2.2 Частотно – территориальное планирование систем сотовой связи

Задача частотно – территориального планирования состоит в делении обслуживаемой территории на близкие по форме геометрические фигуры, в пределах которых соблюдаются требуемые стандартом связи энергетические характеристики сигналов. Число допустимых каналов, отнесённых к единице площади, может быть увеличено при одновременном использовании одних и тех же каналов в пределах сот зоны обслуживания.

Основные задачи, решаемые при частотном планировании:

• минимизация частотных каналов при обеспечении заданной ёмкости сети;

• избежание недопустимых сокональных и межканальных помех.

Абонентские станции могут работать только при определённом защитном отношении мощности принимаемого сигнала S к мощности суммарных помех I:

S/I(дБ)=10lg(S,_Вт/I,_Bт) (2.1)

Данные задачи могут быть выполнены на основе использования нескольких методов:

• детерминированным путём, на основе знаний параметров распространения радиосигналов для конкретного района, т.е. требуют построения профиля трассы, параметры которой определяются расчётным путём либо непосредственными измерениями;

• на основе использования статистических параметров распространения радиосигналов в сотовых системах, т.е. использования усреднённых характеристик сетей в пределах одинаковых территориальных зон;

• методики расчёта зон покрытия на основе аналитической модели напряжённости поля сигнала позволяют рассчитывать усреднённые значения сигнала в точке приёма в зависимости от характеристик городского рельефа.

Площадь гексагональной соты:

(2.2)

Где R – радиус окружности, описанной вокруг шестиугольника.

Рисунок 2.1.- Аппроксимация кластеров большими шестиугольниками.

Для эффективного использования частотного спектра необходимо, чтобы соты с одинаковым набором частот имели бы возможность по условию допустимых сокональных помех располагаться как можно ближе. Минимально допустимое расстояние, защитный интервал D, зависит от числа работающих на повторяющихся частотах расположенных вокруг станций, условий распространения и допустимого уровня помех для конкретной системы связи. Простое увеличение радиуса сот не приведёт к уменьшению сокональных помех, поэтому D измеряется в радиусах сот.

Практически число элементов в кластере выбирается минимально возможным, обеспечивающим допустимое соотношение сигнал/помеха.

Меры, приводящие к снижению уровня помех

Будем соту, расположенную в центре, считать опорной. Построим вокруг неё сотовый кластер. Предположим, что на базовых станциях расположенных в центрах идеальных сот, устанавливаются всенаправленные антенны omni (omni directional antennas), излучение радиосигналов которых происходит с одинаковой мощностью во всех направлениях. Для абонентских станций MS это эквивалентно приёму помех от всех базовых станций со всех направлений!

Итак, в предположении равной мощности, излучаемой базовыми станциями, отношение S/I зависит только от геометрических свойств распределения сот, расстояний между базовыми станциями, использующими одни и те же частотные каналы, и радиуса зоны покрытия базовой станции.

Взаимосвязь отношения расстояния между сотами, использующими одни и те же частотные каналы и радиус сот, с отношением «сигнал/внутриканальная помеха» и типом окружающей среды для распределения сот изображённых на рисунке 2.2 отображается формулой: q = (6 S/I)^1/γ (2.3)

Рисунок 2.2.- Распределение в пространстве интерферирующих сот семиэлементных кластеров

При практической реализации систем значение S/I выбирается таким, что бы обеспечить качество передачи речи, приемлемое для 75% пользователей на 90% области покрытия системы. Для аналоговых систем, например таких как AMPS, значение S/I выбиралось равным приблизительно 18 дБ (63,1 раза в линейном масштабе). Для цифровых сотовых систем значение S/I меньше – около 9 дБ(7,943 раза).

Наихудшие случаи внутриканальных помех при размерности кластера N=7 иллюстрируются рисунком 2.3 для не секторированных сот. Сота, расположенная в центре, имеет 6 окружающих её интерферирующих сот. Влияние 2-го кольца незначительно и им можно пренебречь.

Рисунок 2.3.- Наихудший случай внутриканальных помех при N=7.

Поэтому, для снижения уровня помех, в современных цифровых системах базовые станции работают с направленными, например, секторными антеннами. На рисунке 2.4 изображена трёхсекторная базовая станция, имеющая три направленные под углом 120 град антенны.

Рисунок 2.4.- Трёхсекторная БС

S1, S2, S3-1,2 и 3 секторы данной соты;

A1,A2,A3 – направленные антенны BTS;

VD1,VD2,VD3-диограммы направленности;

В каждой соте радиосигнал излучается лишь в одном направлении (по секторам). Уровень излучений в других направлениях максимально снижается. Это позволяет располагать базовые станции, работающие на одинаковых частотах ближе, чем в бессекторных сотах (рис. 2.5)

Рисунок 2.5. - Иллюстрация внутриканальных помех в случае 120⁰ секторных антенн.

На рисунке 2.6 изображена наихудшая ситуация для 120 град. секторных антенн.

Рисунок 2.6.- Наихудший случай для секторов120⁰

Радиусы сот зависят от плотности абонентской нагрузки и составляют:

в городе 1-5 км, в пригороде 5-7 км, вдоль магистралей – 35 км. Минимальный радиус сот обычно определяет число допустимых хэндоверов, в связи с чем, размеры сот для GSM-900 должны быть не менее 1,1 – 1,4 км, а для сетей GSM-1800 не менее 0,6 – 0,8 км.

Однако существуют и недостатки разделения на секторы:

• базовая станция требует большего количества оборудования, особенно высокочастотного;

• АС чаще меняют каналы, что приводит к увеличению объёмов сигналов управления;

• снижается «транковая» эффективность – количество обслуживаемых абонентов останется тем же, что и в сотах без выделения секторов, только в том случае, если количество пользователей в каждом секторе пропорционально количеству выделенных на каждый сектор каналов.

Типичная для GSM раскладка секторов, соответствующая модели повторения частот 4х12 изображена на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7.- Пример покрытия территории сотовыми кластерами при N=4 и тремя секторами в каждой соте.

Количество сот в кластере N=4 и каждая сота поделена на 3 сектора. Секторы обозначены символами А, B и С, а соты в кластере обозначены от 1 до 4. Сигнал в каждом секторе искажается сигналами двух секторов, принадлежащим двум различным кластерам, Таким образом количество интерферирующих сот Ко = 2.

Разделение сот на секторы даёт возможность увеличить ёмкость сети до 40-50%.

Значительное увеличение ёмкости получают, вводя регулировку мощности MS и BTS таким образом, что бы уровень сигналов на приёмниках BTS от всех MS был бы примерно одинаков. Чем выше точность выравнивания сигналов, тем больше зона покрытия. Контроллер базовой станции BSC, анализируя уровень ошибок в принимаемом от MS сигнале, распределяет мощность BTS между абонентами таким образом, чтобы обеспечить приемлемый уровень ошибок BER для всех MS.

Увеличение ёмкости можно также получить, применяя разнесённые антенны.

Перспективным является применение интеллектуальных антенн с автоматически перенастраиваемыми диаграммами направленности на мобильную станцию. Это обеспечивает увеличение коэффициента усиления антенны и ещё больше снижает уровень сокональных помех.

Кроме сокональных помех имеют место межканальные или интермодуляционные помехи. Этот тип помех возникает между сигналами, излучаемыми в одной и той же соте (секторе) на разных несущих частотах. Из-за внеполосных помех, создаваемых передатчиками, боковые лепестки передатчика MS, которая расположена ближе к BTS, могут подавить сигнал от удалённой MS. Поэтому, частотные каналы среди сот и секторов назначаются по определённым правилам, выполнение которых сказывается на величине межканальных помех. Для уменьшения межканальных помех, каждая несущая частота в секторе отличается от других на сотни кГц, между секторами – на МГц и более. Т.е. распределение частот для одного оператора происходит строго определённым образом. Пример распределения шести дуплексных частот базовой станции при трёхсекторной конфигурации приведен в таблице 2.1.

Таблица 2.1.

Сектор	F, пер. (МГц)	F, пр. (МГц)
А	1859,2; 1859,6;	1764,2; 1764,6;
В	1857,6; 1858,0;	1762,6; 1763,0
С	1858,4; 1858,8.	1763,4; 1763,8

На практике область покрытия базовой станции не обладает правильной круговой или шестиугольной формой, т.к. она зависит от препятствий на пути распространения сигнала и от структуры местности.

Разделение области покрытия на правильные соты не возможно и по техническим причинам из-за использования для установки базовых станций городской инфраструктуры – зданий, башен и т.д. Такие элементы редко располагаются в центре планируемой зоны и обладают необходимой высотностью. В секторизованных сотах базовая станция и вовсе может находиться на краю соты и абонентская ёмкость по секторам может намного отличаться.

Изложенные рассуждения поясняют принцип повторного использования частот, но не отражают всех сложностей процессов построения и оптимизации реальных сетей.