Цифровые сотовые сети подвижной радиосвязи

Стандарты цифровых сотовых систем[1–16]. В 1982 г. Европейская конференция администраций почт и связи (СЕРТ) организовало рабочую группу под названием Group Speciale Mobile (GSM) для разработки общих технических условий первой цифровой мобильной сети. Внедрение стандарта началось в 1991 г. Передача в системе GSM-900 ведется в диапазоне 890–915 МГц для передатчиков MS и 935–960 МГц для передатчиков BS. В полосе 25 МГц размещается 124 канала, каждый из которых занимает полосу 200 кГц. Каждый частотный канал уплотняется по времени (8 временных позиций). Таким образом, общее количество каналов в полосе 25 МГц равно 992.

Американский цифровой стандарт ADS (D-AMPS) разрабатывался для отличных от Европы условий: диапазон 800 МГц и работа в общей с существующей аналоговой AMPS полосе частот. Сохранен также разнос каналов 30 кГц. Применение временного разделения каналов (три временных канала на одну несущую), а также сот с малым радиусом позволило значительно увеличить емкость D-AMPS по сравнению с AMPS. Обеспечение требования совместимости аналоговой и цифровой сети, а также сохранение существующего парка аналоговых абонентских станций в новых условиях работы привели к необходимости создания и применения аналого-цифровых MS с автоматическим выбором режима передачи и приема.

Японский стандарт IDS во многом совпадает с американским. Основные отличия заключаются в использовании другого частотного диапазона, а именно 810–826 МГц и 940–956 МГц. Стандарт адаптирован также к диапазону 1,5 ГГц. Количество речевых каналов на одну несущую в зависимости от скорости преобразования речи 3 или 6, разнос частотных каналов 25 кГц.

Цифровые системы GSM, D-AMPS, IDS являются системами сотовой связи второго поколения.

Принципы построения цифровых систем позволили применить при организации сотовых сетей новые, более эффективные, чем в аналоговых системах, модели повторного использования частот. В результате без увеличения общей полосы частот значительно возросло чис­ло каналов на соту. Так, вид модуляции, способы кодирования и формирования сигналов в каналах связи, принятые в GSM, обеспечивают прием сигналов при отношении сигнал – помеха 9 дБ, в то время как в аналоговых системах этот показатель равен 18 дБ. Поэтому передатчики BS, работающие на совпадающих частотах, могут размещаться в более близко расположенных сотах без ухудшения качества связи.

В рамках макросотовой структуры сотовых сетей, на основе которой построены существующие аналоговые и цифровые сети, даль­нейшее увеличение их емкости может быть достигнуто двумя способами: расширением используемой полосы частот и снижением уровня межканальных помех, что даст возможность чаще повторять частоты.

Первый способ очевиден, но трудно реализуем из-за дефицита частотного ресурса.

Второй способ, связанный со снижением уровня межканальных помех, основан на следующих методах: применение секторных (направленных) антенн в сотах вместо антенн с круговой диаграммой направленности; адаптивное распределение каналов по сотам с учетом нагрузки и минимизации отношения сигнал – помеха; автоматическая регулировка уровня мощности передающих устройств MS и BS; использование методов пространственного разнесения антенн на приеме.

С помощью секторных антенн в моделях повторного использования частот с двумя BS можно увеличить емкость сетей стандарта GSM до 40 % по сравнению с использованием антенн с круговой диаграммой направленности при коэффициенте повторного использования частот C = 7.

Адаптивное распределение каналов по сотам с учетом нагрузки и минимизации отношения сигнал – помеха позволяет увеличить емкость сетей на 40–50 %.

Автоматическая регулировка мощности передатчиков MS и BS в процессе сеанса связи также эффективно уменьшает межканальные помехи [1].

Пространственное разнесение антенн дает общий выигрыш в отношении сигнал – помеха около 4…7 дБ. В стандарте IDS достигается максимальный выигрыш за счет разнесения антенн на BS и MS. В стандарте GSM и ADС предусматривается разнесение антенн только на BS. Совместное применение адаптивного распределения каналов и пространственное разнесение антенн увеличивают емкость сетей стандарта ADС в 8,7 раза, по сравнению с аналоговыми системами. Для GSM и IDS этот коэффициент может быть более 10 [4].

На этапе создания сотовых систем второго поколения основными методами увеличения их емкости являются переход от макросот к микросотам (радиус сотни метров), а также эффективные методы повторного использования частот. Однако они ограничивают возможности сотовых систем второго поколения по емкости и видам предоставляемых услуг связи в рамках выделенного диапазона частот.

Если не учитывать перехода на полускоростные каналы связи (каналы, в которых в 2 раза уменьшена скорость преобразования аналоговых сигналов в цифровые), то рост емкости сотовых систем второго поколения может происходить только путем перевода существующих стандартов в новые диапазоны частот. В качестве примера можно привести распространение рекомендаций стандарта GSM-900 на стандарт DCS-1800.

Дальнейшее увеличение емкости сотовых сетей без значительного расширения рабочей полосы частот возможно при создании новых протоколов связи и методов управления сетью, включающих процедуры распределения частотных и временных каналов по сети, местоопределения MS и «эстафетной передачи». Данные задачи решаются в рамках создания сотовой системы третьего поколения, которая будет отличаться унифицированной системой радиодоступа, объединяющей существующие сотовые и бесшнуровые системы с информационными службами ХХI века.

Такая система разрабатывается под названием UMTS (Universal Mobile Telecommunications Servise – универсальная система подвижной связи). Для будущей системы подвижной связи общего пользования рекомендуется диапазон частот 1…3 ГГц, в котором будет выделена полоса 60 МГц для персональных станций и 170 МГц для подвижных станций. Международный союз электросвязи (МСЭ) признал, что космические системы передачи должны быть неотъемлемой частью будущей сети.

Цифровая сотовая сеть стандарта GSM-900 [1–5]. Архитектура сети GSM-900 представлена на рис. 13.7. Сеть состоит из следующих основных подсистем: подсистемы базовых станций (базовые станции и

базовые контроллеры); подсистемы сети в составе центра коммутации подвижной связи (Mobile Switching Center – MSC), баз данных (HLR, VLR, EIR) и центра аутентификации (Authentification Center – AUC); подсистемы эксплуатации и техобслуживания (Operations and Maintenance Center – OMC).

Стандартные интерфейсы, обозначенные на рис.13.7, позволяют стыковать как оборудование, так и сети различных поставщиков. Так, стандартный радиоинтерфейс позволяет использовать подвижные станции, производимые в разных странах, различающиеся по своим возможностям, дизайну, цене.

Особое место в системе GSM-900 занимают интерфейсы на основе системы сигнализации SS N7 (ОКС-7), которая используется как для связи с внешними стационарными сетями PSTN, ISDN, PSPDN (Public Switched Packet Data Network), CSPDN (Circuit Switched Public Data Network), так и для соединения с сетью подвижной связи на основе оборудования NMT-450.

Остановимся более подробно на характеристике отдельных подсистем.

Центр коммутации подвижной связи (MSC) обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений. MSC обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами; эстафетную передачу, в процессе которой достигается непрерывность передачи при перемещении подвижной станции (MS) из соты в соту. MSC осуществляет постоянное слежение за мобильными станциями, используя регистры положения (Home Link Register – HLR), визитный (Visit Link Register – VLR). В регистре положения хранится та часть информации о местоположении какой-либо мобильной станции, которая позволяет MSC доставить вызов MS. Регистр положения HLR содержит международный идентификационный номер подвижного абонента (In­ter­national Mobile Subscriber Identify – IMSI). Он используется для опознавания мобильной станции в центре аутентификации. HLR представляет собой справочную базу дан­ных о постоянно прописанных в сети абонентах, так называемых «домашних» (Home) абонентах. В ней содержатся опознавательные номера и адреса, а также параметры подлинности абонентов, состав услуг связи, специальная информация о маршрутизации. Ведется регистрация данных о роуминге (блуждании) абонента, включая данные о временном идентификационном номере подвижного абонента (Temporary Mobile Subscriber Identity – TMSI) и соответствующем визит­ном регистре, где отметился прибывший из другой сети абонент. К данным, содержащимся в HLR, имеют дистанционный доступ все MSC и VLR сети. Доступ к базе данных об абонентах осуществляется по номеру IMSI или MSISDN (номеру подвижного абонента в сети ISDN). К базе данных HLR в рамках обеспечения межсетевого роуминга абонен­тов могут получить доступ MSC или VLR, относящиеся к другим сетям.

Второе основное устройство, обеспечивающее контроль за передвижением MS из зоны в зону, – визитный регистр VLR. С его помощью достигается функционирование MS за пределами зоны, контролируемой HLR. Когда в процессе перемещения MS переходит из зоны действия одного контроллера базовой станции (Base Station Controller – BSC), объединяющего группу BS, в зону действия другого BSC, она регистрируется новым BSC, и в VLR заносится информация о номере области связи, которая обеспечит доставку вызовов MS.

VLR содержит такие же данные, как и HLR, однако эти данные содержатся в VLR только до тех пор, пока абонент находится в зоне, контролируемой VLR.

В сети подвижной связи GSM соты группируются в географические зоны (Location Area), которым присваивается свой идентификационный номер. Каждый VLR содержит данные об абонентах нескольких географических зон. Когда абонент перемещается из одной географической зоны в другую, данные о его местоположении автоматически обновляются в VLR.

.

Подсистема базовой станции, как упоминалось выше, состоит из контроллера базовой станции (Base Station Controller – BSC) и приемно-передающих базовых станций (Base Transceiver Station – BTS). Контроллер базовой станции управляет несколькими BTS. Подсистема обеспечивает распределение радиоканалов, контролирует соединения, регулирует очередность предоставления радиоканалов, осуществляет модуляцию, демодуляцию сигналов, кодирование и декодирование сообщений, кодирование речи и другие функции.

Центральным звеном сети GSM является центр эксплуатации и технического обслуживания (Operations and Maintenance Center – OMC). Он обеспечивает контроль и управление компонентами сети и контроль качества ее работы