Сотовые системы связи

Сотовые системы связи 

Введение

В настоящее время во многих капиталистических станах, а также  в ряде развивающихся стран ведется  интенсивное внедрение сотовых  сетей связи (ССС) общего пользования. Такие сети предназначены для обеспечения подвижных и стационарных объектов телефонной связью и передачей данных. В ССС подвижными объектами являются либо наземные транспортные средства, либо непосредственно человек, находящийся в движении и имеющий портативную абонентскую станцию (подвижный абонент). Возможность передачи данных подвижному абоненту резко расширяет его возможности, поскольку кроме телефонных сообщений он может принимать телексные и факсимильные сообщения, различного рода графическую информацию (планы местности, графики движения и т.п.), медицинскую информацию и многое другое. Особое значение ССС приобретают в связи с активным внедрением во все сферы человеческой деятельности персональных компьютеров, разнообразных баз данных, сетей ЭВМ. Доступ к ним через ССС позволит подвижному абоненту оперативно и надежно получить необходимую информацию. Соответственно возрастет и роль систем связи, повысятся требования к качеству передачи информации, пропускной способности, надежности работы.

Увеличение объема информации потребует сокращения времени доставки и получения абонентом необходимой  информации. Именно поэтому уже сейчас наблюдается устойчивый рост мобильных  средств радиосвязи (автомобильных  и портативных радиотелефонов), которые  дают возможность сотруднику той  или иной службы вне рабочего места  оперативно решать производственные вопросы. Радиотелефон перестал быть символом престижа и стал рабочим инструментом, который позволяет более эффективно использовать рабочее время, оперативно управлять производством и постоянно  контролировать ход технологических  процессов, что обеспечивает дополнительные доходы при использовании радиотелефона  в производстве.

Внедрение ССС во многие отрасли народного хозяйства  позволит резко повысить производительность труда на подвижных объектах, добиться экономии материально-трудовых ресурсов, обеспечить автоматизированный контроль технологических процессов, создать  надежную систему управления транспортными  средствами или мобильными роботами, распределенными на большой территории и входящими в состав гибких автоматизированных систем управления.

Использование системы радиосвязи с подвижными объектами можно  разделить на следующие классы:

• ведомственные (или частные) системы подвижной связи (ВСПС);
• сотовые системы подвижной связи (ССПС); 
• системы персонального радиовызова (СПРВ).

Исторически впервые в  эксплуатации появились ВСПС, так  как в условиях ограничений на использование радиосвязи возможность  ее применения для связи с подвижными абонентами предоставлялась государственным, ведомственным или крупным частным  организациям (полиция, пожарная охрана, такси и т. п.). Для вызова подвижного абонента (внутри ограниченной зоны обслуживания) стали использоваться СПРВ. Появившиеся  совсем недавно ССПС являются принципиально  новым видом систем связи, так  как они построены в соответствии с сотовым принципом распределения  частот по территории обслуживания (территориально-частотное  планирование) и предназначены для  обеспечения радиосвязью большого числа подвижных абонентов с  выходом на телефонную сеть общего пользования (ТФОП). Если ВСПС создавались (и создаются) в интересах узкого круга абонентов, то ССПС за рубежом стали использоваться в интересах широких кругов населения.

Свое название ССС получили в соответствии с сотовым принципом  организации связи, согласно которому зона обслуживания (территория города или региона) делится на большое  число малых рабочих зон или  сот в виде шестиугольников. В  центре каждой рабочей зоны расположена  базовая станция (БС), осуществляющая связь по радиоканалам с многими абонентскими станциями (АС), установленными на подвижных объектах, находящихся в ее рабочей зоне. Базовые станции соединены проводными телефонными линиями связи с центральной станцией (ЦС) данного региона, которая обеспечивает соединение подвижных абонентов с любыми абонентами телефонной сети общего пользования (ТФОП) с помощью коммутационных устройств. При перемещении подвижного абонента из одной зоны в другую производится автоматическое переключение канала радиосвязи на новую базовую станцию, тем самым осуществляется эстафетная передача подвижного абонента от передающей к последующей (соседней) базовой станции. Управление и контроль за работой базовых и абонентских станций осуществляется ЦС, в памяти ЭВМ которой сосредоточены как статические, так и динамические данные о подвижных объектах и состоянии сети в целом.

В отличие от централизованных в сотовых сетях подвижной  связи радиосвязь базовой станции  с абонентской станцией осуществляется в пределах малой рабочей зоны, что позволяет многократно использовать одни и те же частоты в зоне обслуживания. Число абонентов в ССС определяется пропускной способностью и числом БС, равным числу рабочих зон, которое  возрастает по квадратичному закону с уменьшением радиуса рабочей  зоны R при постоянном радиусе зоны обслуживания R0. Если десять лет назад  радиус рабочей зоны в ССС был  равен 5-15 км, то в настоящее время  он равен 200 м. Так уменьшение радиуса  рабочей зоны с 30 до 0,5 км позволит увеличить  в 3600 раз число подвижных абонентов, оснащенных радиосвязью и имеющих  возможность выхода на ТФОП. Следовательно, эффективность использования спектра радиочастот в ССС во много раз выше, чем в централизованных системах подвижной связи, что позволит в перспективе обеспечить управление большим числом наземных подвижных объектов. 

С уменьшением радиуса  рабочей зоны появляется возможность  уменьшить мощность передатчиков и  чувствительность приемников, что значительно  улучшит электромагнитную совместимость (ЭМС) абонентов в ССС и ЭМС между ССС и другими системами, использующими определенные спектры радиочастот, а также позволит снизить стоимость и габаритные размеры абонентской станции, обеспечить доступ к базам данных и ЭВМ. Отмеченные преимущества позволяют уже в настоящее время повысить оперативность управления и контроля в работе подведомственных предприятий и организаций, улучшить качество технологических процессов в системах с большим числом транспортных средств. 

Стремительный рост объемов  передаваемой информации требует значительного  сокращения времени доставки и обработки  абонентом необходимой информации. Это одна из причин быстрого роста  мобильных средств связи на базе ССС. 

Внедрение ССС означает появление  принципиально нового вида связи - массовой радиотелесвязи, т.е. нового вида услуг. Уже сейчас абонентский терминал ССС - сотовый радиотелефон (СРТ) - признается многими зарубежными экспертами первичным терминалом, которым абонент пользуется как в стационарном состоянии (дома, на службе), так и в движении. Широкое внедрение портативных СРТ в перспективе позволит обеспечить каждого человека персональным телефоном со своим индивидуальным номером. 

Создание систем массовой радиотелесвязи с большим числом подвижных абонентов, большой пропускной способностью и высоким качеством  приема сообщений возможно только при  использовании сотового принципа построения системы связи. Этим и объясняется  повышенный интерес к ССПС.

Действующие в настоящее  время зарубежные ССС по сравнению  с централизованными сетями имеют  следующие преимущества:

• большое число абонентов;
• высокое качество передачи телефонных сообщений и данных;
• возможность связи с ЭВМ и базами данных;
• высокая эффективность использования спектра радиочастот и лучшая электромагнитная совместимость с другими радиотехническими системами.

Использование ССС широким  кругом потребителей в отраслях транспорта, связи, энергетики, строительства, сферы  обслуживания, ремонта и др. приносит существенный экономический эффект. По оценкам экспертов США ежегодные  доходы от внедрения и эксплуатации ССС в США достигают 2 млрд. дол. 

Зарубежные эксперты отмечают возможность создания ССС без  значительных начальных капитальных  затрат. Сначала ССС создаются  с крупными рабочими зонами (радиус зон порядка 10 км) и относительно небольшим числом абонентов. По мере поступления доходов и роста  числа заявок на СРТ размеры зон  уменьшаются и увеличивается  число абонентов. При этом постоянно  наращивается объем типового оборудования базовых станций, АТС и центральной  станции за счет доходов от использования  ССС действующими абонентами. Поэтому  первоначальные капитальные затраты  могут быть значительно меньше полных затрат, приходящихся на максимальное число абонентов. 

Раздел I     

Общие сведения о системах радиосвязи с подвижными объектами 

Классификация

По назначению системы  связи с подвижными объектами (ПО) могут быть разделены на:

• ведомственные (специализированные) радиотелефонные системы;
• радиотелефонные системы общего пользования.

Созданные первыми, ведомственные  системы применяются в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте и  в строительстве, такси, скорой помощи, а также в различных аварийных  службах. Эти системы предназначены  для оперативного управления процессами производственной деятельности. Различают  диспетчерские радиотелефонные  системы, используемые для связи  руководителя работ с абонентами ПО, а также для связи абонентов  между собой и с радиосистемами передачи данных. Последние находят  применение в автоматизированных системах управления производством, технологическими процессами и в таких системах, в которых от подвижного абонента (ПА) или к нему необходимо передавать с высокой скоростью большой объем информации. 

Однако в силу разобщенности  ведомственных сетей, неэффективного использования ими спектра частот, ограниченности количества обслуживаемых  подвижных абонентов, сложности  унификации аппаратуры связи и управления, а также ряда других причин применение ведомственных систем носит ограниченный характер. 

Однако ведомственные  системы радиосвязи с подвижными объектами несмотря на отмеченные недостатки могут просуществовать еще длительное время, что объясняется их практичностью  и ориентацией на те условия и  специфику работ, для которых  они создавались и отрабатывались. Таким образом, становится актуальной задача преобразования и модификации этих систем в целях их объединения в единую сеть подвижной радиосвязи согласно концепции построения сети радиосвязи с подвижными объектами общего пользования. 

Одним из вариантов решения  такой задачи может быть способ организации  единого автоматизированного управления ведомственными и другими локальными системами радиоподвижной связи, объединяемыми  в сеть радиосвязи с подвижными объектами  общего пользования. 

Радиотелефонные системы  общего пользования в настоящее  время составляют основной вид связи  с ПО. Они позволяют наиболее полно  и эффективно использовать выделенный частотный спектр и, объединяя своих  потребителей в одну группу, дают им возможность общего доступа к  системе связи независимо от ведомственной  принадлежности (по принципу городской  телефонной сети). Указанное преимущество систем обеспечивает широкий комплекс услуг: автоматическое соединение абонентов  между собой и с абонентами городской телефонной сети, а также  других городов и государств с  использованием междугородных и  международных линий, передачу речи и данных, а в ближайшем будущем  телексных и факсимильных сообщений, цветных графических изображений, информации из банков данных и т.п. 

Радиотелефонные системы  общего пользования делятся на два  вида:

• системы с большими зонами обслуживания (БЗО - радиальные системы);
• системы с малыми зонами обслуживания (МЗО - сотовые системы связи).

Системы с большой зоной  обслуживания основаны на использовании  одной центральной радиостанции, обслуживающей зону большого радиуса (от 50 до 100 км). Мощность передатчика  этой станции выбирается в зависимости  от заданной напряженности поля на границах обслуживаемой территории и заключена в пределах от 100 до 250 Вт, а антенна располагается  в наиболее высокой точке зоны обслуживания. Широкому внедрению таких  систем препятствует ряд присущих им недостатков, прежде всего невозможность  существенного увеличения количества обслуживаемых абонентов. 

Также, для систем БЗО  необходимо:

• исключать влияние мощных передатчиков на приемники центральных станций, так как на центральных станциях(УКВ диапазон) они используются совместно;
• исключать влияние мощных передатчиков центральных станций соседних зон на работу центральной станции данной зоны;
• контролировать качество связи внутри каждой зоны для подвижных абонентов, находящихся на различных удаленьях от центральной станции данной зоны;
• тщательно планировать частотную обстановку в выделенном диапазоне;
• обеспечивать равнодоступность каналов связи со стороны подвижных объектов.

Тем более, увеличение числа  каналов на ограниченной территории обслуживания вызывает необходимость  соответствующего увеличения числа  центральных станций (ЦС), работающих с достаточно большой мощностью. Это обстоятельство при наличии круговой диаграммы направленности антенны ЦС приводит к возможности возникновения взаимных помех для большинства радиостанций ПА, находящихся в зоне обслуживания. Кроме того, значительному увеличению числа каналов препятствует ограниченность выделяемого спектра радиочастот и невозможность повторного использования каналов в близлежащих районах из-за большой мощности передатчика. 

Другие недостатки связаны  с многолучевостью распространения  радиоволн при работе в городских  условиях с плотной застройкой и  наличием радиозатененных зон, что  может вызвать значительные искажения  сигналов и даже их пропадание на дальностях, близких к предельным. Отметим  также возможность возникновения  интермодуляционных помех из-за достаточно плотного расположения каналов.