Системы сотовой подвижной связи

Системы подвижной связи с одной базовой станцией, обеспечивающей работу систе - мы на всей обслуживаемой территории (называемые радиальными), имеют два основных недостатка. Во - первых, при большом удалении от базовой станции сигнал на мобильную станцию приходит с большим ослаблением. Это вынуждает увеличивать мощность радио - передатчиков и чувствительность радиоприемников, что, в свою очередь, вызывает неже - лательный рост веса и габаритов мобильной станции и сокращения цикла работы ее ис - точника питания. Во - вторых, увеличение количества обслуживаемых абонентов приводит к пропорциональному росту необходимых радиоканалов. При дефиците частотного ресур - са это тормозит дальнейшее развитие системы.

В сотовых системах связи вся обслуживаемая территория делится на относительно не - большие зоны (ячейки). Наилучшая форма такой зоны имеет вид правильного шести - угольника (при такой форме центры соседних ячеек находятся на одинаковом расстоянии друг от друга, и в любую точку на границе между соседними ячейками сигналы от соот - ветствующих базовых станций будут приходить одинакового уровня). Организация сис - темы связи в этом случае напоминает рисунок сот в пчелином улье, и такие системы на - зывают сотовыми (рисунок 1.4).

	Приблизительно в центре каждой соты устанавливается
	маломощная базовая станция.За каждой базовой станцией за-
	крепляется набор рабочих частот(в простейшем случае это
	может быть одна частота).Базовые станции с помощью спе-
	циальных каналов связи(это могут быть проводные или ра-
	диоканалы)связаны друг с другом и с центром коммутации,
	управляющим работой всей системы.
Рисунок1.4–Структура	Антенна базовой станции в общем случае имеет круговую
сотовой системы	диаграмму направленности.Мощность радиопередатчика вы-

бирается из условия устойчивого приема сигналов на территории всей соты. В общем слу - чае на территории соседней соты сигнал имеет ненулевое значение, поэтому может нару - шать нормальную работу радиосредств соседней ячейки.

Частоты радиоканалов каждой соты для уменьшения взаимного влияния сигналов станций соседних ячеек выбирают по определенному правилу и базовые станции с одина - ковым набором частот разносят на величину защитного интервала, за пределами которого взаимное влияние соседних станций пренебрежимо мало. Для этого между базовыми

станциями с одинаковыми наборами частот помещают базовые станции с другим набором рабочих частот. Группа соседних сот с различными наборами частот образуют кластеры, в которых представлены все рабочие частоты, выделенные данной системы связи, причем ни одна из частот в полном наборе не повторяется. Полный набор частот определяет раз - мерность кластера.

На рисунке 1.4 жирными линиями выделены кластеры с количеством частот в наборе, равном 7 (на практике формируются кластеры и с другим количеством частот). В резуль - тате вся обслуживаемая территория покрывается сетью кластеров, и в каждом кластере

Рисунок1.5 –Структурная схема

сотовой системы подвижной радиосвязи

используется 7 различных частот (7 наборов различных частот). Таким образом, на об - служиваемой территории 7 рабочих частот, выделенных в данной системе подвижной свя - зи, будут повторяться столько раз, сколько кластеров образуют данную систему. И в то же время работа станций на этих частотах в соседних кластерах не будет вызывать отрица - тельного влияния друг на друга. Метод многократного использования частот позволяет во столько же раз повысить количество обслуживаемых абонентов.

Для дальнейшего увеличения количества обслуживаемых клиентов принимают и дру - гие меры: уменьшают радиус соты на территориях с повышенной концентрацией мобиль - ных станций (супермаркеты, аэропорты и т. п.). Типичный размер ячейки сотовой подвиж - ной связи составляет несколько километров, ячейки размерами несколько сот метров на - зывают микросотами, а ячейки размерами несколько десятков метров - пикосотами. Для

этой же цели на базовых станциях используют не одну антенну с круговой диаграммой направленности, а несколько антенн с секторными диаграммами направленности. В этом случае структура повторного использования частот имеет более сложный характер, но за - то одна частота в пределах одного кластера может использоваться дважды.

Структурная схема сотовой системы подвижной связи представлена на рисунке 1.5.

Обслуживаемая территория разбивается на ячейки соот - ветствующего размера. Примерно в центре каждой ячейки устанавливается базовая станция, включающая в себя прие - мопередающее устройство, антенно - фидерное устройство

для образования радиоканалов с мобильными станциями и управляющее устройство (контроллер). Контроллер предна - значен для обработки соединений мобильной станции с ос - тальной сетью. Мобильная станция может находиться в лю - бом месте обслуживаемой территории. Ядром системы яв -

ляется центр коммутации, к которому подключена каждая базовая станция специальным каналом связи. Центр коммутации также имеет выход на телефонную сеть общего пользо - вания и управляет установлением соединений, как между мобильными станциями, так и стационарными телефонами.

В сотовых системах между мобильной станцией и базовой станцией могут быть уста - новлены каналы связи двух типов: каналы управления и информационные каналы. Каналы управления предназначены для обмена информацией, связанной с выполнением заявки на обслуживание, вызовом абонента и установлением соединения между вызывающим и вы - зываемым абонентом. В свою очередь канал управления делится на прямой (от базовой станции) и обратный (от мобильной станции). Информационные каналы предназначены для передачи речи или данных между пользователями.

Мобильная станция постоянно работает в режиме дежурного приема на канале вызова. Предварительно (при включении) выполняется инициализация мобильной станции: мо - бильная станция сканирует прямые каналы управления соседних базовых станций и вы - бирает канал с самым сильным сигналом (ближайшую базовую станцию). По свободному обратному каналу управления мобильная станция передает в центр коммутации свои пер - сональные данные, которые используются для регистрации мобильной станции. Операции обмена служебной информацией с базовой станцией регулярно повторяются, пока вклю - чена мобильная станция. Кроме того, мобильная станция следит за сигналами вызова.

В системах подвижной связи должна быть обеспечена непрерывность связи при пере - мещении абонента из одной ячейки в другую. Для этого мобильная станция постоянно сканирует каналы управления соседних базовых станций и выбирает канал с самым силь - ным сигналом. Это позволяет следить за перемещением мобильной станции, и если мо - бильная станция входит в другую ячейку, выбирается новая базовая станция. Такая орга - низация связи мобильных станций называется эстафетной передачей, которая выполняет - ся без прерывания сеанса связи, а в современных системах и незаметно для абонентов.

Рисунок1.6 –Временная и частотная структура сигналаGSM

Заявка на сеанс связи от мобильной станции отправляется по свободному каналу управления через базовую станцию на центр коммутации. Центр коммутации по данным регистрации мобильных станций определяет базовую станцию, в зоне действия которой в данный момент находится вызываемая мобильная станция, и направляет ей номер вызы - ваемого абонента. Базовая станция по прямому каналу управления направляет звонок вы - зываемому абоненту.

Вызываемая мобильная станция в потоке служебной информации прямого канала управления распознает по номеру адресуемое ему сообщение и направляет ответ базовой станции. По этому ответу центр коммутации устанавливает канал связи между базовыми станциями, обслуживающими вызывающего и вызываемого абонентов, а также информа - ционные каналы внутри соты, по которым обмениваются информацией базовая и мобиль - ная станции. Соответствующие сигналы от центра коммутации передаются на базовые станции, а затем на мобильные станции, в результате чего мобильные станции перейдут на выделенные им информационные каналы. Если во время сеанса связи мобильная стан - ция переходит в зону действия другой базовой станции, то под управлением центра ком - мутации старый канал заменяется новым без прерывания сеанса связи.

Несмотря на короткий исторический отрезок развития, подвижная сотовая связь про - шла несколько этапов.

Первое поколение сотовых систем связи использовали аналоговые сигналы для пере - дачи речи. Из разнообразных систем подвижной связи наибольшее распространение по - лучили AMPS (Северная Америка), NMT (Северная Европа). Эти же системы используют - ся в России. Так, система NMT (Nordic Mobile Telephone System) использует диапазон частот 453…467 МГц (NMT-450) с дуплексным разносом 10 МГц и 890…960 МГц с раз - носом 45 МГц. Каждый канал в обеих системах занимает полосу 25 кГц с частотной мо - дуляцией сигналов.

Аналоговые системы подвижной связи первого поколения используют разные стан - дарты, что затрудняет их совместное использование, имеют низкое качество связи, не до - пускают шифрования передаваемых сообщений.

Системы подвижной связи второго поколения используют цифровые методы передачи. Наиболее широкое распространение получили европейский стандарт GSM, американский D-AMPS и японский JDC. В России в качестве федерального стандарта и в Беларуси при - нят стандарт GSM.

Система GSM-900 (Global System for Mobile communications) работает в диапазоне

890…915 МГц для передачи сигналов от мобильной станции и в диапазоне 935…960 МГц для передачи от базовой станции. Каждый из этих диапазонов разбит на 124 частотных канала с разносом между частотами 200 кГц.

Временная и частотная структура сигнала GSM приведена на рисунке 1.6. В каждом частотном кана - ле в течение кадра передаются поочередно сигналы 8 абонентов, то есть используется и частотное, и вре - менное разделение каналов.

Структура канального интервала стандарта GSM приведена на рисунке 1.7. Зашифрованные информа - ционные биты передаются двумя порциями по 57 бит. Настроечная последовательность (известная комбинация битов, разная для каждой ячейки) ис -

пользуется для настройки параметров приемника по получаемому сигналу. В каждом канальном интерва - ле передаются служебные сигналы (синхронизации, управления и т. п.), предусмотрены защитные биты,

предохраняющие проникновение сигналов соседних каналов.

Рисунок 1.7 – Структура канального интервала стандарта GSM

В системе GSM при изменении расстояния ме - жду базовой и мобильной станцией базовая стан -

ция передает сигналы управления на мобильную станцию для временного сдвига сигналов, переда - ваемых мобильной станцией. Это исключает попа - дание сигналов разных мобильных станций, нахо - дящихся на разных расстояниях от базовой стан - ции, на общие временные интервалы. При измене - нии дальности на мобильную станцию также по - ступают сигналы управления, регулирующие

мощность излучаемого сигнала.

В условиях городской застройки распространение сигнала сопровождается многочис - ленными отражениями и переизлучениями. В результате в точку приема поступает не только основной сигнал, но и копии этого сигнала, имеющие разные амплитуды и времен - ные задержки. В конечном итоге многолучевое распространение приводит к замираниям сигнала. Для борьбы с замираниями в системе GSM используют медленные скачки часто - ты: сообщение, передаваемое абоненту в выделенном временном интервале, в каждом кадре передается на другой частоте.

Отраженные сигналы могут вызывать временную дисперсию, если объект, от которого отражается сигнал находится на расстоянии в несколько километров. Основной и отра - женный сигналы проходят разные пути, моменты их поступления в приемное устройство могут быть сдвинуты относительно друг друга на интервал времени, что затрудняет при - нятие решения о поступившем сигнале. Оптимальный прием можно обеспечить при адап - тации приемника к используемому каналу, выступающему как фильтр сигнала, т. е. необ - ходимо иметь математическую модель канала, и в соответствии с нею подстраивать при - емник.

Создание модели канала, и корректировка сигнала осуществляется с помощью эква - лайзера.

Спецификации GSM предусматривают, что эквалайзер должен обеспечивать выравни -

вание импульсных сигналов со среднеквадратическими отклонениями времени задержки до 16 мкс. Работа эквалайзера основана на использовании алгоритма Витерби. В формате передаваемого сигнала предусматривается наличие стандартной кодовой комбинации. На приемном конце принятая кодовая комбинация сравнивается с эталонной, и по результа - там сравнения вырабатывается модель канала. После создания модели принятый сигнал корректируется, при этом маловероятные комбинации за счет использования алгоритма Витерби не учитываются для сокращения вычислений. Т. о., для устранения помех, вызы - ваемых временной дисперсией, необходима передача дополнительной информации, обес - печивающей функционирование эквалайзера.

Очевидным недостатком данного алгоритма является введение избыточной информа - ции в общий поток информации. Кроме того, возникает необходимость в дополнительных вычислительных мощностях на приемной стороне. Вместе с тем производительность со - временного телекоммуникационного оборудования и ширина каналов связи заранее пре - дусматривает проведение этих процедур и не мешает нормальному процессу обмена ин - формацией. Также адаптивная коррекция обладает еще одним недостатком: используемый

канал оценивается только во время передачи тестовой последовательности и может дать лишь примерную информацию о канале связи в остальное время. Но, как показывает практика, даже выборочное тестирование канала дает достаточно полную картину о его состоянии в целом. Поэтому данный метод борьбы с помехами широко применяется не только в стандарте GSM, но и в последующих стандартах сотовой связи.

Дата добавления: 2014-01-15