Сотовые системы связи

В связи с перечисленными причинами возникла необходимость  интенсивных поисков и исследований в области разработки систем с  большой эффективностью использования  выделенного спектра и высокой  пропускной способностью, которые были бы в состоянии обслуживать большое  количество абонентов. Эти исследования начались на рубеже 60-70-х годов и  привели к созданию территориальных  систем с малыми зонами обслуживания, получивших название сотовых систем радиосвязи с подвижными объектами. 

Сотовые системы подвижной  радиосвязи имеют принципиально  новую структуру, основанную на сотовом  построении и распределении частот, согласно которому зона обслуживания делится на большое число ячеек ("сот"), каждая из которых обслуживается отдельной радиостанцией небольшой мощности, находящейся в центре ячейки. Небольшая мощность передатчиков в системах МЗО и, соответственно, небольшой радиус их действия, допускает организацию повторения частот приема-передачи через 1-2 зоны. Это позволяет реализовать основное достоинство сотовой системы - обеспечение высококачественной радиосвязью большого количества ПА в условиях ограниченного частотного диапазона. 

К достоинствам систем МЗО  также относятся:

• применение сравнительно маломощных передатчиков в базовых станциях и, как следствие этого, экономия радиоспектра за счет динамического распределения частот выделенного диапазона между зонами обеспечения связи;
• возможность гибкого эволюционного развития системы МЗО (за счет, например, увеличения или уменьшения числа зон обслуживания).

К недостаткам систем МЗО  относятся:

• увеличение стоимости систем в целом за счет использования большого числа стационарных базовых станций;
• необходимость применения аппаратуры непрерывного слежения за подвижными абонентами, т.к. распределение каналов связи меняется от зоны к зоне и поэтому возможны перерывы связи при пересечении подвижными абонентами границ сопряженных зон.

По принципам реализации управления СРПО подразделяются на следующие  группы:

• СРПО с ручным управлением, в которых реализуется ручная коммутация радиоканалов как между подвижными объектами, так и между подвижными и стационарными абонентами, ручная коррекция и визуальный контроль оператором режимов работ как абонентских радиопередающих станций (АРС), так и аппаратуры центральных (базовых) станций и т.д.;
• СРПО с автоматизированным управлением, в которых только часть операций выполняются человеком, а большая часть операций по обслуживанию подвижных объектов - посредством управляющих вычислительных средств (УВС) согласно заданным алгоритмам работы;
• СРПО с автоматическим управлением, в которых все основные операции установления связи и контроля за работой системы реализуются за счет организации систем автоматического управления - без участия человека-оператора. 

В последнее время наибольшее распространение получили СРПО, имеющие:

• сотовую или квазисотовую структуры;
• автоматизированное или автоматическое управление;
• возможность входа в сеть общего пользования или сопряжения с другой СРПО;
• возможность передачи цифровых сигналов управления и прямого и обратного преобразования информации (в том числе и речи) в цифровую форму и обратно.

Внедрение в ССПР цифровых методов обработки информации в  самом ближайшем будущем позволит получить абонентам целый ряд  дополнительных услуг: доступ к международным  базам данных, факсимильная связь, определение  местоположения ПА с большой точностью, получение медицинских данных и  т.д. Как уже отмечалось выше, ССПР характеризуются высокой эффективностью использования спектра. Наконец, они  могут найти применение в качестве временного средства для полной или  частичной замены в короткие сроки  проводной телефонной связи в  новых районах застройки и  обеспечения связью абонентов, проживающих  или временно находящихся в труднодоступных  районах. Интенсивное использование  ССПР за рубежом началось в начале 80-х годов. К 1985 г. ССПР наиболее широко эксплуатировалась в США, Японии, Скандинавских странах. В настоящее время осуществляется их внедрение в ФРГ, Великобритании, Франции и ряде других стран. 

Принципы  построения сотовых систем

Разделить обслуживаемую  территорию на микрозоны можно двумя  способами: статистическим, основанным на измерении статистических параметров распространения сигналов в системах связи, или детерминированным, основанным на измерении или расчете параметров распространения сигнала для  конкретного района. 

При статистическом способе  вся обслуживаемая территория разделяется  на одинаковые по форме зоны и с  помощью статистических законов  распространения радиоволн определяются их допустимые размеры и расстояния до других зон, в приделах которых  выполняются условия допустимого  взаимного влияния. 

Чтобы оптимально разделить  территорию на микро-зоны, т. е. без перекрытия или пропусков участков, могут  быть использованы только три геометрические фигуры - треугольник, квадрат и шестиугольник. Наиболее подходящей фигурой является шестиугольник, так как если антенну  устанавливать в его центре, то круговая форма диаграммы направленности будет покрывать почти всю  его площадь. 

Радиостанции ПО, находящиеся  в микро-зонах, могут связаться  ЦРС, находящейся в центре этой зоны (БС). Все микрозоны связаны соединительными линиями с главной радиостанцией ССПР. В качестве соединительных линий могут использоваться кабели, радиорелейные линии. Главная радиостанция (ЦС) соединяется с телефонной сетью. Таким образом, при связи абонента АТС с абонентом ПО сигнал вызова из телефонной сети попадает на ГСПС, от нее по соединительным линиям к одной из МЗЦС и затем по радиоканалу к абоненту ПО. 

Передатчик МЗЦС имеет  сравнительно небольшую мощность, необходимую  для связи с абонентами ПО в  микро-зоне, поэтому уровень создаваемых  им помех значительно ниже. Это  дает возможность использовать те же частоты и в других ячейках. Расстояние до этих ячеек, в которых могут  быть использованы одни и те же рабочие  частоты, зависят от условий распространения  радиоволн, допустимого уровня помех  и числа радиостанций, расположенных  вокруг данной ячейки. Считается допустимым, чтобы в сотовой шестиугольной  структуре частоты повторялись  через две ячейки. Это означает, что, используя 7 рабочих каналов, можно  перекрыть всю зону обслуживания. Если интенсивность нагрузки по всей зоне одинакова, то и размеры всех ячеек выбирают одинаковыми. 

Обычно распределение  абонентов ПО по всей обслуживаемой  территории неравномерно (уменьшается  от центра к периферии), поэтому целесообразно  так изменять ячейки, чтобы их размеры  увеличивались к периферии. Это позволяет уменьшить стоимость ССПР в целом за счет уменьшения необходимого числа БС. Однако в этом случае мощности передатчиков центральных и подвижных радиостанций будут зависеть от размеров ячеек, поэтому целесообразно использовать автоматически регулируемую по сигналу корреспондента мощность передатчика. Кроме того, для территорий с зонами разного размера надо более тщательно определять те из них, в которых можно повторно использовать рабочие каналы. При статическом способе в большинстве случаев получаемый интервал между зонами, в которых используются одинаковые рабочие каналы, получается больше необходимого с точки зрения поддержания взаимных помех на допустимом уровне. 

Более оптимален детерминированный  способ разделения на зоны. При нем  тщательно измеряют или рассчитывают параметры системы для определения  минимального числа центральных  станций, обеспечивающих удовлетворительное обслуживание абонентов по всей территории, учитывается рельеф местности для  определения оптимального места  расположения ЦРС, имеется возможность  использовать направленные антенны, пассивные  ретрансляторы и смежные центральные  станции в момент пиковой нагрузки и т.д. Однако этот способ сложен и  требует в ряде случаев моделирования  с использованием ЭВМ. В сотовых  системах необходимо определить, какую  ЦРС подключить для связи с  абонентом ПО, т. е. определить местоположение абонента ПО на территории обслуживания. При этом не требуется высокая  точность определения местоположения подвижного объекта. Достаточно определить только микрозону в которой он находится. При входящей связи, т. е. от ЦС к абоненту ПО, сигнал вызова может  передаваться либо по специальным вызывным, либо по свободным каналам, на которые  радиостанции ПО настраиваются автоматически. Местоположение определяется по уровню сигнала, поступающего от радиостанции ПО на ближайшую БС. которая и  включается для ведения переговоров  с абонентами ПО. При переезде в  зону действия другой БС радиостанция ПО автоматически переходит на канал  новой БС. При этом постоянно должен обеспечиваться контроль за радиостанцией  ПО, для чего в процессе ведения  разговора с абонентом ПО на БС и далее в ЦС совместно с  речью передаются контрольные сигналы.

Существуют различные  методы определения координат: наиболее распространенный из них трехсторонний  дальномерный метод для оценки дальности  импульсными или фазометрическими системами, а также триангуляционный метод для измерения азимута  ПО по отношению к базовым станциям, принимающим сигнал его абонента. Есть также предложения по использованию  метода электронного оповещения, при  котором на границах зон устанавливаются  электронные посты оповещения, предназначенные  для передачи абоненту ПО информации о пересекаемой области. Эта информация запоминается радиостанцией ПО и  может быть затем передана на ЦРС, принимающие заявку на обслуживание абонентов ПО. Однако такая система  требует дополнительной аппаратуры, устанавливаемой на всей территории обслуживания. Следует отметить, что  методы определения координат радиостанции ПО и алгоритмов выделения ЦРС  еще требуют дополнительных исследований. После выделения одной из нескольких ЦРС для связи с абонентом ПО необходимо выделить рабочий канал. В простейших сотовых системах с относительно равномерной средней нагрузкой используется фиксированное распределение каналов, при котором за каждой зоной закрепляется один канал, а радиостанция ПО может переключаться на каналы всех зон автоматически по мере перехода из одной зоны в другую. В более сложных системах за каждой зоной может быть закреплена группа каналов (стволов); радиостанция ПО при работе в данной зоне автоматически выбирает канал, свободный в данный момент от связи. При переходе в другую зону она автоматически переключается на другую группу каналов и на поиск свободного канала в новой зоне. 

При фиксированном распределении  каналов во время пиковой нагрузки, которая чаще всего возникает  в центре обслуживаемой территории, центральные ячейки могут быть перегружены, а периферийные иметь свободные  каналы, что приводит к неэффективному использованию спектра. В этом случае лучше применять динамическое распределение  каналов, при котором любой канал  может быть использован в любой  микро-зоне обслуживания. 

В системе связи с динамическим распределением каналов обрабатывается большой объем информации. Для  этого используется быстродействующая  ЭВМ, в которой запоминается информация о состоянии каждого канала в  каждой зоне обслуживания и изменение  ее при изменении состояния системы. Абонент подвижного объекта, осуществляющий вызов, должен иметь свой адресный признак  для определения состояния и  для автоматизации расчета оплаты обслуживания. Центральную радиостанцию необходимо переключать с канала на канал по мере распределения каналов  в пределах зоны обслуживания. При  динамическом распределении увеличивается  загруженность каналов и снижается  интенсивность отказов по сравнению  с системами, в которых используется фиксированное распределение каналов. Но управление системой усложняется. Каждая ЦРС должна работать на всех частотах системы. Радиостанция ПО может работать либо на одном, либо на группе равнодоступных каналов. Таким образом одноканальная  радиостанция ПО может обеспечить связь  на всей территории обслуживания (конечно, если канал не занят другой радиостанцией). При фиксированном распределении  каналов радиостанция ПО должна работать на всех каналах системы, а каждая ЦРС должна иметь 1/7 от общего числа  каналов. 

Одной из основных функций  БС является обеспечение сопровождения  между проводной частью ССПР и  АС. В состав БС входят приемники, передатчики  и блоки управления для связи  с ЦС. С центральной станцией БС соединены группой разговорных  каналов и несколькими каналами передачи данных. Передатчики БС и  АС имеют небольшую мощность, необходимую  для обеспечения связи в пределах ячейки, что дает возможность использовать одни и те же частоты в различных  ячейках, разнесенных друг от друга  на определенное защитное расстояние D. Повторное применение одних и  тех же частот позволяет наиболее экономно использовать выделенный ресурс и обеспечивает высокую пропускную способность системы. 

В процессе движения ПО пересекают границы ячеек. При этом АС, установленные  на ПО, по командам ЦС передаются от одной  БС к другой, переключаясь на свободный  частотный канал соседней ячейки. Автоматический поиск свободных  каналов и установление соединения осуществляется без нарушения связи  по командам ЭВМ, управляющей коммутационным оборудованием. Процедура автоматического  перевода АС от одной БС к другой в процесс движения ПО получила название "эстафетной передачи". При перемещении  ПО из одной ячейки в другую ЭВМ  фиксирует полученные по радиоканалу  управления данные о качестве сигнала, местоположения объекта и некоторые  другие, с использованием специальной  программы определяет соответствующий  заданным требованиям свободный  канал в той ячейке, куда переместился абонент. После этого ЦС посылает сигнал для автоматического переключения АС на этот канал. Помимо данной процедуры  ЦС выполняет следующие функции:

• управление и контроль за работой БС и АС;
• установление соединений между абонентами и разъединение их по окончании разговора;
• слежение за качеством передачи;
• поиск ПО на территории обслуживания;
• тарификация и диагностика состояния системы.

По структуре ССПР могут  быть построены по радиальному или  радиально-узловому принципу или иметь  распределенное управление. По радиальному  принципу строятся ССПР с небольшим  количеством БС, такие, например, как TACS (Великобритания) и AMPS (США). БС соединяются  непосредственно с ЦС, которые, в  свою очередь, подсоединены к телефонной сети общего пользования. 

Радиально-узловой принцип  применяется в случае, если ССПР обслуживает большую территорию со значительным количеством абонентов. Такими системами являются NTT (Япония) и MATS-E (Франция). При этом БС соединяются  со станциями управления, которые  проводными линиями связи подключены к ЦС. Станции управления устанавливают  соединение, осуществляют контроль качества принимаемой информации, производят эстафетное переключение. Кроме того, они передают сведения о произведенных  операциях на ЦС. Последняя фиксирует  полученную информацию и, в случае необходимости, перекоммутирует АС в зону действия другой ЦС. При распределенном управлении ЦС отсутствует, а функции управления осуществляют БС и АС.