4. Сотовые системы связи

Особенностью сотовых систем связи является повторное использование радиочастот за счет пространственного разнесения передатчиков. Повторное использование частот заключается в том, что в смежных областях радиопокрытия используются разные полосы разрешенного частотного диапазона, тогда как в зонах, достаточно удаленных друг от друга, допускается передача в одних и тех же частотных каналах. Возможность подобного частотно-территориального планирования объясняется быстрым пространственным затуханием радиоволн диапазонов, применяемых в системах этого типа. Участок территории радиопокрытия, на котором осуществляется связь в фиксированной полосе частот, схематически изображенный в виде правильного шестиугольника и по сходству с пчелиными сотами получил название соты. В результате системы с пространственным разнесением частот получили наименование сотовых систем подвижной связи. Группу сот, в пределах которой отсутствует повторное использование частотных полос, называют кластером. Сотовая топология позволяет значительно увеличить абонентскую емкость системы по сравнению с системами радиально – зональной структуры и охватить сколь угодно большую зону обслуживания без ухудшения качества связи и расширения выделенного частотного диапазона.

Высокая спектральная эффективность таких систем обеспечивается путем максимально частого повторного использования одинаковых частотных полос, поэтому с этой точки зрения наиболее предпочтителен 3-сотовый (или 3-элементный) кластер, изображенный на рис.7.а, где одинаковыми цифрами обозначены соты с совпадающими наборами частотных каналов. Кроме того, каждой из сот кластера данного типа отводится частотная полоса, равная трети полного частотного диапазона, а значит, и треть общего числа каналов связи в системе. Вместе с тем частое повторение зон с одинаковыми полосами частот характеризуется заметным уровнем соканальных помех, т.е. помех от станций системы, работающих в той же полосе частот, но расположенных в несмежных сотах. Для уменьшения влияния соканальных помех более выгодны кластеры с большим числом элементов, например 7-элементные, изображенные на рис.7. Можно показать [1], что расстояние D между центрами ячеек, в которых используются одинаковые полосы частот, и число n элементов в кластере связаны соотношением

,

где  - радиус ячейки, т.е. радиус окружности, описанной вокруг правильного шестиугольника. Параметр q, определяемый соотношением

,

называют коэффициентом уменьшения соканальных помех или коэффициентом соканального повторения. Для величины употребляют наименование коэффициент эффективности повторного использования частот или коэффициент повторного использования частот.

Увеличение числа элементов в кластере, благоприятно сказывающееся на уровне соканальных помех, приводит к пропорциональному уменьшению полосы частот, которая может быть использована в каждой соте, а значит к снижению абонентской емкости соты.

Рассмотренные структуры кластеров предполагают использование приемопередатчиками станций антенн с круговой диаграммой направленности, осуществляющих передачу сигнала по всем направлениям с одинаковой мощностью. Эффективным способом снижения соканальных помех является применение направленных (в горизонтальной плоскости) антенн с шириной диаграммы направленности 120 или 60, в результате чего шестиугольная ячейка разбивается на 3 или 6 секторов, т.е. производится секторизация сот. В секторе сигнал излучается антенной только в одну сторону, а уровень излучения в противоположном направлении сокращается до минимума. Таким образом, секторизация сот позволяет чаще использовать одинаковые полосы частот в кластерах без изменения их структуры либо в рамках прежней схемы повторения частот заметно снизить уровень соканальных помех. Если кластер состоит из n сот, каждая из которых содержит m секторов, то говорят, что размерность кластера . Типичными размерностями кластеров, широко применяемых на практике, являются (3,9), (4,12), (7,21). На рис.7.в приведен возможный вариант распределения наборов частотных каналов в секторизованном кластере размерности (3,9).

Рис. 7 Структура сот с разными значениями кластеров: 1а – трехсотовый кластер; 1б – 7-ми сотовый кластер; 1в – секторизованный кластер, состоящий из 3-х сот с 3-мя секторами в каждой соте.

Функциональное построение системы сотовой связи приведено на рис. 8. Центр эксплуатации и обслуживания является центральным элементом ССПС, который обеспечивает управление другими компонентами системы, а также контроль качества функционирования. Подсистема подвижных станций объединяет оборудование, обеспечивающее доступ абонентов в систему. Главным звеном в архитектуре ССПС является подсистема коммутации, которая включает в себя центр коммутации подвижной связи (ЦКПС) – Mobile Switching Center (MSC), визитный (гостевой) регистр местоположения (ВРМ) – Visited Location Register (VLR), домашний регистр местоположения (ДРМ) – Home Location Register (HLR), центр аутентификации (ЦА) – Authentication Center (AUC) и регистр идентификации оборудования (РИО) – Equipment Identity Register (EIR). В подсистему базовых станций входят базовые приемо-передающие станции (БС) – Base Transceiver Station (BTS) и контроллеры базовых станций (КБС) – Base Station Controller (BSC).

Рис. 8 Функциональное построение системы сотовой связи: ПМС – подсистема мобильных станций; ПБС – подсистема базовых станций; ПК - подсистема коммутации; МС – мобильная станция; БС – базовая станция; КБС – контроллер базовых станций; ЦКБС – центр коммутации подвижной связи; ВРМ – визитный регистр местоположения; ДРМ – домашний регистр местоположения; ЦА – центр аутентификации; РИО – регистр идентификации оборудования; ЦУО – центр управления и обслуживания.

Проблема подключения абонента к каналу в сотовой системе, проблема “доступа” к каналу возникает при большом количестве абонентов. При этом может случиться, что несколько пользователей попытаются одновременно установить соединение и использовать один и тот же канал. Это приведет к коллизии, возникновению конфликта. Рассмотрим установление соединения в сотовых системах связи и отметим момент возможного возникновения коллизий.

Все каналы связи абонентов сотовых сетей можно разделить на 4 категории:

1) управляющие каналы (от базы к мобильному телефону) для управления системой;

2) пейджинговые каналы (от базы к мобильному телефону) для передачи сообщений мобильным пользователям;

3) каналы доступа (двунаправленные) для установления соединения и назначения каналов данных;

4) каналы данных (двунаправленные) для передачи голоса, факса или данных.

Включение телефона в сеть.

Телефон при включении сканирует запрограммированный список из управляющих каналов, в котором он ищет наиболее сильный сигнал (управляющий сигнал содержит идентификацию базовой станции и номер его канала доступа).

Затем телефон передает в эфир по каналу доступа идентификационный номер телефонного аппарата и абонентский телефонный номер.

Базовая станция принимает этот сигнал и передает его коммутатору центральной станции, который фиксирует появление нового пользователя, а также информирует “домашний (или визитный)” коммутатор о местоположении абонента (о номере базовой станции).

Коммутатор центральной станции определяет текущую ячейку для зарегистрированного абонента на его базовой станции, из которой, при необходимости, абоненту будет назначаться по пэйджинговому каналу номер канала данных. Обычно мобильный телефон регистрируется каждые 15 мин. Для зарегистрированного “визитного” абонента центральный коммутатор сообщает центральному коммутатору “прописки” абонента его местоположение.

Действия вызывающего аппарата при установлении соединения.

Для установления соединения владелец набирает номер вызываемого абонента и нажимает клавишу SEND.

Телефон посылает набранный телефонный номер вместе со своими идентификаторами по каналу доступа. Если при этом происходит коллизия, телефон повторяет попытку позже.

Когда базовая станция получает запрос, она информирует об этом коммутатор центра управления. Если звонящий является клиентом оператора связи, которому принадлежит данный коммутатор, или зарегистрированным визитным абонентом, коммутатор ищет для него свободный канал данных (голосовой канал). Если такой канал находится, то номер канала данных посылается обратно вызывающему абоненту по каналу доступа.

Затем мобильный телефон автоматически переключается на принятый канал данных (голосовой канал) и ждет, пока тот, кому звонит, ответит. Набранный номер поступает на коммутатор центральной станции, где осуществляется коммутация вызывной линии к лини вызываемого абонента.

Действия вызываемого аппарата при установлении соединения.

Телефоны сотовой сети постоянно находятся в режиме ожидания вызова - постоянно прослушивают пейджинговый канал, ожидая адресованные им текстовые сообщения.

Сигнал вызова (с обычного или другого мобильного телефона) в виде пакета данных посылается на “домашний (или визитный)” коммутатор вызываемого телефона.

“Домашний (или визитный)” коммутатор сообщает центральному коммутатору, в зоне которого находится вызываемый абонент, номер базовой станции вызываемого абонента.

После определения номера базовой станции вызываемого абонента центральный коммутатор пересылает сообщение о вызове на базовую станцию вызываемого абонента в его текущую ячейку.

Из текущей ячейки вызываемого абонента посылается по пейджинговому каналу вызываемому абоненту текст: “Абонент 14, вы здесь?”.

Телефон вызываемого абонента отвечает по каналу доступа: “Да”.

После приема сигнала “Да” базовая станция выбирает для вызываемого абонента номер канала данных (например, выбран номер 3) и сообщает ему по пейджинговому каналу: ”Абонент 14, вам звонок по каналу 3”.

После этого телефон вызываемого абонента переключается на канал 3 и начинает издавать звуковые сигналы вызова абонента (или проигрывать мелодию, которую владельцу подарили на день рождения).

Возникновение коллизий возможно, как было отмечено, при посылке сигнала вызывающим абонентом набранного телефонного номера вместе со своим идентификационным номером по каналу доступа через базовую станцию на коммутатор центра управления. При этом с точки зрения системы связи процесс занятие канала доступа конкретным пользователем является случайным процессом. Такой же процесс занятия канала доступа возможен и со стороны других абонентов, находящихся в зоне действия этой базовой станции. Рассмотрим математическую модель совпадения этих сигналов (потоков сигналов), посылаемых различными абонентами.

Иллюстрация потоков сигналов занятия канала доступа пользователями приведена на рис.1.

Допустим, что каждый из потоков поступает на вход суммирующего устройства, выполняющего операцию

. (1)

Если форма импульсов прямоугольная, а их амплитуда равна единице, то в произвольно взятый момент величина будет равна целому положительному числу, включая ноль. Т. е. в момент времени правая часть (1) может принимать значения

(2)

где

Зависимость может рассматриваться как некая совокупность дискретных состояний системы (1). Продолжительность и частота нахождения такой системы в состоянии k равны соответственно длительности и частоте следования импульсов совпадения, образованных в результате сложения импульсов, принадлежащих разным потокам сигналов.

Рис. 1 Потоки сигналов занятия каналов доступа

Если учесть, что вероятность наличия в произвольно взятый момент времени импульса s – го потока равна

, (3)

где и , соответственно, средние частота следования и длительность импульсов, то система может находиться в состоянии k с вероятностью

(4)

Величина , определяемая последним выражением, равна сумме всех возможных произведений, в которые с разными индексами входят k раз, а - (n-k) раз.

В случае одинаковых скважностей импульсов каждого потока, когда уравнение (4 ) приводится к известной формуле Бернулли

(5)

Подставим в соотношение (5) частные значения. Предположим, что имеем два одинаковых потока, выходящих на канал доступа, n=2. В этом случае коллизия приведет к значению k=2. Тогда вероятность коллизии можно определить по соотношению (5). Пусть средняя частота следования пачек импульсов потока и средние длительности пачек соотносятся так

Тогда

Аналогично можно подсчитать вероятность коллизий для 3-х и более потоков пачек импульсов запроса канала доступа.

Центр коммутации подвижной связи (ЦКПС) обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается в процессе работы подвижная станция, т.е. коммутацию мобильных абонентов друг с другом, с абонентом ТФОП и др. На ЦКПС возлагаются также функции коммутации каналов, к которым относятся "передача обслуживания" (или "эстафетная передача") и переключение каналов в соте при появлении сильных помех и неисправностей, если только это не является обязанностью КБС. Помимо коммутационных задач ЦКПС управляет процедурами слежения за подвижными станциями с помощью домашнего и визитного регистров местоположения для обеспечения доставки вызова, а также процедурами аутентификации и идентификации абонентов с помощью ЦА и РИО.

Блоки ДРМ и ВРМ по своей сути представляют собой базы данных. Первый содержит сведения о постоянно приписанных к данному ЦКПС абонентах и о видах услуг, которые им могут быть оказаны, второй содержит информацию об абонентах, временно находящихся в зоне обслуживания данного ЦКПС. Центр аутентификации обеспечивает возможность проведения процедуры аутентификации абонентов и шифрования передаваемых сообщений, РИО содержит сведения об эксплуатируемых подвижных станциях на предмет их исправности и санкционированного использования.

Контроллер базовых станций осуществляет управление несколькими БС, которые обеспечивают связь с МС через радиоинтерфейс, а также производит упаковку информации, передаваемой в ЦКПС, и ее распаковку при передаче в обратном направлении. К числу операций, производимых КБС, относятся передача обслуживания при переходе МС между сотами, контролируемыми одним и тем же КБС, передача вызовов между МС, находящимися в зонах действия разных БС, но одного и того же контроллера (в противном случае, первичное управление возлагается на ЦКПС). Под управлением КБС осуществляются радиоизмерения в каналах связи, регулируется мощность передатчиков подвижных и базовых станций.

Центр коммутации осуществляет все коммутации абонентов системы. По своей структуре он полностью аналогичен телефонной станции общего пользования.