Принципы функционирования систем сотовой радиосвязи.

1. Деление обслуживаемой территории на соты производится двумя способами:

· на основе измерения статистических характеристик распространения сигналов в системах связи. Территория делится на одинаковые по форме зоны и с помощью закона статистической радиофизики определяются их допустимые размеры и расстояния до других зон, в пределах которых выполняются условия допустимого взаимного влияния. Для оптимального разделения территории на соты без перекрытия или пропусков участков могут использоваться только три геометрические фигуры: треугольник, квадрат и шестиугольник. Самой подходящей фигурой является шестиугольник, так как, если антенну с круговой диаграммой направленности установить в его центре, то будет обеспечен доступ почти ко всем участкам соты. Однако при использовании этого способа интервал между зонами с одинаковыми рабочими каналами получается больше требуемого для поддержания взаимных помех на допустимом уровне;

· точным расчетом параметров системы для выбора минимального количества базовых станций, обеспечивающих удовлетворительное обслуживание абонентов по всей территории (оптимизируют размещение базовых станций с учетом рельефа местности, рассматривают возможность использования направленных антенн, пассивных ретрансляторов и смежных центральных станций в момент пиковой нагрузки и т.д.).

Повторное использование частот. Каждая из ячеек обслуживается своим передатчиком с невысокой выходной мощностью и ограниченным числом каналов связи. Это позволяет без помех использовать повторно частоты каналов этого передатчика в другой, удаленной на значительное расстояние, ячейке. Группа сот с различным набором частот называется кластером. На практике количество используемых в соседних сотах частот может достигать пятнадцати. Пример построения сот при использовании трех частот ( ) представлен на рис. 6.6. 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. Смежные базовые станции, использующие различные наборы частотных каналов, образуют группу из станций. Если каждой базовой станции выделяется набор из каналов с шириной полосы каждого , то общая ширина полосы, занимаемая системой сотовой связи, составит . Величина определяет минимально возможное число каналов в системе и называется частотным параметром системы или коэффициентом повторения частот. Коэффициент не зависит от числа каналов в наборе и увеличивается по мере уменьшения радиуса ячейки. Размер зоны обслуживания базовой станции, выражаемый через радиус ячейки , определяет также число абонентов, способных одновременно вести переговоры на всей территории обслуживания. Уменьшение радиуса ячейки позволяет не только повысить эффективность использования выделенной полосы частот и увеличить абонентскую емкость системы, но и уменьшить мощность передатчиков и чувствительность приемников базовых подвижных станций. Это также улучшает условия электромагнитной совместимости средств сотовой связи с другими радиоэлектронными средствами и системами.

Рис. 6.6. Построение сот для трех частот

2. Состав системы сотовой связи. Каждая из сот обслуживается многоканальным приемопередатчиком, называемым базовой станцией. Она служит своеобразным интерфейсом между подвижным сотовым телефоном и центром коммутации. Число каналов базовой станции обычно кратно 8, например, 8, 16, 32… Один из каналов является управляющим (control channel). На этом канале происходит непосредственное установление соединения при вызове подвижного абонента сети, а сам разговор начинается только после того, как будет найден свободный в данный момент канал и произойдет переключение на него.

Все базовые станции соединены с центром коммутации (коммутатором) по выделенным проводным или радиорелейным каналам связи (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Основные элементы систем сотовой связи

Центр коммутации MSC – это автоматическая телефонная станция системы сотовой связи, обеспечивающая все функции управления сетью. Она осуществляет постоянное слежение за подвижными станциями, организует их эстафетную передачу, в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении подвижной станции из соты в соту и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностей, производит соединение подвижного абонента с тем, кто ему необходим в обычной телефонной сети и др.

3. Алгоритм функционирования систем сотовой связи. Для абонента практически нет никакой разницы, в каком стандарте осуществляется связь. Если нужно позвонить, то просто нужно нажать клавишу на радиотелефоне, что соответствует снятию трубки обычного телефона. Когда же радиотелефон находится в режиме ожидания, его приемное устройство постоянно сканирует (просматривает) либо все каналы системы, либо только управляющие. Для вызова соответствующего абонента всеми базовыми станциями сотовой системы связи по управляющим каналам передается сигнал вызова. Сотовый телефон вызываемого абонента при получении этого сигнала отвечает по одному из свободных каналов управления. Базовые станции, принявшие ответный сигнал, передают информацию о его параметрах в центр коммутации, который переключает разговор на ту базовую станцию, где зафиксирован максимальный уровень сигнала сотового телефона вызываемого абонента. По мере удаления абонента от одной базовой станции с помощью специальной процедуры передачи управления вызовом или эстафетной передачи (handover или handoff) происходит автоматическое переключение абонента на свободный канал другой базовой станции. Аналогичные действия предпринимаются при снижении качества связи из-за влияния помех или возникновении неисправностей коммутационного оборудования. Для контроля таких ситуаций базовая станция снабжена специальным приемником, периодически измеряющим уровень сигнала сотового телефона абонента и сравнивающим его с допустимым пределом. Если уровень сигнала меньше этого предела, то информация об этом автоматически передается в центр коммутации по служебному каналу связи. Центр коммутации выдает команду об измерении уровня сигнала сотового радиотелефона абонента на ближайшие к нему базовые станции. После получения информации об уровне сигнала от базовых станций центр коммутации переключает абонента на ту из них, где уровень сигнала оказался наибольшим.

Иногда возникает ситуация, когда поток заявок на обслуживание, поступающий от абонентов сотовой сети, превышает количество каналов, имеющихся на всех близко расположенных базовых станциях. В этом случае как временная мера (до освобождения одного из каналов) используется принцип эстафетной передачи внутри соты. При этом происходит поочередное переключение каналов в пределах одной и той же базовой станции для обеспечения связью всех абонентов. Важной услугой сети сотовой связи является предоставление роуминга, который также может быть автоматическим, полуавтоматическим и ручным.

Основные возможности стандартов подвижной системы сотовой связи NMT-450 и GSM. Аналоговый стандарт NMT-450 (Nordic Mobile Telephone) предусматривал 180 каналов связи шириной по 25 кГц в диапазоне 450-467 МГц. За счет многократного использования частот эффективное число каналов составляло 5568. Среднее число каналов, выделяемое базовым станциям, равно 30, радиус ячейки составляет от 5 до 25 км. В настоящее время более 40 стран используют системы сотовой подвижной связи стандартов NMT-450 и NMT-900, работающих в диапазоне частот 450 и 900 МГц. Основное достоинство стандарта – обеспечение надежной работы на открытых пространствах и возможность автоматического роуминга в странах, использующих этот стандарт. Система сотовой связи стандарта обеспечивает:

· вхождение в связь и регистрацию стоимости разговора в автоматическом режиме;

· организацию связи между подвижной станцией и любым абонентом стационарной телефонной сети или с любой включенной в систему подвижной станцией, независимо от страны;

· автоматический поиск подвижного абонента в пределах объединенных сетей сотовой связи;

· возможность передачи телефаксов и доступ к различным базам данных (скорость передачи до 4,8 Кбит/с);

· переадресацию вызова на другой номер;

· ограничение вызова (продолжительность разговора);

· конференц-связь трех абонентов;

· организацию пользовательских групп с сокращенным набором номера.

Стандарт GSM (Global System for Mobile Communications) цифровой общеевропейской подвижной системы сотовой наземной связи предусматривает работу передатчиков в двух диапазонах частот. Полоса частот 890-915 МГц используется для передачи сообщений с подвижной станции на базовую, а полоса частот 935-960 МГц – для передачи сообщений с базовой станции на подвижную (абоненту). Разнос частот между соседними каналами связи составляет 200 кГц. Таким образом, в отведенной для приема/передачи полосе частот шириной 25 МГц размещается 124 канала связи. В стандарте GSM используется многостанционный доступ с временным разделением (уплотнением каналов – TDMA –Time Division Multiple Access), что позволяет на одной несущей частоте разместить 8 речевых каналов одновременно. Максимальный радиус соты - 35 км. Оборудование сетей GSM включает в себя подвижные (радиотелефоны) и базовые станции, цифровые коммутаторы, центр управления и обслуживания, различные дополнительные системы и устройства. Основные достоинства стандарта:

· возможность применять разнообразное оборудование;

· возможность подключения к телефонным сетям общего пользования, сетям передачи данных и цифровым сетям с интеграцией служб;

· хорошие энергетические характеристики, высокое качество связи, ее безопасность и конфиденциальность;

· использование интеллектуальных SIM-карт для обеспечения доступа к каналу и услугам связи;

· шифрование передаваемых сообщений;

· закрытый от прослушивания радиоинтерфейс;

· аутентификация абонента и идентификация абонентского оборудования по криптографическим алгоритмам;

· использование служб коротких сообщений, передаваемых по каналам сигнализации;

· автоматический роуминг абонентов различных сетей GSM в национальном и международном масштабах.