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 микрозоны, 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 микрозонах, могут связаться ЦРС, находящейся в центре этой зоны (БС). Все микрозоны связаны соединительными линиями с главной радиостанчией 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 микрозоне, 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 теже 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 расчитывают 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 ногрузки 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, принимаюшим 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 радиостанцие 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 микрозоне 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. 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"). Применение шестиугольной формы ячеек позволяет минимизировать необходимый частотный диапазон. 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. 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. Из соотношения (1) следует, что 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.