14.4.2 Основы построения систем сотовой радиосвязи

Идея сотовой телефонной связи такова (рисунок 14.2). Пло­щадь, подлежащая теле­фо­ни­зации, покрывается сетью многоканальных приемопередатчиков, ко­торые называют базовыми станциями (Base Transceiver Station – BTS). Они служат своеобразным связующим звеном между сотовым телефоном и центром комму­тации связи с подвижными объектами, где роль про­водов обычной телефонной сети выполняют радиоволны. Число каналов базовой станции обычно кратно 8, например, 8, 16, 32... Один из каналов является управляющим (control channel). В некоторых си­туациях он может называться также каналом вызова (calling channel). Ha этом ка­нале проис­ходит непосредственное установление соединения при вызове под­вижного абонента сети, а сам разговор начинается только после того, как будет найден свободный в данный момент канал и произойдет переключение на него. Все эти процессы происходят очень быстро и потому незаметны для абонента. Он лишь набирает нужный ему телефонный номер и разговаривает, как по обыч­ному телефону. Чувствительность и излучаемая мощность базовой станции гораздо выше, чем чувствительность и мощность излучения мобильной станции (Mobile Station – MS), что позволяет сделать сами телефоны достаточно компактными и использовать источники питания ограниченной емкости.

При перемещении MS через границу зоны обслуживания BTS (соты) должно обеспечиваться автомати­ческое (и незаметное для абонента) переключение обслуживания с одной базовой станции на другую. Переключение осуществляет центр коммутации подвижной сети (Mobile Service Switching Center – MSC). Центр коммутации – это ав­томатическая телефонная стан­ция системы сотовой связи, обеспечивающая все функции управления сетью. Центр коммутации связи с подвижными объектами имеет выход на коммутируемую телефонную сеть общего пользования (PSTN – Public Switched Telephone Network).

Рисунок 14.2 - Сотовая система связи общего пользования

Система сотовой связи может включать более одного центра коммутации, что может быть обусловлено, в частности, эволюцией развития системы или ограниченностью емкости комму­татора. Возможна, например, структура системы типа показанной на рисунке 14.3 – с двумя (и более) центрами коммутации, один из которых условно можно назвать «головным» или «ведущим».

Рисунок 14.3 - Система сотовой связи с двумя центрами коммутации

Деление обслуживаемой территории на соты. Для оптимального, т.е. без перекрытия или пропусков участков, разделения территории на соты могут быть использованы только три геометрические фи­гуры: треугольник, квадрат и шестиугольник. Наиболее подходящей фигурой яв­ляется шестиугольник, так как, если антенну с круговой диаграммой направ­лен­ности устанавливать в его центре, то будет обеспечен доступ почти ко всем уча­сткам соты.

Для разделении обслуживаемой территории на соты тщательно измеряют или рассчитывают параметры системы для определения минималь­ного числа ба­зовых станций, обеспечивающих удовлетворительное обслуживание абонентов по всей территории, определяют оптимальное место распо­ложения базовой станции с учетом рельефа местности, рассматривают воз­можность использования направленных антенн, пассивных ретрансляторов и смежных центральных стан­ций в момент пиковой нагрузки и т.д.

Если представить зону обслуживания абонентов сотовой сети как окруж­ность с радиусом R₀ (рисунок 14.4), то площадь этой зоны будет πR₀², площадь соты (шестиугольника) равна 2,6R², где R² – радиус рабочей зоны BS, тогда число сот L определяется по формуле

.

Очевидно, что число базовых станций равно числу сот, так как на каждую соту прихо­дится одна базовая станция.

Рисунок 14.4 - Зона обслуживания абонентов сотовой сети

Повторное использование частот. Каждая из ячеек обслуживается своим передатчиком с невысокой выходной мощностью и ограниченным числом каналов связи. Это позволяет без помех ис­пользовать повторно частоты каналов этого передатчика в другой, удален­ной на значительное расстояние, ячейке. Теоретически такие передатчики можно ис­пользовать и в соседних ячейках. Но на практике зоны обслужива­ния сот могут перекрываться под действием различных факторов, например, вследствие изме­нения условий распространения радиоволн. Поэтому в со­седних ячейках исполь­зуются различные частоты. Пример построения сот при использовании трех час­тот F1… F3 представлен на рисунке 14.5

Группа сот с различными наборами частот называется кластером. Опреде­ляю­щим его параметром является количество используемых в соседних сотах час­тот. На рисунке 14.5, например, размерность кластера равна трем. Но на практике это число может достигать пятнадцати.

Базовые станции, на которых допускается повторное использование выде­ленного набора частот, удалены друг от друга на расстояние D, называемое за­щитным интервалом (рисунок 14.6). Именно возможность повторного при­менения одних и тех же частот определяет высокую эффективность исполь­зования частот­ного спектра в сотовых системах связи.

Рисунок 14.5 - Построение сот для трех частот

Соты группируются в кластеры. В одном кластере находится N базовых станций, работающих в неповто­ряющихся диапазонах частот, каждая из базовых станций обеспечивает I каналов. Общее число каналов в кластере равно NI, полоса пропускания канала ∆F_N, а общая полоса, занимаемая этими каналами:

Так как в зоне обслуживания радиосвязью размещается L/N кластеров, работающих в повторяющихся диапазонах частот, то при том же ресурсе частот число каналов в сотовых сетях радиосвязи увеличивается в L/N раз по срав­не­нию с радиальными системами радиосвязи.

Для увеличения числа абонентов надо стараться уменьшить число сот в кластере. Минимальное значение N равно двум. На практике N определяют по формуле:

.

Таким образом, величина N определяет минимально возможное число кана­лов в системе, поэтому ее часто называют частотным параметром системы, или коэффициентом повторения частот. Коэффициент N не зависит от чис­ла кана­лов в наборе и увеличивается по мере уменьшения радиуса ячейки. Та­ким обра­зом, при использовании ячеек меньших радиусов имеется возмож­ность увеличе­ния повторяемости частот.

Применение шестиугольных ячеек позволяет минимизировать ширину необ­ходимого частотного диапазона, поскольку такая форма обеспечивает опти­мальное соотношение между величинами L и D.

Величина защитного интервала D зависит также от допусти­мого уровня помех и условий распространения радиоволн. В предположении, что интенсивность вызовов в пределах всей зоны одинакова, ячейки выбираются од­ного размера. Размер зоны обслуживания базовой стан­ции, выражаемый через ра­диус ячейки R, определяет также число абонентов N, способных одновременно вести переговоры на всей территории обслуживания. Следовательно, уменьшение радиуса ячейки позволяет не только повысить эф­фективность использования вы­деленной полосы частот и увеличить абонентс­кую емкость системы, но и умень­шить мощность передатчиков и чувствитель­ность приемников базовых и под­вижных станций.

Рисунок 14.6 - Повторное использование частот в несмежных сотах

Заметим, что в действительности ячейки никогда не бывают строгой геометрической формы. Реальные границы ячеек имеют вид неправильных кривых, зависящих от условий распространения радиоволн, рельефа местности, характера и плотности раститель­ности и застройки и других факторов. Более того, границы ячеек вообще не являются четко определенными, так как рубеж передачи обслуживания подвижной станции из одной ячейки в соседнюю может в некоторых пределах смещаться с изменением условий распространения радиоволн и в зависимости от направления дви­жения ПС. Точно так же и положение БС лишь приближенно совпа­дает с центром ячейки, который к тому же не так просто определить однозначно, если ячейка имеет неправильную форму.