых сетях радиосвязи увеличивается в L/c раз по срав­не­нию с радиальными системами радиосвязи.

Для увеличения числа абонентов надо стараться уменьшить число сот в кластере. Минимальное значение с равно 2. На рис. 11.3 приведена архитектура сотовой сети с с = 7. На практике с определяют по формуле

(11.3)

где D – расстояние между базовыми станциями, использующими одни и те же рабочие частоты. Это расстояние выбирается так, чтобы помехи от BSi одного кластера в зоне обслуживания BSi* соседнего кластера не превышали допустимой величины. Частоты BSi и BSi* совпадают.

Более эффективной считается система, которая в выделенном спектре частот обслуживает большее количество MS. Из анализа выражений (11.2) и (11.3) следует, что увеличение доступных абонентам каналов при заданных и с может быть достигнуто путем уменьшения радиуса соты R. Уменьшение радиуса соты позволит уменьшить коэффициент повторяемости с, получить большие значения отношений сигнал – помеха на входе MS, но приведет к росту числа переключений MS между базовыми станциями, что увеличивает нагрузку на устройства управления BS и MS, а также число перерывов в связи. Таким образом, уменьшение размеров соты обеспечивает повышение эффективности использования спектра радиочастот, но повышает требование к обеспечению непрерывности связи с MS.

При проектировании сотовых сетей помимо перечисленных выше факторов следует учитывать данные о нагрузке, поступающей от абонента. Так, считается, что во время наибольшей нагрузки типичный абонент делает 1 вызов в час, средняя длительность сеанса связи 90 с. Таким образом, нагрузка от абонента

эрланга,

где n – число вызовов в час наибольшей нагрузки, Т – длительность сеанса связи.

Во время сеанса связи в среднем требуется одно переключение на другую сотовую зону. На один вызов, получаемый абонентом, он сам инициирует два вызова. Менее 10 % вызовов – это вызовы от подвижного к подвижному телефону.

При средней длительности сеанса связи 90 с пропускная способность одного канала составляет 40 вызовов в час. Следовательно, если в среднем абонент делает один вызов в час, то один канал может обслужить 40 абонентов в час. Очевидно, что и коммутатор сотовой системы должен в час наибольшей нагрузки обрабатывать 40 вызовов в час от каждого канала. Приведенные оценки являются максимальными теоретическими оценками. Более реалистичные оценки составляют примерно 75 % от теоретических.

Сотовая идеология систем подвижной связи начала разрабатываться в 70-х годах. Однако внедрение сотовых систем началось только после того, как были найдены способы определения текущего местоположения абонентов и обеспечения непрерывности связи при перемещении абонента из одной соты в другую.

Различают аналоговые и цифровые сотовые системы подвижной связи. Известно девять основных стандартов аналоговых систем. Один из них – NMT (Nordic Mobile Telephone System) принят в качестве федерального стандарта для России.

Однако аналоговые системы уже не удовлетворяют современному уровню развития информационных технологий из-за ряда недостатков, главные из которых несовместимость стандартов, ограниченная зона действия, низкое качество связи, отсутствие засекречивания передаваемых сообщений и взаимодействия с цифровыми сетями с интеграцией служб и пакетной передачи данных. Пик числа абонентов аналоговых сетей приходится на 1994 г. В настоящее время в мире наблюдается снижение числа пользователей аналоговых сетей.

В 80-х годах в Европе, Северной Америке и Японии приступили к интенсивному изучению принципов построения перспективных цифровых систем и сегодня уже разработаны три стандарта таких систем, один из них, GSM-900, принят в качестве федерального для цифровых сотовых сетей России.

Внедрение сетей подвижной радиотелефонной связи в России началось в 60-х годах с вводом в действие отечественного оборудования системы «Алтай-1». В первых десятилетиях эти сети предназначались в основном для организации оперативной связи должностным лицам органов государственного и административно-хозяйственного управления.

По мере изменения в России социальных и экономических условий появилась необходимость расширения сетей радиотелефонной связи, повышения качественных показателей услуг, предоставляемых этими сетями. Решение этой задачи в настоящее время можно обеспечить только путем использования передовых зарубежных технологий и инвестирования работ по созданию в стране систем сухопутной подвижной радиосвязи общего пользования* (СПР-ОП).

Транкинговые системы радиосвязи (ТСР) являются развитием систем низовой полудуплексной радиосвязи и по ряду признаков могут быть соотнесены с сотовыми системами связи. В отличие от обычных систем с постоянно закрепленными частотными каналами в ТСР применяется динамическое распределение каналов. Термин «транкинг», принятый в сфере профессиональной радиосвязи, означает метод свободного доступа большого числа абонентов к ограниченному числу каналов (пучку, стволу или, по зарубежной терминологии, – транку). Поскольку в какой-либо момент времени не все абоненты активны, необходимое число каналов значительно меньше общего числа абонентов.

Когда радиоабонент транкинговой системы осуществляет вызов, система назначает ему один из имеющихся свободных каналов. При этом статистика активности обычно такова, что небольшого количества выделенных каналов достаточно для обслуживания значительного числа абонентов. В отличие от обычных систем радиосвязи ТСР характеризуются следующими признаками:

- экономное использование радиоспектра;

- наличие одной или нескольких базовой радиостанций и системы управления;

- возможность выхода в другие сети, в частности в телефонную сеть общего пользования;

- увеличение зоны обслуживания путем создания многозоновой сети;

- передача данных и телеметрической информации;

- множество сервисных возможностей.

Перечисленные выше признаки характерны и для сотовых систем связи. Однако в отличие от сотовых транкинговые системы в первую очередь ориентированы на задачи, связанные с оперативным управлением. Список потребителей здесь чрезвычайно широк – подразделения железных и автомобильных дорог, предприятия энергетического комплекса, администрации всех уровней, учреждения городского хозяйства, правоохранительные органы, отряды МЧС, коммерческие структуры и т.д.

В сравнении с сотовыми системами к преимуществам ТСР, позволяющим отдать им предпочтение при организации оперативной связи, следует отнести:

- гибкую систему вызовов – индивидуальный, групповой, вещатель­ный, приоритетный, аварийный и др.;

- гибкую систему нумерации – от коротких двух- или трехзначных до полноценных городских номеров;

- малое время установления соединения – менее секунды, против нескольких секунд в сотовых системах;

- возможность работы в группе;

- наличие (в ряде систем) режима непосредственной связи между двумя абонентскими радиостанциями без участия базовой;

- экономичность – по стоимости оборудования и по эксплуатационным расходам ТСР в несколько раз экономичнее сотовых систем.

Сравнивая сотовые и транкинговые системы, необходимо отметить, что при внешней структурной схожести они существенно отличаются по ряду функциональных особенностей и системных возможностей. Если первые ориентированы на потребителей обычных телефонных услуг и окупаются в регионах с высокой плотностью населения (порядка тысячи и более абонентов в зоне), то вторые прежде всего являются средством оперативной и производственно-техноло­ги­ческой связи и рентабельны при на порядок меньшем числе абонентов.

Следует заметить, что сами термины «сотовые» или «транкинговые системы» малоинформативны с точки зрения выявления их отличий. Так, в сотовых системах используется метод динамического распределения каналов, т.е. транкинг, и наоборот, современные многозоновые транкинговые системы содержат ряд «родовых» признаков сотовых систем. Эти термины сложились исторически и обозначают системы мобильной радиосвязи, которые развивались своими путями, решая разные задачи.