Сотовые системы связи

Сотовые системы связи

Сотовая системы связи

Введение

В настоящее время во многих капиталистических станах, а

также в ряде развивающихся стран ведется интенсивное внедрение

сотовых сетей связи (ССС) общего пользования. Такие сети

предназначены для обеспечения подвижных и стационарных объектов

телефонной связью и передачей данных. В ССС подвижными объектами

являются либо наземные транспортные средства, либо

непосредственно человек, находящийся в движении и имеющий

портативную абонентскую станцию (подвижный абонент). Возможность

передачи данных подвижному абоненту резко расширяет его

возможности, поскольку кроме телефонных сообщений он может

принимать телексные и факсимильные сообщения, различного рода

графическую информацию (планы местности, графики движения и

т.п.), медицинскую информацию и многое другое. Особое значение

ССС приобретают в связи с активным внедрением во все сферы

человеческой деятельности персональных компьютеров,

разнообразных баз данных, сетей ЭВМ. Доступ к ним через ССС

позволит подвижному абоненту оперативно и надежно получить

необходимую информацию. Соответственно возрастет и роль систем

связи, повысятся требования к качеству передачи информации,

пропускной способности, надежности работы.

Увеличение объема информации потребует сокращения времени

доставки и получения абонентом необходимой информации. Именно

поэтому уже сейчас наблюдается устойчивый рост мобильных средств

радиосвязи (автомобильных и портативных радиотелефонов), которые

дают возможность сотруднику той или иной службы вне рабочего

места оперативно решать производственные вопросы. Радиотелефон

перестал быть символом престижа и стал рабочим инструментом,

который позволяет более эффективно использовать рабочее время,

оперативно управлять производством и постоянно контролировать

ход технологических процессов, что обеспечивает дополнительные

доходы при использовании радиотелефона в производстве.

Внедрение ССС во многие отрасли народного хозяйства

позволит резко повысить производительность труда на подвижных

объектах, добиться экономии материально-трудовых ресурсов,

обеспечить автоматизированный контроль технологических

процессов, создать надежную систему управления транспортными

средствами или мобильными роботами, распределенными на большой

территории и входящими в состав гибких автоматизированных систем

управления.

Использование системы радиосвязи с подвижными объектами

можно разделить на следующие классы:

ведомственные (или частные) системы подвижной связи (ВСПС);

сотовые системы подвижной связи (ССПС);

системы персонального радиовызова (СПРВ).

Исторически впервые в эксплуатации появились ВСПС, так как

в условиях ограничений на использование радиосвязи возможность

ее применения для связи с подвижными абонентами предоставлялась

государственным, ведомственным или крупным частным организациям

(полиция, пожарная охрана, такси и т. п.). Для вызова

подвижного абонента (внутри ограниченной зоны обслуживания)

стали использоваться СПРВ. Появившиеся совсем недавно ССПС

являются принципиально новым видом систем связи, так как они

построены в соответствии с сотовым принципом распределения

частот по территории обслуживания (территориально-частотное

планирование) и предназначены для обеспечения радиосвязью

большого числа подвижных абонентов с выходом на телефонную сеть

общего пользования (ТФОП). Если ВСПС создавались (и создаются)

в интересах узкого круга абонентов, то ССПС за рубежом стали

использоваться в интересах широких кругов населения.

Свое название ССС получили в соответствии с сотовым

принципом организации связи, согласно которому зона обслуживания

(территория города или региона) делится на большое число малых

рабочих зон или сот в виде шестиугольников. В центре каждой

рабочей зоны расположена базовая станция (БС), осуществляющая

связь по радиоканалам с многими абонентскими станциями (АС),

установленными на подвижных объектах, находящихся в ее рабочей

зоне. Базовые станции соединены проводными телефонными линиями

связи с центральной станцией (ЦС) данного региона, которая

обеспечивает соединение подвижных абонентов с любыми абонентами

телефонной сети общего пользования (ТФОП) с помощью

коммутационных устройств. При перемещении подвижного абонента из

одной зоны в другую производится автоматическое переключение

канала радиосвязи на новую базовую станцию, тем самым

осуществляется эстафетная передача подвижного абонента от

передающей к последующей (соседней) базовой станции. Управление

и контроль за работой базовых и абонентских станций

осуществляется ЦС, в памяти ЭВМ которой сосредоточены как

статические, так и динамические данные о подвижных объектах и

состоянии сети в целом.

В отличие от централизованных в сотовых сетях подвижной

связи радиосвязь базовой станции с абонентской станцией

осуществляется в пределах малой рабочей зоны, что позволяет

многократно использовать одни и те же частоты в зоне

обслуживания. Число абонентов в ССС определяется пропускной

способностью и числом БС, равным числу рабочих зон, которое

возрастает по квадратическому закону с уменьшением радиуса

рабочей зоны R при постоянном радиусе зоны обслуживания R0. Если

десять лет назад радиус рабочей зоны в ССС был равен 5-15 км, то

в настоящее время он равен 200 м. Так уменьшение радиуса рабочей

зоны с 30 до 0,5 км позволит увеличить в 3600 раз число

подвижных абонентов, оснащенных радиосвязью и имеющих

возможность выхода на ТФОП. Следовательно, эффективность

использования спектра радиочастот в ССС во много раз выше, чем в

централизованных системах подвижной связи, что позволит в

перспективе обеспечить управление большим числом наземных

подвижных объектов.

С уменьшением радиуса рабочей зоны появляется возможность

уменьшить мощность передатчиков и чувствительность приемников,

что значительно улучшит электромагнитную совместимость (ЭМС)

абонентов в ССС и ЭМС между ССС и другими системами,

использующими определенные спектры радиочастот, а также позволит

снизить стоимость и габаритные размеры абонентской станции,

обеспечить доступ к базам данных и ЭВМ.

Отмеченные преимущества позволяют уже в настоящее время

повысить оперативность управления и контроля в работе

подведомственных предприятий и организаций, улучшить качество

технологических процессов в системах с большим числом

транспортных средств.

Стремительный рост объемов передаваемой информации требует

значительного сокращения времени доставки и обработки абонентом

необходимой информации. Это одна из причин быстрого роста

мобильных средств связи на базе ССС.

Внедрение ССС означает появление принципиально нового вида

связи - массовой радиотелесвязи, т.е. нового вида услуг. Уже

сейчас абонентский терминал ССС - сотовый радиотелефон (СРТ) -

признается многими зарубежными экспертами первичным терминалом,

которым абонент пользуется как в стационарном состоянии (дома,

на службе), так и в движении. Широкое внедрение портативных СРТ

в перспективе позволит обеспечить каждого человека персональным

телефоном со своим индивидуальным номером.

Создание систем массовой радиотелесвязи с большим числом

подвижных абонентов, большой пропускной способностью и высоким

качеством приема сообщений возможно только при использовании

сотового принципа построения системы связи. Этим и объясняется

повышенный интерес к ССПС.

Действующие в настоящее время зарубежные ССС по сравнению с

централизованными сетями имеют следующие преимущества:

- большое число абонентов;

- высокое качество передачи телефонных сообщений и данных;

- возможность связи с ЭВМ и базами данных;

- высокая эффективность использования спектра радиочастот и

лучшая электромагнитная совместимость с другими

радиотехническими системами.

Использование ССС широким кругом потребителей в отраслях

транспорта, связи, энергетики, строительства, сферы

обслуживания, ремонта и др. приносит существенный экономический

эффект. По оценкам экспертов США ежегодные доходы от внедрения и

эксплуатации ССС в США достигают 2 млрд. дол.

Зарубежные эксперты отмечают возможность создания ССС без

значительных начальных капитальных затрат. Сначала ССС создаются

с крупными рабочими зонами (радиус зон порядка 10 км) и

относительно небольшим числом абонентов. По мере поступления

доходов и роста числа заявок на СРТ размеры зон уменьшаются и

увеличивается число абонентов. При этом постоянно наращивается

объем типового оборудования базовых станций, АТС и центральной

станции за счет доходов от использования ССС действующими

абонентами. Поэтому первоначальные капитальные затраты могут

быть значительно меньше полных затрат, приходящихся на

максимальное число абонентов.

Раздел I. Общие сведения о системах радиосвязи с

подвижными объектами (ПО).

1.1. Классификация.

По назначению системы связи с ПО могут быть разделены на:

- ведомственные (специализированные) радиотелефонные системы;

- радиотелефонные системы общего пользования.

Созданные первыми, ведомственные системы применяются в

промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте и в

строительстве, такси, скорой помощи, а также в различных

аварийных службах. Эти системы предназначены для оперативного

управления процессами производственной деятельности. Различают

диспетчерские радиотелефонные системы, используемые для связи

руководителя работ с абонентами ПО, а также для связи абонентов

между собой и с радиосистемами передачи данных. Последние

находят применение в автоматизированных системах управления

производством, технологическими процессами и в таких системах, в

которых от подвижного абонента (ПА) или к нему необходимо

передавать с высокой скоростью большой объем информации.

Однако в силу разобщенности ведомственных сетей,

неэффективного использования ими спектра частот, ограниченности

количества обслуживаемых подвижных абонентов, сложности

унификации аппаратуры связи и управления, а также ряда других

причин применение ведомственных систем носит ограниченный

характер.

Однако ведомственные системы радиосвязи с подвижными

объектами несмотря на отмеченные недостатки могут

просуществовать еще длительное время, что объясняется их

практичностью и ориентацией на те условия и специфику работ, для

которых они создавались и отрабатывались. Таким образом,

становится актуальной задача преобразования и модификации этих

систем в целях их объединения в единую сеть подвижной радиосвязи

согласно концепции построения сети радиосвязи с подвижными

объектами общего пользования.

Одним из вариантов решения такой задачи может быть способ

организации единого автоматизированного управления

ведомственными и другими локальными системами радиоподвижной

связи, объединяемыми в сеть радиосвязи с подвижными объектами

общего пользования.

Радиотелефонные системы общего пользования в настоящее

время составляют основной вид связи с ПО. Они позволяют наиболее

полно и эффективно использовать выделенный частотный спектр и,

объединяя своих потребителей в одну группу, дают им возможность

общего доступа к системе связи независимо от ведомственной

принадлежности (по принципу городской телефонной сети).

Указанное преимущество систем обеспечивает широкий комплекс

услуг: автоматическое соединение абонентов между собой и с

абонентами городской телефонной сети, а также других городов и

государств с использованием междугородных и международных линий,

передачу речи и данных, а в ближайшем будущем телексных и

факсимильных сообщений, цветных графических изображений,

информации из банков данных и т.п.

Радиотелефонные системы общего пользования делятся на два

вида:

- системы с большими зонами обслуживания (БЗО - радиальные

системы);

- системы с малыми зонами обслуживания (МЗО - сотовые

системы связи).

Системы с большой зоной обслуживания основаны на

использовании одной центральной радиостанции, обслуживающей зону

большого радиуса (от 50 до 100 км). Мощность передатчика этой

станции выбирается в зависимости от заданной напряженности поля

на границах обслуживаемой территории и заключена в пределах от

100 до 250 Вт, а антенна располагается в наиболее высокой точке

зоны обслуживания. Широкому внедрению таких систем препятствует

ряд присущих им недостатков, прежде всего невозможность

существенного увеличения количества обслуживаемых абонентов.

Также, для систем БЗО необходимо:

- исключать влияние мощных передатчиков на приемники

центральных станций, так как на центральных станциях

(УКВ-диапазон) они используются совместно;

- исключать влияние мощных передатчиков центральных станций

соседних зон на работу центральной станции данной зоны;

- контролировать качество связи внутри каждой зоны для

подвижных абонентов, находящихся на различных удалениях от

центральной станции данной зоны;

- тщательно планировать частотную обстановку в выделенном

диапазоне;

- обеспечивать равнодоступность каналов связи со стороны

подвижных объектов.

Тем более, увеличение числа каналов на ограниченной

территории обслуживания вызывает необходимость соответствующего

увеличения числа центральных станций (ЦС), работающих с

достаточно большой мощностью. Это обстоятельство при наличии

круговой диаграммы направленности антенны ЦС приводит к

возможности возникновения взаимных помех для большинства

радиостанций ПА, находящихся в зоне обслуживания. Кроме того,

значительному увеличению числа каналов препятствует

ограниченность выделяемого спектра радиочастот и невозможность

повторного использования каналов в близлежащих районах из-за

большой мощности передатчика.

Другие недостатки связаны с многолучевостью распространения

радиоволн при работе в городских условиях с плотной застройкой и

наличием радиозатененных зон, что может вызвать значительные

искажения сигналов и даже их пропадание на дальностях, близких к

предельным. Отметим также возможность возникновения

интермодуляционных помех из-за достаточно плотного расположения

каналов.

В связи с перечисленными причинами возникла необходимость

интенсивных поисков и исследований в области разработки систем с

большой эффективностью использования выделенного спектра и

высокой пропускной способностью, которые были бы в состоянии

обслуживать большое количество абонентов. Эти исследования

начались на рубеже 60-70-х годов и привели к созданию

территориальных систем с малыми зонами обслуживания, получивших

название сотовых систем радиосвязи с подвижными объектами.

Сотовые системы подвижной радиосвязи имеют принципиально

новую структуру, основанную на сотовом построении и

распределении частот,согласно которому зона обслуживания делится

на большое число ячеек ("сот"), каждая из которых обслуживается

отдельной радиостанцией небольшой мощности, находящейся в центре

ячейки (рис. 1). Небольшая мощность передатчиков в системах МЗО

и, соответственно, небольшой радиус их действия, допускает

организацию повторения частот приема-передачи через 1 - 2 зоны.

Это позволяет реализовать основное достоинство сотовой системы -

обеспечение высококачественной радиосвязью большого количества

ПА в условиях ограниченного частотного диапазона.

К достоинствам систем МЗО также относятся:

- применение сравнительно маломощных передатчиков в базовых

станциях и, как следствие этого, экономия радиоспектра за счет

динамического распределения частот выделенного диапазона между

зонами обеспечения связи;

- возможность гибкого эволюционного развития системы МЗО

(за счет, например, увеличения или уменьшения числа зон

обслуживания);

К недостаткам систем МЗО относятся:

- увеличение стоимости систем в целом за счет использования

большого числа стационарных базовых станций;

- необходимость применения аппаратуры непрерывного слежения

за подвижными абонентами, т.к. распределение каналов связи

меняется от зоны к зоне и поэтому возможны перерывы связи при

пересечении подвижными абонентами границ сопряженных зон.

По принципам реализации управления СРПО подразделяются на

следующие группы:

СРПО с ручным управлением, в которых реализуется ручная

коммутация радиоканалов как между подвижными объектами, так и

между подвижными и стационарными абонентами, ручная коррекция и

визуальный контроль оператором режимов работ как абонентских

радиопередающих станций (АРС), так и аппаратуры центральных

(базовых) станций и т.д.;

СРПО с автоматизированным управлением, в которых только

часть операций выполняются человеком, а большая часть операций

по обслуживанию подвижных объектов - посредством управляющих

вычислительных средств (УВС) согласно заданным алгоритмам

работы;

СРПО с автоматическим управлением, в которых все основные

операции установления связи и контроля за работой системы

реализуются за счет организации систем автоматического

управления - без участия человека-оператора.

В последнее время наибольшее распространение получили СРПО,

имеющие:

- сотовую или квазисотовую структуры;

- автоматизированное или автоматическое управление;

- возможность входа в сеть общего пользования или

сопряжения с другой СРПО;

- возможность передачи цифровых сигналов управления и

прямого и обратного преобразования информации (в том числе и

речи) в цифровую форму и обратно.

Внедрение в ССПР цифровых методов обработки информации в

самом ближайшем будущем позволит получить абонентам целый ряд

дополнительных услуг: доступ к международным базам данных,

факсимильная связь, определение местоположения ПА с большой

точностью, получение медицинских данных и т.д. Как уже

отмечалось выше, ССПР характеризуются высокой эффективностью

использования спектра. Наконец, они могут найти применение в

качестве временного средства для полной или частичной замены в

короткие сроки проводной телефонной связи в новых районах

застройки и обеспечения связью абонентов, проживающих или

временно находящихся в труднодоступных районах.

Интенсивное использование ССПР за рубежом началось в начале

80-х годов. К 1985 г. ССПР наиболее широко эксплуатировалась в

США, Японии, Скандинавских странах. В настоящее время

осуществляется их внедрение в ФРГ, Великобритании, Франции и

ряде других стран.

1.2. Принципы построения сотовых систем.

Разделить обслуживаемую территорию на микрозоны можно двумя

способами: статистическим, основанным на измерении

статистических параметров распространения сигналов в системах

связи, или детерминированным, основанным на измерении или

расчете параметров распространения сигнала для конкретного

района.

При статистическом способе вся обслуживаемая территория

разделяется на одинаковые по форме зоны и с помощью

статистических законов распространения радиоволн определяются их

допустимые размеры и расстояния до других зон, в приделах

которых выполняются условия допустимого взаимного влияния.

Чтобы оптимально разделить территорию на микрозоны, т. е.

без перекрытия или пропусков участков, могут быть использованы

только три геометрические фигуры - треугольник, квадрат и

шестиугольник (рис. 2). Наиболее подходящей фигурой является

шестиугольник, так как если антенну устанавливать в его центре,

то круговая форма диаграммы направленности будет покрывать почти

всю его площадь.

Радиостанции ПО (рис. 1), находящиеся в микрозонах, могут

связаться ЦРС, находящейся в центре этой зоны (БС). Все

микрозоны связаны соединительными линиями с главной

радиостанчией ССПР. В качестве соединительных линий могут

использоваться кабели, радиорелейные линии. Главная

радиостанция (ЦС) соединяется с телефонной сетью. Таким

образом, при связи абонента АТС с абонентом ПО сигнал вызова из

телефонной сети попадает на ГСПС, от нее по соединительным

линиям к одной из МЗЦС и затем по радиоканалу к абоненту ПО.

Передатчик МЗЦС имеет сравнительно небольшую мощность,

необходимую для связи с абонентами ПО в микрозоне, поэтому

уровень создаваемых им помех значительно ниже. Это дает

возможность использовать те же частоты и в других ячейках.

Расстояние до этих ячеек, в которых могут быть использованы одни

и теже рабочие частоты, зависят от условий распространения

радиоволн, допустимого уровня помех и числа радиостанций,

расположенных вокруг данной ячейки. Считается допустимым, чтобы

в сотовой шестиугольной структуре частоты повторялись через две

ячейки (рис. 3). Это означает, что, используя 7 рабочих

каналов, можно перекрыть всю зону обслуживания. Если

интенсивность нагрузки по всей зоне одинакова, то и размеры всех

ячеек выбирают одинаковыми. Обычно распределение абонентов ПО по

всей обслуживаемой территории неравномерно (уменьшается от

центра к периферии), поэтому целесообразно так изменять ячейки,

чтобы их размеры увеличивались к периферии. Это позволяет

уменьшить стоимость ССПР в целом за счет уменьшения необходимого

числа БС. Однако в этом случае мощности передатчиков центральных

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10