Сотовые системы связи

Существенным является вопрос о частном планировании в ССПР. В соответствии с принятыми принципами каждой БС выделяется определенный набор  частотных каналов, который может  повторяться. Как уже упоминалось, БС, на которых допускается повторное  использование выделенного набора частот, разделяются между собой  защитным интервалом D. Именно возможность  повторного использования одних и тех же частот определяет высокую эффективность применения частотного спектра в ССПР. Смежные БС, использующие различные наборы частотных каналов, образуют группу из С станций. Если каждой БС выделяется набор из каналов с шириной полосы Fк, то общая ширина полосы, занимаемая ССПР, будет Fc = Fк m C, где m - число каналов. Таким образом, величина С определяет минимально возможное число каналов в системе, поэтому ее часто называют "частотным параметром" системы (в некоторых источниках - "коэффициентом повторения частот").

Тогда эффективность использования  спектра частот определяется выражением: из которого следует, что величина эффективности  не зависит от числа каналов в  наборе и увеличивается по мере уменьшения радиуса ячейки. Таким образом, использование  меньших радиусов ячеек дает возможность  увеличить повторяемость частот. Кроме того, видно, что целесообразно  выбирать малые значения С. 

Применение шестиугольной  формы ячеек позволяет минимизировать необходимый частотный диапазон, поскольку обеспечивает оптимальное  соотношение между величиной  С и защитным интервалом. Кроме  того, шестиугольная форма наилучшим  образом вписывается в круговую диаграмму направленности БС, установленной  в центре ячейки. 

Остановимся более подробно на вопросе о выборе размеров ячеек (радиусе R). Эти размеры определяют защитный интервал D между ячейками, в которых одни и те же частоты  могут быть использованы повторно. Заметим, что величина интервала  зависит также от допустимого  уровня помех и условий распространения  радиоволн. В предположении, что  интенсивность нагрузки в пределах всей зоны одинакова, ячейки выбираются одинаковых размеров. При заданном размере зоны обслуживания (радиус R0) радиус ячейки R определяет также число абонентов N, способных одновременно вести переговоры на всей территории обслуживания. Из этого соотношения также видно, что уменьшение радиуса ячейки позволяет не только повысить частотную эффективность и увеличить пропускную способность системы, но и уменьшить мощность передатчиков и чувствительность приемников БС и АС. Это улучшает условия электромагнитной совместимости ССПР с другими радиоэлектронными средствами и системами и снижает ее стоимость. 

С другой стороны, чрезмерное уменьшение радиуса ячеек приводит к значительному увеличению числа  пересечений ПА границ ячеек, что  может вызвать перегрузку устройств  управления и коммутации системы. Кроме  того, возможно увеличение числа случаев  возникновения взаимных помех. И, наконец, при малых значениях R в реальных условиях даже незначительное отклонение положения антенны относительно геометрического центра ячейки может  вызвать ощутимое уменьшение отношения  сигнал/помеха в системе. В связи  с этим в реальных условиях при  выборе величины R приходится принимать  компромиссное решение. Типовые  значения радиусов выбираются на основе расчетов и опыта эксплуатации и  составляют величину 0,5 - 2,5 км (в Лондоне и Стокгольме). В перспективе в особенности для районов с плотным трафиком эта величина, как полагают, будет уменьшаться. 

Оценим, для примера, возможное  количество активных абонентов ССПР для современного города, характеризуемого величиной радиуса зоны обслуживания R0 = 30 км при радиусе ячейки R = 1 км. Пусть число одновременно обслуживаемых  одной БС активных абонентов равно 16. Подсчеты по приведенной формуле  дают величину N, равную 17 тыс. Если принять  разумную для практики величину активности сети (отношение числа абонентов, ведущих в каждый данный момент времени  переговоры, к общему количеству абонентов  в сети) равной 0,1, то общая ее емкость  составит 170 тыс. абонентов. В соответствии с исследованиями зарубежных специалистов, в городах с населением, превышающим 2 млн. чел., потребность в радиотелефонных  средствах оценивается на уровне 2% от населения (в городах с меньшим  населением она составляет 1-1,5%). Таким  образом, емкость рассмотренной  сети может удовлетворить потребность  города с населением порядка 8-9 млн. чел. 

В реальных условиях распределение  ПА в пределах обслуживаемой территории может быть неравномерным. Как правило, оно уменьшается от центра к периферии. При этом наиболее рационально выбирать величину R таким образом, чтобы ее размеры увеличивались от центра к периферии. Следует учитывать, что требуемая мощность передатчиков БС и ПА не остается неизменной, а  определяется размерами ячеек. В  этом случае рационально применять  автоматически регулируемую в зависимости  от интенсивности сигнала корреспондента мощность передатчика. 

Исключительно важным вопросом, определяющим в значительной степени  основные характеристики ССПР, является распределение частотных каналов  между БС. Оно позволяет обеспечить низкий уровень межканальных помех, оказывающих значительное влияние  на помехоустойчивость системы. Существуют три способа распределения частотных  каналов: фиксированное, динамическое и гибридное. 

При фиксированном распределении  каждой БС выделяется определенный набор  каналов. АС подвижных абонентов  при нахождении их в определенной ячейке с помощью ЦС назначается  свободный в данный момент времени  канал из набора. При перемещении  АС в другую ячейку с помощью процедуры  эстафетной передачи осуществляется переключение данной АС на соответствующий свободный  канал этой ячейки. Недостатком способа  является неэффективное использование  частотного спектра, поскольку в  реальных условиях центральные ячейки города могут быть перегружены, а  периферийные иметь свободные каналы. 

При динамическом способе  любой из частотных каналов может  быть использован любой БС. При  этом тем БС, на которых все каналы заняты, предоставляются на время  сеанса связи каналы из других ячеек. Это осуществляется с помощью  ЭВМ, в памяти которой хранится информация о состоянии каждого канала в зоне обслуживания и всех его изменениях в процессе работы системы, а также о местонахождении ПА. Таким образом, динамическое распределение каналов позволяет увеличить загруженность каналов и тем самым повысить эффективность их использования и снизить вероятность блокировки вызова в случае, когда все каналы данной ячейки заняты. Однако нагрузки на устройства управления системой связи в этом случае возрастают. 

При гибридном способе  распределения каждой БС выделяется фиксированный набор каналов, а  также определенное их число для  распределения динамическим способом. Гибридный способ при больших  нагрузках позволяет предъявлять  менее жесткие требования к управляющим  устройствам по сравнению с динамическим, а в области малых значений нагрузки имеет преимущество перед  фиксированным, состоящее в более  низкой вероятности блокировки вызова. Следует отметить, что наиболее существенное достоинство динамического и  гибридного распределений заключается  в том, что они обеспечивают выравнивание нагрузки на канал. При фиксированном  распределении это осуществляется путем увеличения числа каналов, предоставляемых БС в местах с  плотным трафиком, а также уменьшением  радиуса ячеек.

Необходимость многофункционального управления в ССПР имеет первостепенное значение для реализации возможности  наиболее эффективного использования  выделенной полосы радиочастот. Многократное использование частот затрудняется из-за сильного изменения уровня сигнала  по мере движения АС в пределах зоны обслуживания, обусловленного многолучевым распространением сигнала, а также  экранирующим и поглощающим воздействием местных объектов. Управление необходимо осуществлять таким образом, чтобы  в сильно меняющихся условиях прохождения  радиосигналов непрерывно осуществлялась надежная связь. Как отмечалось выше, с этой целью ЦС осуществляет функции  управления эстафетной передачей АС по мере пересечения ПА границ ячеек  и снижения качества сигнала ниже установленного заранее порогового уровня. Для оценки качества сигнала  по разговорному каналу постоянно передается пилот-сигнал и измеряется соотношение  сигнал/шум по мощности или сигнал/помеха с помощью специальных измерительных  приемников. При уменьшении величины до значений ниже порогового уровня, что  может обусловливаться выходом  АС из зоны действия БС, замираниями  сигнала, а также рядом других причин, ЦС выбирает зону с максимальной величиной и переключает АС на новый канал (осуществляет эстафетную передачу). 

Для реализации процедуры  управления и обмена служебной информацией  между БС и АС на группу разговорных  каналов выделяется специальный  канал управления. В свободном  режиме АС постоянно настроена на частоту этого канала. Обмен соответствующей  информацией в звене БС-ЦС производится по специальному проводному каналу, также  выделенному на группу разговорных  каналов. 

Характерной особенностью процесса коммутации, осуществляемой в ССПР, является то, что абонент находится  в движении и может оказаться  в зоне обслуживания любой БС. В  связи с этим для установления соединения с находящейся в движении АС необходимо иметь информацию о  местонахождении абонента. При этом согласно рекомендациям МККТТ на 1985-1988 гг. координаты АС должны определяться с точностью до зоны или группы зон. Эта процедура должна осуществляться таким образом, чтобы обеспечивалось своевременное обновление данных о  местоположении АС и был максимально  облегчен поиск АС при изменении  зоны обслуживания. Результаты регистрации  местоположения АС хранятся в специальном  регистре для записи местоположения. При анализе и расчете зон  действия БС и решении ряда других задач существенную роль играет учет особенностей распространения радиоволн  УКВ- и СВЧ-диапазонов в городских  и пригородных условиях. К ним  относятся, прежде всего, многолучевое распространение, вызываемое случайными и многократными отражениями  от зданий и других объектов городской  застройки, а также рассеиванием радиоволн этими объектами. В  результате суммирования различных  лучей на приемной стороне радиолинии возникают случайные амплитудные  и фазовые флуктуации, вызывающие явления замирания сигнала. Распределение  огибающей такого сигнала подчиняется  закону Рэлея, а величина замираний  относительно среднего уровня составляет 40 Дб. Одним из основных путей борьбы с замиранием является использование  методов разнесенного приема. Эти  методы предполагают наличие нескольких разделенных трактов передачи с  независимыми замираниями, по которым  передается одно и то же сообщение. Средние уровни сигналов, передаваемых по каждому тракту, должны быть также  примерно одинаковы. При соответствующем  комбинировании сигналов, поступающих  из трактов передачи, формируется  результирующий сигнал, имеющий гораздо  меньшую глубину замирания и  обеспечивающий соответственно большую  надежность передачи. 

В последнее время в  этих же целях начинает применяться  медленная псевдошумовая перестройка  рабочей частоты. Кроме того, эффективным  средством борьбы с замираниями  является внедрение широкополосных цифровых систем подвижной связи  с шумоподобными сигналами, ожидаемое  в самое ближайшее время. 

Конструктивное  построение сотовых систем связи

Оборудование для ССПР может быть разделено на несколько  основных групп:

• оборудование ЦС, обеспечивающих управление работой системы и контроль ее состояния, распределение каналов и коммутацию вызовов между БС, сопряжение ССПР со стационарной телефонной сетью;
• оборудование БС, передающее и принимающее сигналы АС;
• оборудование АС как перевозное, так и переносное;
• комплект линейного оборудования для подключения БС к ЦС.

Как правило, основу оборудования ЦС составляют серийные электронные  АТС, имеющие дополнительное программное  обеспечение, позволяющее осуществлять процедуру переключения частотных  каналов при перемещении ПА из одной ячейки в другую, контролировать техническое состояние системы, выявлять отказы и производить диагностику  предполагаемых неисправностей, а также  реализовывать административное управление работой системы. Так, например, в  системе NMT в качестве ЦС используется электронная автоматическая телефонная станция типа DX 200МТХ с емкостью 100 тыс. номеров и максимальным числом радиоканалов 3500. Станция имеет три  выхода: на телефонную сеть общего пользования, БС и к системе технической  эксплуатации станции. В развертываемой в Бельгии ССПР в качестве ЦС предполагается использовать цифровую автоматическую телефонную станцию System 12. Первоначально  ЦС будет работать с 45 БС и обслуживать 5 тыс. абонентов, в дальнейшем планируется  увеличение емкости до 50 тыс. абонентов, а числа БС до 245. Эту же станцию  предполагается применять при создании цифровой ССПР CD-900. 

Собственно электронная  система коммутации ЦС содержит процессоры, запоминающие устройства, коммутационные цепи, межстанционные соединительные линии и различные служебные  цепи, организованные как единая система  управления. 

На БС размещаются радиопередатчик  и радиоприемник, контроллер, аппаратура передачи данных и контроля каналов, а также множество канальных  плат и антенная система. С помощью  этой аппаратуры, помимо передачи и  приема, осуществляются под управлением  ЦС поиск ПА и определение их местоположения, установление соединения, распределение  каналов, а также передача данных и выполнение диагностических процедур на оборудовании БС. Управление данными  операциями выполняется схемной  логикой и программируется контроллерами. Комплекты канальных плат передатчиков и приемников обеспечивают возможность  расширения системы путем приращений, что позволяет увеличивать число  каналов, приходящихся на каждую ячейку. Число абонентов в расчете  на канал является гибким параметром сети, зависящим от качества обслуживания. Типовая величина составляет 20-25 ячеек  на канал. С центральной станцией БС соединяется группой разговорных  каналов и несколькими каналами передачи данных. Приемопередатчики  подключаются к общим антеннам с  помощью развязывающе-согласующего устройства из расчета не более 12-16 на одну антенну. Антенны могут быть не направленными либо иметь секторную  направленность, перекрывая, например, секторы по 60 град. или 120 град. каждый. Кроме уменьшения взаимных помех, такое  построение антенной системы обеспечивает расширение объема сети по мере роста  числа абонентов без затрат на строительство новых БС.