C=(D/R)2/3

Кроме того, шестиугольная форма ячеек обеспечивает наилучшую аппроксимацию круговой зоны в системе с ограниченной мощностью передатчика MS и возможностью систематизировать распределение частотных каналов.

Рассмотренная схема двухмерного покрытия территории несколько отличается от схемы линейного расположения ячеек одной длиной цепью. Линейное расположение представляет наибольшей интерес при построении систем радиального направления, например, вдоль автомагистралей. При этом минимально необходимое число частотных каналов определяется как С = D/2R.

Опыт эксплуатации и расчеты показывают, что уменьшение R и отношения D/R в ССПС позволяют достичь высокой пропускной способности и частотной эффективности. Однако, чрезмерное уменьшение радиуса ячейки вызывает резкое увеличение числа пересечений условных границ ячеек при передвижении абонентов. В связи с этим возрастает поток данных, требующих обработки, что может привести к перегрузке подсистем управления и коммутации и, как следствие, отказу системы. Кроме того, при малых значениях R могут иметь место отклонения от точного расположения антенны BTS в условиях реальной местности. Расчеты показывают, что при R = 1,6 км смещение антенны BTS на четверть радиуса относительно геометрического центра приведет к снижению отношения сигнал/помеха на входе приемника BTS на 10 %.

Величина D/R определяется заданным уровнем взаимных помех, при малых значениях D/R требуется принимать специальные меры, направленные на сохранение высокой помехоустойчивости приема.

Одним из методов повышения помехоустойчивого приема является использование направленных антенн. Например, в системе AMPS (США) применение трех - 120°-антенн, вместо ненаправленных (рис. 27) при заданном отношении сигнал/помеха на входе приемника позволяет снизить частотный параметр до значения С = 7 (против С = 12, для ненаправленных антенн).

Одним из способов распределения каналов является метод сдвоенной структуры. Согласно наиболее простому правилу этого метода, BTS выделяется набор каналов, имеющих номера: k, k + l, k+1С, где k - номер BTS в группе станций, использующих разные наборы, т.е. k = 1,2 ... С. Например, при 1 = 7 в ячейках, обозначенных цифрой 3, используются каналы 3,10,17,24 ... и т.д.

В системе с направленными антеннами подавление межсимвольных помех будет еще более эффективным за счет соответствующей пространственной ориентации антенны смежных каналов.

 

 

Рис.27 Антенны в системе AMPS

 

Другие методы подобного частотного планирования (фиксированного), дают примерно тот же результат по обеспечению уровня межсимвольных помех.

Помимо фиксированного метода распределения частотных каналов, известен динамический способ распределения, основное значение которого - повышать эффективность использования каналов и снизить вероятность блокировки вызова, когда каналы данной ячейки все заняты. При этом тем BTS, на которых все каналы заняты, на время сеанса связи предоставляются каналы из соседних ячеек.

Можно так же использовать гибридные методы распределения каналов. В таких системах каждой BTS выделяется фиксированный набор каналов, а так же некоторое число динамически распределенных каналов. При этом построении вероятность блокировки вызова зависит как от имеющейся нагрузки на канал, так и от выбранного соотношения между числом фиксированных и динамических каналов.

Важным достоинством динамического и гибридного распределения является то, что они позволяют осуществить выравнивание ТЛФ нагрузки на один канал, если ее плотность не постоянна. При фиксированном распределении это достигается уменьшением радиуса ячейки, а так же путем увеличения числа каналов на BTS в местах с высоким трафиком. По такому принципу осуществляется первоначальный запуск системы, т.е. сначала вводится несколько BTS с крупными ячейками, а затем путем постепенного дробления сотовой решетки система входит в режим максимальной пропускной способности.

При проектировании ССПС важное значение имеет не только изучение вопросов частотного планирования и распределения каналов, но и исследование распространения УКВ в городских и пригородных зонах. Проведенные многочисленные экспериментальные исследования распространения УКВ в условиях городской и сельской местности, где возможны многократные отражения (многолучевость), показали, что затухание радиоволн существенным образом зависит лишь от высоты h антенны BTS и уменьшается с увеличением последней. Кроме того, мощность сигнала в зависимости от расстояния между антеннами изменяется примерно одинаково.

ССПС присущи также внутрисистемные помехи, обусловленные, с одной стороны, взаимными помехами ячеек с совмещенными каналами, а с другой - наличием межканальных помех. Уровень взаимных помех определяется выбранными параметрами сети С и D, которые при заданной пропускной способности и выделенной полосе частот позволяют определить число мешающих станций. Если общее число BTS не велико, т.е. L не существенно превышает величину С, то в системе может быть всего одна или несколько мешающих станций.

Существуют различные методики расчета внутрисистемных взаимных помех. Результаты расчетов по ним приблизительно одинаковы. Анализ таких расчетов показывает, что для увеличения помехоустойчивости и более эффективного использования спектра целесообразно устанавливать на BTS направленные 120° -антенны. В этом случае каждая BTS имеет трехсекторную антенну, которая располагается в одном из углов шестиугольной ячейки, таким образом, охватывает одновременно три ячейки. Так как на каждую ячейку приходится три сектра от трех BTS, то общее число BTS равно числу ячеек системы. Для худшего случая, когда MS расположена в одном из углов шестиугольной ячейки, при С = 1, отношение сигнал/помеха на входе приемника возрастает до величины 1,7 дБ. В общем случае показывается, что направленное излучение является эффективной мерой снижения уровня взаимных помех в ССПС.

 

Стандарты сотовых систем подвижной радиосвязи

 

Наиболее известными являются девять основных стандартов аналоговых ССПС первого поколения (1G). В РУз из них эксплуатировались NMT - 450 и AMPS.

Аналоговый стандарт NMT - 450 на сотовые системы подвижной радиосвязи, разработан совместно Администрациями связи Дании, Финляндии, Норвегии и Швеции, для организации автоматической системы подвижной телефонной связи общего пользования, и введен был в коммерческую эксплуатацию в 1981 году. Подвижные станции этого стандарта полностью совместимы со всеми базовыми станциями системы, независимо от страны и поэтому могут работать в любой из стран входящих в систему.

Система сотовой подвижной связи стандарта AMPS была впервые введена в эксплуатацию в США в 1979 году. В системе применяются базовые станции с антеннами, имеющими ширину диаграммы направленности 120°, которые устанавливаются в углах ячеек. К центрам коммутации базовые станции подключены с помощью проводных линий, по которым передаются речевые сигналы и служебная информация. Однако, аналоговые ССПС уже не удовлетворяют современному уровню развития информационных технологий из-за многочисленных недостатков, главные из которых -"несовместимость стандартов", ограниченная зона действия, низкое качество связи, отсутствие засекречивания сообщений и взаимодействия с цифровыми сетями интеграций служб ЦСИО (ISDN) и пакетной передачи данных (PDN).

В последние годы из-за ограниченных возможностей аналоговых стандартов во всем мире наблюдается снижение роста числа пользователей. В 80-х годах в развитых странах приступили к интенсивному изучению принципов построения перспективных цифровых ССПС и сегодня уже разработаны три стандарта таких систем с макросотовой топологией сетей и радиусом сот до 35 км (таб.4):

- GSM – общеевропейский стандарт;

-ADS (D-AMPS) – американский стандарт;

-JDS – японский стандарт.

 

Таб.4 Стандарты систем с макросотовой топологией сетей

GSM - первый в мире стандарт на цифровые ССПС, который предусматривает их создание в диапазоне 900 МГц и является основой стандарта ССПС DCS - 1800 (диапазон 1800 МГц) с микросотовой структурой, принятого в настоящее время в Европе. Стандарт GSM реализуется в настоящее время и в Северной Америке в диапазоне 1900 МГц (PCS - 1900).

Указанные выше стандарты на цифровые ССПС отличаются своими характеристиками, однако построены они на единых принципах и концепциях и отвечают требованиям современных информационных технологий. Разработанные в GSM системные и технические решения могут использоваться для всех перспективных цифровых ССПС. В первую очередь, к таким решениям относятся:

- построение сетей GSM на принципах интеллектуальных сетей;

- распространение моделей открытых систем ССПС;

- внедрение новых, более эффективных, моделей повторного использования частот;

- применение многостанционного доступа с временным разделением каналов - МДВР (TDMA);

- временное разделение режимов приема и передачи пакетированных сообщений;

- использование эффективных методов борьбы с замиранием сигналов, основанных на частотном разнесение, путем применения режима передачи с медленными скачками

по частоте (SFH) и тестирования канала связи с помощью псевдослучайной последовательности;

- применение блочного и сверточного кодирования в сочетании с прямоугольным и диагональным перемежением;

- программное формирование логических каналов связи и управления;

- использование спектрально - эффективного вида модуляции (GMSK);

- разработка высококачественных низкоскоростных речевых каналов;

- шифрование передаваемых сообщений и закрытие данных пользователей.

 

Особенности построении цифровых ССПС

 

Цифровые ССПС позволяют применять при организации сотовых сетей новые более эффективные модели повторного использования частот, чем в аналоговых сетях. В результате без увеличения общей полосы частот системы связи, значительно возрастает число каналов на соту. В первую очередь сказанное относится к стандарту GSM. Вид модуляции, способы кодирования и формирования сигналов в каналах связи, принятое в GSM, обеспечивают прием сигналов с отношением сигнал /помеха 9 дБ, в то время как в аналоговых системах показатель равен 17 - 18 дБ. Поэтому передатчики базовых станций (BTS), работающие на совпадающих частотах могут размещаться в более близко расположенных сотах без потери качеств приема. Первыми моделями повторного использования частот, которые применялись в аналоговых ССПС, были модели с круговыми диаграммами направленности (DH) антенн базовых станций. В сетях цифровых ССПС для сот с круговой DH антенн, применяют модель повторного использования частот, включающую 7 или 9 сот. Модель повторного использования частот для 7 сот приведена на рис. 28.

В этой модели предполагается применение антенн с круговой DH, что соответствует излучению сигнала BTS во все направления одинаковой мощности. В свою очередь для абонентских станций, это эквивалентно приему помех со всех направлений. Для снижения помех по совпадающим частотным каналам используют секторные антенны. В секторе направленной антенны сигнал излучается в одну сторону, а уровень излучения в противоположном направлении сокращается до минимума. Секторизация сот позволяет чаще повторять частоты в сотах при одновременном снижении уровня помех.

 

 

Рис.28 Модель повторного использования частот для 7 сот

Общеизвестная модель повторного использования частот в секторизированных сотах включает три соты и три BTS. При этом используется три 120 градусные антенны на BTS с формированием девяти групп частот, рис.29.

 

Рис.29 Модель повторного использования частот в секторизированных сотах.

 

Самую высокую эффективность использования полосы частот, то есть наибольшее число абонентов сети в выделенной полосе, обеспечивает разработанная фирмой Motorola (США) модель повторного использования частот, включающая две BTS. Согласно схеме распределения каналов, каждая частота используется дважды в пределах модели, состоящей из четырех BTS. Благодаря этому каждая из четырех BTS в пределах действия шести 60 - градусных антенн может работать на 12 - ти группах частот (рис. 30).

 

Рис.30 Модель повторного использования частот, включающая две BTS

 

Например, в сети GSM с общей полосой 7,2 МГц (36 частот), модель повторного использования частот с двумя BTS позволяет на одной BTS одновременно работать на 18 частотах (в модели с тремя BTS таких частот 12). Емкость сети возрастает на 50%, однако для обеспечения прежнего значения вероятность блокировки канала связи необходимо снижение этого показателя до 40%.

Существующая структура сот и схемы повторного использования частот разрабатывались при условии, что местоположение подвижного абонента заранее и непредсказуемо. В настоящее время развивается новое направление в подвижной связи, основанное на использование интеллектуальных антенных систем, автоматически перестраивающих свои диаграммы направленности на источник излучения сигнала по командам сигнальных процессоров.

В настоящее время развивается два способа построения интеллектуальных антенных систем, основанных на коммутировании лучей и адаптации диаграммы направленности. Оба способа основаны на увеличение коэффициента усиления антенны в направлении на абонентскую станцию, причем только адаптивные антенны обеспечивают максимальный коэффициент усиления и минимальный уровень канальных помех.

Интеллектуальная антенная система состоит из нескольких антенн, объединенных электронной схемой с фазовыми и амплитудными анализаторами. В результате анализа принимаемых сигналов, поступающие на различные элементы антенны, вычисляется направление оптимального приема. Сигнальный процессор в реальном масштабе времени формирует суммарную диаграмму направленности антенны на источник излучения с учетом частоты принимаемого сигнала и некоторых других параметров.

Практическая реализация интеллектуальных антенн систем представляется весьма перспективной для сотовой связи независимо от стандарта GSM, DECT и т.д. Их применение на практике не будет требовать уменьшать размеры сот при возрастании нагрузки. Увеличение емкости сети сотовой связи может в этом случае обеспечиваться внедрением новых аппаратных средств и соответствующего программного обеспечения. Одним из таких способов является переход к микросотовой структуре сетей.

Принятие цифровых стандартов (GSM, DECT и т.д.) позволяет перейти от макросотовой к микросотовой структуре сетей. При радиусе несколько сотен метров их емкость может быть увеличена в 5 -10 раз по сравнению с макросотами. Кроме того, возможно применение абонентских радиостанций существующих стандартов цифровых ССПС наряду с портативными радиостанциями, служащими основой для создания систем персональной связи (PCS).

Микросотовая структура ССПС органически сочетается с макросотами. Микросоты строятся на основе BTS небольшой мощности, обслуживающих участки улиц, помещения в зданиях (магазины, аэропорты, вокзалы и т.д.). Микросотовая структура может рассматриваться как развитие оборудования макросотовой базовой станции, с управлением единым контролером и с взаимным соединением при помощи линий со скоростью 64 кбит/с. Микросоты берут на себя нагрузку от медленно перемещающихся абонентов, например, пешеходов и неподвижных автомобилей.

Принципы построения создаваемых микросотовых сетей подвижной связи отличается от существующих для макросотовых сетей. Отличия относятся к отсутствию частотного планирования и "Эстафетная передача" (handover), в обычном понимании.

Частотное планирование в микросотах практически невозможно применять, так как трудно спрогнозировать условия распространения радиоволн и дать оценку уровня сотовых помех. Кроме того, эффективность использования спектра частот, при фиксированном распределение каналов, низка. Поэтому в микросотовых сетях связи используется автоматическое адаптивное распределение каналов (АРК) связи. Такое распределение, например, реализовано в Европейском стандарте DECT на цифровые системы беспроводных телефонов общего пользования. Одним из важных достоинств АРК является увеличение емкости сети связи, т.к. в этом случае отсутствуют потери эффективности использования соединительных линий, а возможность повторного задействования канала зависит от среднего уровня помех, а не от максимального.

С уменьшением размеров сот, в микросотовых сетях в процессе обычного телефонного соединения число переключений между BTS возрастает, и для обеспечения непрерывности связи необходимо новые быстродействующие алгоритмы переключения (handover). Цифровые ССПС применяют алгоритмы принудительного переключения, являющиеся классом распределенных алгоритмов, работающих значительно быстрее, чем централизованные алгоритмы аналоговых ССПС. В микросотовой структуре измерение уровня радиоканала, необходимый для переключений, осуществляет мобильная станция, которая передает результаты измерений на BTS. Центр коммутации мобильной связи не задействуется до тех пор, пока не будет выполнено фактическое переключение. Микросотовая структура сети впервые была реализована в системах беспроводных телефонов (Cordless telephones) общего пользования. В настоящее время она используется при реализации сетей в рамках концепции персональной связи (PCN), создаваемые в Европе на основе стандартов DCS - 1800, предусматривающим соответствие радиоинтерфейса стандарта GSM. При реализации персональной связи в структуру сетей вводятся пикосоты с радиусом 10 - 60 м, предназначенные для обслуживания абонентов в городских районах с большой плотностью населения и в закрытых зонах (офисы, жилые помещения, подземные гаражи и т.д.). Пикосота, это еще один значительный вклад в повышении емкости ССПС.

 

Контрольные вопросы

 

1. Перечислите наиболее известные аналоговые и цифровые стандарты ССПС.

2.Как осуществляется частотное распределение в ССПС?.

3.Как обеспечивается повышение помехоустойчивости приема сигнала в ССПС?

4.Приведите основные характеристики стандартов систем с макросотовой и

микросотовой топологией сетей.

5.Что понимается под интеллектуальными антенными системами в ССПС?

Лекция 7

Цифровые ССПС стандарта GSM

Функциональная схема и состав оборудования стандарта GSM