Взаимосвязь с коммутируемой телефонной сетью общего пользования и Интернет

Для осуществления вызовов с мобильных телефонов на стационарные обязательно наличие связи между беспроводной сетью и коммутируемой телефонной сетью общего пользования. Эта связь в виде (DS-n или OC-n цепей (передающих систем), TCP/IP соединений или АТМ (DS-n - линии для цифровых сигналов с различной пропускной способностью. OC-n ­оптические линии связи). Сегодня существует подсеть, которая управляет этими соединениями и более известна как публичный узел передачи данных (Public Data Service Node - PDSN). Этот узел осуществляет передачу ин­формации между беспроводной сетью и Интернетом, а также между дру­гими сетями.

Плотность абонентов. Количество возможных абонентов в сети (плотность населения района) характеризуется условной величиной РОР counts. Один потенциальный абонент соответствует единице РОР count.

При разработке сотовой системы компании-провайдеры всегда ориентируются на значение РОР counts. На рынке беспроводной связи территория для обслуживания покупается и продается на основании этой цифры.

Компании, предоставляющие услуги сотовой связи, всегда стараются за­нять такой регион, в котором плотность населения выше. Чем большее коли­чество абонентов они будут обслуживать, тем больше средств получат на расширение своей сферы деятельности.

Сотовая базовая станция. Сотовая базовая станция - специальный набор оборудования, обслуживаю­щий определенную область в заданном диапазоне частот. Рядом находятся смежные сотовые станции, работающие на других частотах, для того чтобы избежать эффекта интерференции. Сотовая базовая станция также известна как базовая приемо-передающая станция (Base Transceiver Station - BTS). Базовая станция служит коммуникатором между мобильным телефоном и бес­проводной системой связи. Это первое или последнее звено в каждом теле­фонном звонке. Сотовая базовая станция может одновременно обслуживать) большое количество телефонных разговоров и служит начальной точкой доступа к беспроводной сети. На каждой базовой станции установлено большое' количество приемо-передающих устройств, называемых трансмиттерами, которые обеспечивают абонентов беспроводными услугами связи, такими как телефонный разговор, доступ в Интернет, пересылка мультимедийной информации (фото или музыка). Каждый мобильный телефон тоже являет 11 трансмиттером. Радиоволны, излучаемые базовой станцией, покрывают определенную площадь, которая может быть округом, городом, и даже просто зданием. Эта площадь называется сотой. Отсюда и пошло название «сотовый». Термины «сота», «участок соты», «сотовая базовая станция» и «базовая станция» являются синонимами и взаимозаменяемы.

Размер соты не распространяется на отдельный регион. Сота может быть раз­ных размеров, начиная с нескольких сотен метров (микросота) в густонаселен­ных районах, заканчивая 20-30 километрами в сельской местности. Размер соты зависит от вида ландшафта, необходимой емкости сети и географического положения (городская или сельская местность). Как правило, в городских районах размер ячейки достаточно мал, в сельской местности он намного больше. Это зависит от плотности абонентов (населения), а в целом - от трафи­ка беспроводной сети. Посмотрите на рисунок 1.18, на котором изображено изме­нение размеров соты в зависимости от ее месторасположения (городской или сельской местности).

Также же как резко увеличилась популярность сотовой связи в 1990-х, так же быстро уменьшался географический размер соты и увеличилась возможность поддержки большого числа пользователей.

Рисунок 1.18 - размер ячейки в зависимости от расположения БС

Критерии и методы установки базовых станций. Базовые станции мoгyт быть расположены в различных местах. Вот некоторые примеры.

Наземные сооружения - оператор сотовой связи покупает или арендует участок земли, строит фундамент и устанавливает на нем базовую станцию и оборудование..

Установка на крышах зданий - оператор арендует участок крыши уже построенного здания. Он устанавливает антенну и оборудование базовой станции непосредственно на самом здании. Это может быть крыша офисного здания, церкви, жилого дома или даже небоскреба.

Установка на водных резервуарах - оператор арендует участок водона­порной башни, устанавливает на нем антенну и протягивает от нее коакси­альный кабель к оборудованию базовой станции, которое находится на земной поверхности.

Совмещенные соты - оператор устанавливает оборудование и антенну базовой станции на вышке, арендованной у другого оператора. Он устанавли­вает собственную антенну и протягивает коаксиальный кабель к собственному оборудованию.

Скрытые соты – эти ячейки скрыты от постороннего наблюдателя. Они скрыты внутри других элементов, например, таких как автозаправочная станция, эмблема гостиницы и др. Эти вышки делают таким образом, чтобы они сливались с общим видом.

Центры коммутации подвижной связи. Сотовая связь - это дуплексная подвижная телефонная радиосвязь общего пользования, основанная на использовании большого числа базовых станций с относительно малыми зонами обслуживания (соты) и высокой пропускной способностью, взаимоувязанных между собой. Используются также названия «мобильная радиотелефонная связь». От появившейся в 1971 году в США идеи сотовой радиосвязи до создания первого образца потребовалось 7 лет. Успешные испытания стали залогом быстрого прогресса этого вида мобильной связи, и расширение регионов использования были ответом на крайнюю необходимость развития широкой сети подвижной радиотелефонной связи в условиях жестких ограничений на доступные полосы частот. Все государства СНГ, в первую очередь, стали внедрять сотовую связь, как наиболее прогрессивную систему передачи информации. В настоящее время во многих странах мира число абонентов сотовой связи превысила число абонентов фиксированной проводной связи.

Если транкинговая связь стала дальнейшим развитием систем служебной конвенциальной радиосвязи, то сотовая связь – развивалась как радиоудлинение АТС. Транкинговая и сотовая связи на настоящий момент времени являются очень схожими по большинству предоставляемых услуг, однако эта схожесть чисто внешняя. Транкинговая связь так и осталась совершенной системой служебной радиосвязи, в которой в ограниченное количество времени необходимо сообщить информацию большому числу людей с целью координации их действий. Сотовый же телефон – это индивидуальный помощник человека, дающий ему возможность в любой момент связываться с деловыми коллегами, родственниками или друзьями.

Основной задачей мобильной системы связи GSM, как известно, является передача различных видов информации (например: речевой, факсимильной, компьютерных данных) в любое место в реальном масштабе времени (или в требуемый абонентом момент времени). Эта задача в системах телефонной связи (до появления систем мобильной связи) решалась путем использования в качестве каналов передачи – кабельных линий связи, а в качестве коммутационных систем – автоматических телефонных станций (АТС).

В данных стационарных телефонных сетях абонент жестко привязан через проводную абонентскую линию к АТС. Любое перемещение абонента в пространстве на значительные расстояния приводит к тому, что он остается без связи. Разработанные и внедренные абонентские терминалы с радиоудлиннителями обеспечивают связь лишь на расстояние до сотен метров от стационарного телефонного аппарата. Этот недостаток стационарной телефонной сети устраняется путем замены кабельной абонентской линии беспроводным радиоканалом в сетях мобильной связи.

Таким образом, главной отличительной особенностью сетей сотовой мобильной связи от стационарной телефонной сети является использование радиоканалов для мобильных абонентов, перемещающихся на значительные расстояния, при сохранении двухстороннего (дуплексного) режима работы по радиоканалу как от мобильного абонента к получателю информации (либо абоненту стационарной телефонной сети, либо другому мобильному абоненту), так и от получателя информации к мобильному абоненту.

Необходимо отметить, что система сотовой мобильной связи в общем случае является сложной и гибкой радиотехнической системой, допускающей большое разнообразие по вариантам конфигурации и набору выполняемых функций. Такая система обеспечивает передачу речи и других видов информации (в частности, факсимильных сообщений и компьютерных данных), при этом может быть реализована дуплексная телефонная связь, многосторонняя телефонная связь (называемая конференцсвязью), голосовая почта.

В данной мобильной системе при организации обычного двухстороннего телефонного разговора, начиная с вызова, предусмотрены возможные режимы автодозвона, ожидания вызова, переадресации вызова.

Первые системы наземной мобильной связи с автоматической коммутацией и маршрутизацией соединений были разработаны и внедрены в

60-х годах XX столетия.

На этом этапе развития сотовых сетей автоматической телефонной связи функции подключения мобильных абонентов к средствам стационарной телефонной сети выполняла одна базовая станция BSS (Base Station System).

Как показано на рисунке 1.19, мобильные абоненты, перемещаясь в пространстве, окружающем BSS (с определенным максимальным радиусом действия), осуществляют связь с BSS по радиоканалам посредством имеющихся у них мобильных радиостанций MS (Mobile Station).

Рисунок 1.19 – Связь мобильных станций со стационарной сетью через одну BSS:

СО – стационарное оборудование BSS; АТС – автоматическая телефонная станция

Далее, BSS подключала мобильные абоненты к стационарной телефонной сети. Данная простейшая сеть мобильной связи, предполагающая по сути одну соту (ячейку) для взаимодействия MS↔BSS, имела следующие существенные недостатки:

- зависимость качества связи от расстояния между MS и BSS (для сохранения высокого качества радиосвязи необходимо было применять радиостанции с регулируемой выходной мощностью передатчика в широком диапазоне уровней в зависимости от расстояния между MS и BSS, что было в то время достаточно сложно реализовать);

- ограниченное число подключаемых мобильных станций MS из-за ограниченного числа радиоканалов (ограниченное число выделенных рабочих частот/длин волн).

В процессе развития сотовых сетей мобильной связи эти недостатки были устранены путем замены одной мощной BSS несколькими BTS (Base Transceiver Station),имеющими меньшие мощности передатчиков и свои индивидуальные зоны обслуживания (рисунок 1.20). При этом сотовые сети мобильной связи строятся в виде совокупности сот (cells – сот, ячеек) схематично изображаемых в виде равновеликих правильных шестиугольников, что имеет сходство с пчелиными сотами и поэтому сеть мобильной связи была названа сотовой или ячеечной (cellular). В центре каждой i-й соты находится BTS, обслуживающая все MS в пределах своей соты.

При реализации такой сети сразу же возникает техническая проблема – как переключать движущегося абонента MS от одной соты в другую. Для решения этой проблемы в сотовой сети мобильной связи предусмотрен центр коммутации мобильных станций MSC (Mobile Services Switching Center),обеспечивающий переключение установленного разговорного тракта при перемещении мобильного абонента из одной соты в другую, а также подключение абонентов стационарной телефонной сети к конкретной BTS, в зоне действия которой находится данный мобильный абонент.

При создании сети, изображенной на рисунке 1.20, возникла необходимость контроля за перемещением (roaming – блужданием) мобильной станции MS, находящейся как в свободном (с точки зрения связи) состоянии, так и в состоянии занятости. Следует отметить, что при использовании сети стационарная телефонная сеть освобождается от обслуживания вызовов, поступающих от одного мобильного абонента к другому. Такие соединения устанавливаются через центр коммутации MSC.

Рисунок 1.20 – Сотовая сеть мобильной связи

В современной сотовой мобильной сети обычно функционирует несколько коммутационных центров MSC, в каждый из которых включается несколько BSS.

Рассмотрим особенности деления обслуживаемой мобильной связью территории на соты. Разделить обслуживаемую территорию на соты можно двумя основными способами:

- первый, основан на измерении статистических характеристик распространения радиосигналов в данной системе связи;

- второй, основан на измерении или расчете параметров распространения радиосигнала для конкретного района.

При реализации первого способа вся обслуживаемая территория разделяется на одинаковые по форме соты (ячейки) и с помощью методов статистической радиотехники определяются их допустимые размеры и расстояния до других сот, в пределах которых выполняются условия допустимого взаимного влияния.

Для получения оптимального (то есть без перекрытия или пропусков участков) разделения территории на соты могут быть использованы только три геометрические фигуры – треугольник, квадрат и правильный шестиугольник. Наиболее подходящей фигурой является шестиугольник, так как, если антенну с круговой диаграммой направленности BTS устанавливать в его центре, то будет обеспечен доступ почти к всем участкам соты.

В действительности соты никогда не бывают строгой геометрической формы. Реально границы сот имеют вид неправильных кривых, зависящих от условий распространения и затухания радиоволн, то есть от рельефа местности, характера и плотности растительности, застройки зданиями и многих других факторов.

Более того, границы сот вообще не являются четко определенными, так как на рубеже передачи обслуживания мобильной станции от одной соты в соседнюю эти границы могут в некоторых пределах смещаться с изменением условий распространения радиоволн и в зависимости от направления движения мобильной станции. Точно так же и положение базовой приемо-передающей станции BTS лишь приближенно совпадает с центром соты, который к тому же не так просто определить однозначно, если сота имеет неправильную форму. Если же на BTS используются направленные антенны, то BTS в реальных случаях могут фактически оказаться на границах сот. При использовании первого способа деления территории на соты интервал между сотами, в которых используются одинаковые рабочие каналы, обычно получается больше требуемого интервала – для поддержания взаимных помех на допустимом уровне.

Более приемлем второй способ разделения территории на соты. В этом случае измеряют или рассчитывают параметры сотовой системы для определенного минимального числа базовых приемо-передающих станций BTS, обеспечивающих удовлетворительное обслуживание абонентов по всей территории, определяют оптимальное место расположения BTS с учетом рельефа местности и других факторов, влияющих на условия распространения радиоволн, рассматривают возможность использования направленных антенн, пассивных ретрансляторов и смежных BTS в момент пиковой нагрузки [10].

Центр коммутации и базовые станции работают круглосуточно и непрерывно, без выключений. При возникновении в них неисправностей работоспособность поддерживается за счет предусмотренного конструкцией резервирования, с ремонтом (заменой) вышедших из строя элементов в ситуации, когда они находятся в положении резервных. В работе подвижных станций перерывы и отключения практически неизбежны, в том числе - для смены источников питания.

Рассмотрим сначала наиболее простой случай - работу подвижной станции в пределах одной ячейки своей («домашней») системы, без передачи обслуживания. В этом случае в работе подвижной станции можно выделить четыре этапа, которым соответствуют четыре режима работы:

- включение и инициализация;

- режим ожидания;

- режим установления связи (вызова);

- режим ведения связи (телефонного разговора).

После включения подвижной станции, т.е. после замыкания цепи питания, производится инициализация - начальный запуск. В течение этого этапа происходит настройка подвижной станции на работу в составе системы - по сигналам, регулярно передаваемым базовыми станциями по соответствующим каналам управления, после чего подвижная станция переходит в режим ожидания. Конкретное содержание этапа инициализации зависит от используемого стандарта сотовой связи.

В стандарте D-AMPS версии IS-54 подвижная станция начинает со сканирования выделенных каналов управления и выбора канала с наиболее сильным сигналом. Затем, по передаваемой в этом канале информации, подвижная станция определяет номера каналов вызова, находит среди них канал с наиболее сильным сигналом, настраивается на его частоту и остается в режиме ожидания. Строго говоря, полная процедура инициализации, имеющая смысл при использовании двухрежимных (цифро-аналоговых) подвижных станций и при работе в полной полосе частот, отведенной для сотовой связи, сложнее. Сначала станция сканирует первичные выделенные каналы управления (в пределах полосы оператора А или В), настраивается на наиболее сильный канал и проверяет наличие возможности работы в цифровом режиме (по содержанию соответствующего бита сигнальной информации). Если такая возможность есть, станция остается в режиме ожидания в цифровом режиме на этом канале; если нет, то сканирует вторичные выделенные каналы управления, и т.д. В соответствии с изложенными ранее соображениями мы не описываемэту процедуру, как и практически все последующие, с такой степенью подробности. В версии IS-136 алгоритм настройки подвижной станции на цифровой канал управления более сложен и гибок, прежде всего, в интересах скорейшего завершения процесса настройки. При этом рекомендуется в максимальной степени использовать всю имеющуюся информацию о положении канала управления (где находился канал управления в прошлом сеансе работы, указатель положения канала управления, если он имеется, и др.). При прямом поиске со сканированием всех частотных каналов стандартом рекомендуется определенная последовательность сканирования групп каналов, в соответствии с вероятностью размещения в них цифровых каналов управления.

В стандарте GSM подвижная станция сканирует все имеющиеся частотные каналы, настраивается на канал с наиболее сильным сигналом и по наличию пачки коррекции частоты определяет, передается ли в этом частотном канале информация канала ВССН. Если нет, то станция перестраивается на следующий по уровню сигнала частотный канал, и так до тех пор, пока не будет найден канал ВССН. Затем подвижная станция находит пачку синхронизации, синхронизируется с выбранным частотным каналом, расшифровывает дополнительную информацию о базовой станции (в частности, 6-битовый код идентификации базовой станции) и принимает окончательное решение о продолжении поиска или о работе в данной ячейке.

Находясь в режиме ожидания, подвижная станция отслеживает:

- изменения информации системы - эти изменения могут быть связаны как с изменениями режима работы системы, так и с перемещениями самой подвижной станции, например, с переходомее в другую ячейку;

- команды системы - например, команду подтвердить свою работоспособность («регистрация» в конкретной ячейке);

- получение вызова со стороны системы;

- инициализацию вызова со стороны собственного абонента.

Две последние ситуации - получение или инициализацию вызова - мы рассмотрим подробнее несколько ниже.

Кроме того, подвижная станция может периодически, например раз в 10...15 минут, подтверждать свою работоспособность, передавая соответствующие сигналы на базовую станцию (подтверждение «регистрации» или уточнение местоположения). В центре коммутации для каждой из включенных подвижных станций фиксируется ячейка, в которой она «зарегистрирована», что облегчает организацию процедуры вызова подвижного абонента. Если подвижная станция не подтверждает свою работоспособность в течение определенного промежутка времени, например, пропускает два или три подтверждения «регистрации» подряд, центр коммутации считает ее выключенной, и поступающий на ее номер вызов не передается.

В стандарте GSM подвижная станция измеряет и периодически передает на базовую станцию следующие параметры:

- уровень сигнала базовой станции рабочей («своей») ячейки и до 16 смежных ячеек, измеряемый по сигналу канала ВССН;

- код качества принимаемого сигнала в рабочей ячейке - функцию оценки частоты битовой ошибки (BER - Bit Error Rate) no принятому сигналу перед канальным декодированием.

В стандарте GSM также производится привязка подвижной станции к базовой по частоте, с использованием пачки коррекции частоты, и временная синхронизация подвижной станции с базовой с точностью до 1/4 бита. Для этого в пачке синхронизации передаются номера четверти бита (QN - Quarter bit Number, в пределах от 0 до 624), бита (BN - Bit Number, в пределах от 0 до 156), слота (TN - Timeslot Number, в пределах от 0 до 7) и кадра (FN - Frame Number, в пределах от 0 до 2715648). Одновременно в пачке синхронизации передаются 3-битовый код (код цвета - color code) сети сотовой связи и 3-битовый код базовой станции, составляющие в совокупности уникальный 6-битовый идентификатор базовой станции (BSIC - Base Station Identifier Code).

Затем базовая станция выдает сообщение о подаче сигнала вызова (звонка), которое подтверждается подвижной станцией, и вызывающий абонент получает возможность услышать сигнал вызова. Когда вызываемый абонент отвечает на вызов («снимает трубку», т.е. нажимает соответствующую кнопку на панели управления абонентского аппарата), подвижная станция выдает запрос на завершение соединения. С завершением соединения начинается собственно сеанс связи - абоненты ведут разговор.

В процессе разговора подвижная станция производит обработку передаваемых и принимаемых сигналов речи, а также передаваемых одновременно с речью сигналов управления. По окончании разговора происходит обмен служебными сообщениями между подвижной и базовой станцией (запрос или команда на отключение с подтверждением), после чего передатчик подвижной станции выключается и станция переходит в режим ожидания.

Если вызов инициируется со стороны подвижной станции, т.е. абонент набирает номер вызываемого абонента, убеждается в правильности набора по отображению на дисплее и нажимает соответствующую кнопку («вызов») на панели управления, то подвижная станция передает через свою базовую станцию сообщение с указанием вызываемого номера и данными для аутентификации подвижного абонента. После аутентификации базовая станция на­значает канал трафика, и последующие шаги по подготовке сеанса связи производятся таким же образом, как и при поступлении вызова со стороны системы.

Затем базовая станция сообщает на центр коммутации о готовности подвижной станции, центр коммутации передает вызов в сеть, а абонент подвижной станции получает возможность следить за ходом его выполнения (слышит сигналы «вызов» или «занято»). Соединение завершается на стороне сети.

Описанная процедура состоит из следующей последовательности действий:

1. Подвижная станция через канал случайного доступа (RACH) запрашивает выделенный закрепленный канал управления (SDCCH) для установления связи.

2. Контроллер базовой станции через канал разрешения доступа (AGCH) назначает канал SDCCH.

3. Подвижная станция через канал SDCCH проводит аутентификацию и выдает запрос на вызов (с номером вызываемого абонента).

4. Центр коммутации выдает командуна назначение канала трафика (ТСН).

5. Центр коммутации выдает вызываемый номер на стационарную телефонную сеть, и после ответа вызываемого абонента завершает соединение.

Процесс разговора и завершение сеанса связи не отличаютсяот предыдущего случая. Если подвижный абонент разговаривает с другим подвижным абонентом, то процедура установления связи и проведения сеанса связи происходит практически таким же образом. Если при этом оба подвижных абонента относятся к одной и той же сотовой системе, то связь между ними устанавливается через центр коммутации системы без выхода в стационарную телефонную сеть. Такова общая схема организации процесса связи в сотовой системе. Многие детали в ней опущены, но к некоторым из них мы еще вернемся по ходу дальнейшего изложения.

Дата добавления: 2014-11-08