МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИЖЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

А.В. Абилов

СЕТИ СОТОВОЙ СВЯЗИ

Учебно-методическое пособие

по курсу «Сети связи»

Ижевск 2000

УДК 621.396.218 (07) А15

Р е ц е н з е н т – С.Л. Ермолаев, технический директор ЗАО «Сотовая связь Удмуртии»

Абилов А.В. А15 Сети сотовой связи: Учебно-методическое пособие по курсу

«Сети связи». – Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2000. – 20 с.: ил.

Материал содержит раздел курса «Сети связи», где рассматривается

история возникновения, общие принципы построения и перспективы раз-вития сетей сотовой связи.

Для студентов вузов, обучающихся по направлению «Телекоммуни-кации».

© Издательство ИжГТУ, 2000

2

© Абилов А.В., 2000

СОДЕРЖАНИЕ

1. Возникновение и развитие сетей сотовой связи ............................................. 4 2. Организация сети сотовой связи....................................................................... 7 3. Структура центра коммутации ......................................................................... 8 4. Структура базовой станции............................................................................. 10 5. Структура подвижной станции....................................................................... 11 6. Методы множественного доступа .................................................................. 12

6.1. Методы доступа с частотным и временным разделением ............. 12 6.2. Метод доступа с кодовым разделением ........................................... 14

7. Построение сетей связи макро- и микросотовой структуры ....................... 15 8. Методы увеличения емкости сети сотовой связи ......................................... 18 9. Перспективные сети сотовой связи ................................................................ 19

Список литературы .......................................................................................... 20

Сети сотовой связи 3

1. Возникновение и развитие сетей сотовой связи Первые радиотелефоны использовали обычные фиксированные каналы и если один

из них был занят, абонент вручную переключался на другой. С развитием техники ра-диотелефонные системы совершенствовались, уменьшались габариты устройств, осваи-вались новые частотные диапазоны, улучшалось коммутационное оборудование, в част-ности, появилась функция автоматического выбора свободного канала (trunking). Но все это не могло решить главной проблемы – ограниченности частотного ресурса при ог-ромной потребности в предоставлении услуг.

Выход был найден: обслуживаемую территорию разбили на небольшие участки, назы-ваемые сотами (cell). Каждая из ячеек обслуживается передатчиком с ограниченным ра-диусом действия и числом каналов. Это без помех позволяет повторно использовать те же самые частоты в другой ячейке, но удаленной на значительное расстояние. Теоретически их можно использовать в соседней ячейке. Но на практике зоны обслуживания сот могут перекрываться из-за различных факторов, например изменения условий распространения радиоволн. В результате появляются взаимные помехи. Поэтому в соседних ячейках ис-пользуются различные частоты.

За 20-летний период развития сформировались три поколения систем сотовой связи (ССС): • первое поколение – аналоговые системы; • второе поколение – цифровые системы сегодняшнего дня; • третье поколение – универсальные системы мобильной связи будущего.

В 1981 г. началась эксплуатация аналоговой ССС первого поколения стандарта NMT-450 (Nordic Mobile Telephone) диапазона 450 МГц. Этот стандарт создавался как единый стандарт сотовой связи для пяти северо-европейских стран – Исландии, Шве-ции, Финляндии, Норвегии и Дании. В дальнейшем сети на основе его модифицирован-ных версий стали использоваться во многих странах мира. Несколько позже, в 1985 г., на базе NMT-450 был разработан стандарт NMT диапазона 900 МГц – NMT-900, позволив-ший значительно увеличить емкость системы за счет использования большего частотно-го ресурса и расширить его функциональные возможности.

В 1983 г. в США была запущена сеть стандарта AMPS (Advanced Mobile Phone Service) в диапазоне 800 МГц. Этот стандарт широко используется в США, Канаде, Центральной и Южной Америке, Австралии и является среди аналоговых систем наиболее распространенным в мире.

В 1985 г. Великобритания приняла в качестве национального стандарт TACS (Total Access Communications System), разработанный на основе стандарта AMPS. Два года спустя в связи с резким увеличением числа абонентов была расширена рабочая поло-са частот и новая версия получила название ETACS (Enhanced TACS). Однако из-за более высоких качественных показателей наиболее широкое применение нашел аме-риканский стандарт AMPS.

Известны еще несколько стандартов, появившихся в середине 80-х гг.: • С-450 – используется в Германии и Португалии в диапазоне 450 МГц; • RTMS (Radio Telephone Mobile System) – используется в Италии в диапазоне

450 МГц; • Radiocom-2000 – используется во Франции в диапазонах 170, 200, 400 МГц; • NTT – используется в Японии в диапазоне 900 МГц.

4

Все названные выше стандарты являются аналоговыми ССС 1-го поколения и уже не всегда отвечают требованиям абонентов к качеству и номенклатуре услуг подвижной свя-зи. В них используется частотная модуляция для передачи речи и частотная манипуляция для передачи сигналов управления (сигнализации). Применяется метод множественного доступа с частотным разделением каналов (FDMA – Frequency Division Multiple Access). Аналоговый способ передачи информации с помощью частотной модуляции (ЧМ) имеет ряд существенных недостатков:

• относительно низкая емкость из-за недостаточно рационального использо-вания выделенной полосы частот при частотном разделении каналов;

• возможность прослушивания разговоров; • отсутствие эффективных методов борьбы с замираниями сигналов под

влиянием окружающего ландшафта и зданий. Использование различных стандартов сотовой связи мешало ее широкому при-

менению: иногда по одному и тому же телефону невозможно было разговаривать даже в пределах двух соседних стран. Увеличивать число абонентов можно было лишь двумя способами – расширением частотного ресурса (как, например, это было сделано в Великобритании) и переходом к рациональному частотному планирова-нию, позволяющему гораздо чаще использовать одни и те же частоты. К концу про-шлого десятилетия сотовая связь подошла к новому этапу своего развития – созда-нию систем второго поколения на основе цифровых методов обработки сигнала.

В 1982 г. Европейская конференция администрации почты и электросвязи (CEPT) – организации, объединяющей администрации связи 26 стран – создала специальную группу Group Special Mobile с целью разработки единого европейского стандарта циф-ровой сотовой связи для выделенного в этих целях диапазона 900 МГц. Ее аббревиату-ра GSM и дала название новому стандарту. Первые технические требования к GSM бы-ли опубликованы в 1990 г., а уже в 1992 г. в Германии система вступила в коммерче-скую эксплуатацию. Позже, в связи с широким распространением стандарта во всем мире, GSM стали расшифровывать как Global System for Mobile Communications.

В США аналоговый стандарт AMPS получил очень широкое распространение, по-этому прямая его замена полностью цифровым стандартом оказалась практически не-возможной. Выход был найден в разработке двухрежимной аналого-цифровой систе-мы, позволяющей совмещать работу аналоговой и цифровой систем в одном и том же диапазоне. Работа над соответствующим стандартом была начата в 1988 г., а в 1990 г. американская Промышленная Ассоциация в области связи TIA (Telecommunications Industry Association) утвердила стандарт IS-54 (IS – сокращение от Interim Standard, т.е. промежуточный стандарт) на цифровую систему сотовой связи, известный также как D-AMPS.

Стандарт D-AMPS дополнительно усовершенствовался за счет введения нового типа каналов управления, так как цифровая версия IS-54 сохранила структуру каналов управления аналогового стандарта AMPS, что ограничивало возможности системы. Новые, полностью цифровые каналы управления введены в версии IS-136, которая была разработана в 1994 г. и начала применяться в 1996 г. При этом была сохранена со-вместимость с AMPS и IS-54, но повышена емкость канала управления и заметно расши-рены функциональные возможности системы.

Стандарт GSM, продолжая совершенствоваться технически, нашел применение в новом частотном диапазоне 1800 МГц. Это направление известно под названием системы персональной связи. Для нее характерны более широкая рабочая полоса

Сети сотовой связи 5

частот и меньшие размеры ячеек (сот), что позволяет строить сотовые сети значи-тельно большей емкости. Соответствующий стандарт в виде дополнения к стандарту GSM-900 был разработан в Европе в 1991 г. и получил название DCS-1800 (Digital Cel-lular System). В коммерческую эксплуатацию система вступила в 1993 г., а в 1996 г. этот стандарт получил название GSM-1800.

В США диапазон 1800 МГц оказался занят, но была найдена возможность выделить полосу частот в диапазоне 1900 МГц. Работа в этом диапазоне предусмотрена стандар-том D-AMPS (версия IS-136). Разработана также версия стандарта GSM для этого диапа-зона («американский» вариант GSM-1900 – стандарт IS-661).

Япония разработала собственный цифровой стандарт сотовой связи JDC (Japan Digital Cellular), близкий по своим показателям к американскому стандарту D-AMPS. В 1991 г. он был утвержден Министерством почты и связи страны.

Перечисленные цифровые системы второго поколения основаны на методе мно-жественного доступа с временным разделением каналов (Time Division Multiple Ac-cess – TDMA). Однако в июле 1993 г. в США был разработан стандарт системы сото-вой связи на основе метода множественного доступа с кодовым разделением каналов (Code Division Multiple Access – CDMA). Одним из основных преимуществ этого стандарта является значительное увеличение емкости системы. Если емкость сотовой системы стандарта D-AMPS примерно в три раза выше по сравнению с аналоговым стандартом AMPS, то стандарт CDMA превосходит этот показатель в 10 раз.

TIA приняла CDMA как стандарт цифровой сотовой связи IS-95. В 1996 г. он начал применяться в Гонконге, США и Южной Корее, а в США начала использоваться вер-сия этого стандарта для диапазона 1900 МГц.

Работы над созданием системы мобильной связи третьего поколения еще ведутся, ее коммерческая эксплуатация планируется на 2002–2005 гг.

В настоящее время в России развиваются ССПС трех стандартов сотовой связи – NMT-450, GSМ и AMPS. два из которых - NMT-450 и GSM, приняты в качестве феде-ральных. Стандарт AMPS и его цифровой вариант D-AMPS ориентированы на регио-нальное использование.

Первая сеть сотовой связи была открыта в Москве в 1991 г. компанией «Москов-ская сотовая связь» («МСС») и использует оборудование аналогового стандарта NMT-450. Постоянно развивая состав услуг связи, «МСС» успешно функционирует на территории Москвы и Московской области и обеспечивает взаимодействие с опе-раторами сетей NMT-450 в других регионах.

В июне 1994 г. в Москве началась коммерческая эксплуатация ССС компании «Би-Лайн», использующей аналоговый стандарт США AMPS (800 МГц). В настоящее время «Би-Лайн» также предоставляет услуги цифровой сотовой связи в стандарте «D-AMPS».

С января 1996 г. в Москве и области началась коммерческая эксплуатация сети цифровой сотовой связи стандарта GSM (900 МГц). Оператором сети GSM в Москве является компания «Мобильные телесистемы» (МТС). В первые дни коммерческой эксплуатации «МТС» впервые в России открыла автоматический роуминг абонентов своей сети с абонентами ССС стандарта GSM в Германии, Швейцарии, Финляндии и Англии. Совместно с операторами сетей GSM в дру-гих регионах «МТС» организована работа по созданию федеральной сети GSM России и ее интеграции с глобальной сетью сотовой связи, охватывающей Евро-пу, Азию, Австралию и африканские страны.

6

2. Организация сети сотовой связи

Свое название сети сотовой связи получили в соответствии с сотовым принципом организации связи, согласно которому зона обслуживания (территория города или ре-гиона) делится на некоторое число ячеек или сот (рис. 1).

Центр коммутации подвижной

связи

ТФОП

Базовые станции

Рис. 1. Принцип организации сети сотовой связи

Ячейки обычно схематически изображают в виде правильных шестиугольников, ко-

торые имеют сходство с пчелиными сотами, это и послужило поводом назвать систему сотовой. Сотовая структура сети непосредственно связана с принципом повторного ис-пользования частот, согласно которому одни и те же частоты могут повторяться в ячей-ках, удаленных друг от друга на определенное расстояние. В центре каждой соты распо-ложена базовая станция (БС), которая в пределах своей ячейки обслуживает все под-вижные станции. При перемещении абонента из одной ячейки в другую происходит передача его обслуживания от одной БС к другой.

Коммутация каналов базовых станций осуществляется в центре коммутации (ЦК), который подключается к телефон-ной сети общего пользования (ТФОП) на правах оконечной или учрежденческо-производственной телефонной станции.

В действительности ячейки никогда не бывают строгой геометрической формы. Реальные границы ячеек имеют вид непра-вильных кривых, зависящих от условий распространения и затухания радиоволн, т.е. от рельефа местности обслуживаемой территории, плотности застройки и других факторов (рис. 2). Кроме того, в пределах

зоны уверенного приема часто имеют место области, в которых прием сигнала не воз-можен (теневые зоны). Соответственно положение базовой станции лишь приблизи-тельно совпадает с центром ячейки, который сложно определить однозначно. Если на БС используются направленные антенны, то БС фактически оказываются на границах ячеек.

Теневые зоны

Зона перекрытия

Рис. 2. Реальные границы сотовых ячеек

Сети сотовой связи 7

В цифровых системах сотовой связи (например GSM) используется понятие «система базовой станции» (СБС), в которую входит контроллер базовой станции (КБС) и не-сколько базовых приемопередающих станций (БППС), как показано на рис. 3.

Центр коммутации

Контроллер БС

Контроллер БС

Контроллер БС

БППС

БППС

БППС

СБС

Рис. 3. Система базовой станции (СБС)

Один контроллер может управлять несколькими БППС и выполняет следующие

функции: управляет распределением радиоканалов; контролирует соединения и регулиру-ет их очередность; обеспечивает режим работы с прыгающей частотой, модуляцию и де-модуляцию сигналов, кодирование и декодирование сообщений. Три БППС, которые под-ключаются к одному общему КБС, могут обслуживать каждая свой 120-градусный сектор, а шесть БППС с одним КБС – шесть 60-градусных секторов.

3. Структура центра коммутации

Центр коммутации является «мозговым» центром и одновременно диспетчерским пунк-

том системы сотовой связи. На нем замыкаются потоки информации со всех БС. Через ЦК осуществляется выход на другие сети связи – телефонную сеть общего пользования, спут-никовую сеть связи или на другие сотовые сети. В состав ЦК входит несколько процессоров (контроллеров) и он является типичным примером многопроцессорной системы.

Блок-схема ЦК сети цифровой сотовой связи представлена на рис. 4.

Центральный контроллер Коммутатор

Контроллеры связи

Контроллеры связи

Средства отображения и регистрации

Терминалы операторов

Центр аутентификации

Гостевой регистр

Домашний регистр

Регистр аппаратуры

К другим сетям связи

К базовым станциям

Рис. 4. Блок-схема центра коммутации

8

Коммутатор осуществляет переключение потоков информации между соответст-вующими линиями связи. В частности, он может направить поток информации от од-ной БС к другой или от БС к стационарной сети связи либо наоборот – от стационар-ной сети связи к требуемой БС.

Коммутатор подключается к линиям связи через соответствующие контроллеры связи, осуществляющие промежуточную обработку (упаковку/распаковку, буфер-ное хранение) потоков информации. Общее управление работой центра коммута-ции и системы в целом производится от центрального контроллера, который имеет мощное математическое обеспечение, включающее перепрограммируемую часть (software). Работа центра коммутации предполагает активное участие операторов, поэтому в состав центра входят соответствующие терминалы, а также средства отображения и регистрации (документирования) информации. В частности, опера-тором вводятся данные об абонентах и условиях их обслуживания, исходные дан-ные по режимам работы системы, в необходимых случаях оператор выдает тре-бующиеся по ходу работы команды.

Важным элементом системы является база данных, в которую входят: домашний регистр, гостевой регистр, центр аутентификации и регистр аппаратуры (последний имеется не во всех системах).

Домашний регистр (домашний регистр местоположения – Home Location Regis-ter, HLR) содержит сведения обо всех абонентах, зарегистрированных в данной сис-теме, и о видах услуг, которые могут быть им оказаны, так как при заключении до-говора на обслуживание для разных абонентов может быть предусмотрено оказание различных наборов услуг. Здесь же фиксируется местоположение абонента для ор-ганизации его вызова и регистрируются фактически оказанные услуги.

Гостевой регистр (гостевой регистр местоположения – Visitor Location Register, VLR) содержит примерно такие же сведения об абонентах-гостях, т.е. об абонентах, зарегистрированных в другой сети сотовой связи, но пользующихся в настоящее вре-мя услугами связи в данной сети того же стандарта.

Центр аутентификации (Authentication Center) обеспечивает процедуры аутен-тификации (проверки подлинности) абонентов и шифрования сообщений.

Регистр аппаратуры (регистр идентификации аппаратуры – Equipment Iden-tity Register) содержит сведения об эксплуатируемых подвижных станциях на предмет их исправности и санкционированного использования. В частности, в нем могут отмечаться украденные абонентские аппараты, а также аппараты, имеющие технические дефекты, например являющиеся источниками помех недо-пустимо высокого уровня. Как и в базовой станции, в центре коммутации преду-сматривается резервирование основных элементов аппаратуры, включая источник питания, процессоры и базы данных.

Базы данных часто не входят в состав центра коммутации, а реализуются в виде отдельных элементов. Кроме того, устройство центра коммутации может быть суще-ственно различным в исполнении разных фирм-изготовителей. Если интерфейс меж-ду центром коммутации и базовыми станциями не соответствует общепринятому стандарту, или такой общепринятый стандарт вообще отсутствует, возникает необхо-димость использовать базовые станции и центр коммутации одной и той же фирмы-изготовителя.

Сети сотовой связи 9

4. Структура базовой станции Для организации нескольких частотных каналов на БС имеется соответствующее

число приемников и передатчиков, что позволяет вести одновременную работу на не-скольких каналах с различными частотами. Группа приемников и передатчиков могут подключаться к общей антенне. Однако чаще всего базовая станция имеет различные антенны на прием и на передачу. Для борьбы с многолучевым замиранием в некото-рых системах используется метод разнесенного приема. В этом случае БС имеет две приемные антенны (рис. 5).

Рис. 5. Блок-схема базовой станции Одноименные приемники и передатчики имеют общие опорные генераторы, обес-

печивающие их согласованную перестройку при переходе с одного канала на другой. Конкретное число N приемопередатчиков зависит от конструкции и комплектации БС. Для обеспечения одновременной работы N приемников на одну приемную антен-ну между приемной антенной и приемниками устанавливается делитель мощности на N выходов. Для работы N передатчиков с одной передающей антенной между ними устанавливается сумматор мощности на N входов.

Блок сопряжения с линией связи обеспечивает согласование оборудования БС с линией для передачи информации от контроллера на центр коммутации и наоборот. В качестве линии связи БС с ЦК обычно используется радиоре-лейная или ИКМ-линия, если они не располагаются территориально в одном месте.

Контроллер БС представляет собой мощный компьютер, который обеспечивает управление работой станции, а также контроль работоспособности всех входящих в нее блоков и узлов.

Для обеспечения достаточной степени надежности многие блоки и узлы БС резер-вируются. В состав станции также включаются автономные источники бесперебойно-го питания (аккумуляторы). Так как аппаратура БС потребляет значительную мощ-ность и выделяет большое количество тепла, в ней предусматриваются специальные устройства охлаждения.

10

5. Структура подвижной станции Подвижную станцию условно можно разделить на три основных блока (рис. 6):

• антенный блок; • блок управления; • приемо-передающий блок.

Рис. 6. Блок-схема подвижной станции Антенный блок состоит из самой антенны, представляющей собой четвертьволно-

вой штырь, и дуплексного разделителя каналов приема и передачи. Блок управления включает микрофон, динамик, клавиатуру и дисплей.

Более сложным по своей структуре является приемо-передающий блок. Для анало-говых подвижных станций характерно отсутствие АЦП/ЦАП и кодеков. В состав пе-редатчика цифровой подвижной станции входят следующие элементы:

• аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) – для преобразования сигнала с выхода микрофона в цифровую форму;

• кодер речи осуществляет кодирование речевого сигнала, т.е. преобразование цифрового сигнала по определенным законам с целью сокращения объема информа-ции, передаваемой по каналу связи;

• кодер канала – добавляет в цифровой сигнал, получаемый с выхода кодера ре-чи, дополнительную (избыточную) информацию, предназначенную для защиты от ошибок при передаче сигнала по линии связи; кроме того, кодер канала вводит в со-став передаваемого сигнала информацию управления, поступающую от логического блока;

• модулятор – осуществляет перенос информации кодированного цифрового сиг-нала на несущую частоту.

Приемник по составу в основном соответствует передатчику с обратными функ-циями входящих в него блоков:

• демодулятор выделяет из модулированного радиосигнала кодированный сиг-нал, несущий информацию;

Сети сотовой связи 11

• декодер канала выделяет из входного потока управляющую информацию и на-правляет ее на логический блок; принятая информация проверяется на наличие оши-бок, и выявленные ошибки по возможности исправляются;

• декодер речи восстанавливает поступающий на него с кодера канала сигнал речи, переводя его в естественную форму, со свойственной ему избыточностью, но в цифровом виде;

• цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует принятый сигнал ре-чи в аналоговую форму и подает его на вход динамика;

• эквалайзер служит для частичной компенсации искажений сигнала вследствие многолучевого распространения; он является адаптивным фильтром, настраиваемым по обучающей последовательности символов, входящей в состав передаваемой ин-формации; в некоторых случаях блок эквалайзера может отсутствовать.

В приемопередающий блок также входит логический блок и синтезатор частот. Логический блок – это микрокомпьютер со своей оперативной и постоянной памя-тью и осуществляющий управление работой подвижной станцией. Синтезатор явля-ется источником колебаний несущей частоты, используемой для передачи информа-ции по радиоканалу.

6. Методы множественного доступа

6.1. Методы доступа с частотным и временным разделением

Понятие множественного доступа (английский эквивалент multiple access) связа-

но с организацией совместного использования ограниченного участка спектра многи-ми пользователями. Известны пять вариантов множественного доступа:

• с частотным разделением каналов связи; • с временным разделением каналов связи; • с кодовым разделением каналов связи; • с пространственным разделением каналов связи; • с поляризационным разделением каналов связи.

Для сотовой связи практический интерес представляют первые три. Четвертый метод фактически используется в реализации принципа повторного использования частот, в частности, при делении ячейки на сектора с использованием направленных антенн, но обычно этот прием не преподносится как один из методов множественного доступа.

Множественный доступ с частотным разделением (английское FDMA – Fre-quency Division Multiple Access) – наиболее простой из трех методов множественного доступа как по своей идее, так и по возможности реализации. В этом методе каждому пользователю на время сеанса связи выделяется один из свободных частотных кана-лов полосой частот , который он использует безраздельно (рис. 7). f∆

Метод FDMA используется во всех аналоговых системах сотовой связи (системах первого поколения) – при этом полоса f∆ составляет 10...30 кГц. Основное слабое место FDMA – недостаточно эффективное использование полосы частот. Эта эффек-тивность заметно повышается при переходе к более совершенному методу разделения каналов – TDMA, что позволяет повысить емкость сети сотовой связи.

12

Множественный доступ с временным разделением (английское TDMA – Time Division Multiple Access) также достаточно прост по идее, но значительно сложнее в реализации, чем FDMA. Суть метода TDMA заключается в том, что каждый частот-ный канал разделяется во времени между несколькими пользователями, т.е. частот-

ный канал по очереди пре-доставляется нескольким пользователям на опреде-ленные промежутки вре-мени. В качестве примера (рис. 8) представлен слу-чай, когда каждый частот-ный канал делится между тремя пользователями.

Здесь рассматривается случай не одного, а нескольких частотных каналов, каж-дый из которых делится во времени между несколькими пользователями. Следова-тельно, этот метод использует сочетание метода FDMA с TDMA. Именно такая схема находит практическое применение в цифровых системах сотовой связи и именно ее обычно называют схемой TDMA.

Практическая реализация метода TDMA требует преобразования сигналов в циф-ровую форму и «сжатия» информации во времени. Цифровая обработка сигналов и схема TDMA используются в стандартах сотовой связи второго поколения D-AMPS,

GSM и другие. Например, в стандарте D-AMPS при сохранении той же поло-сы частотного канала

f∆ = 30 кГц, что и в ана-логовом стандарте AMPS, число физических кана-лов в нем возрастает втрое.

Рис. 7. Метод частотного разделения каналов (FDMA)

Рис. 8. Метод временного разделения каналов (TDMA)(FDMA)

Кроме того, разделение во времени может использоваться и для реализации пря-мых и обратных каналов дуплексной связи (временной дуплекс) в одной и той же полосе частот (английское TDD – Time Division Duplex). Такое техническое решение находит применение в системах беспроводных телефонов стандарта DECT. В сото-вой связи обычно используется дуплексное разделение по частоте (английское FDD – Frequency Division Duplex), т.е. прямые и обратные каналы занимают разные полосы частот, смещенные одна относительно другой.

Метод TDMA сам по себе не реализует всех потенциальных возможностей по эф-фективности использования спектра. Дополнительные резервы открываются при ис-пользовании иерархических структур и адаптивного распределения каналов. Извест-ное преимущество в этом отношении может иметь метод CDMA.

Сети сотовой связи 13

6.2. Метод доступа с кодовым разделением Множественный доступ с кодовым разделением (английское CDMA – Code Divi-

sion Multiple Access) является достаточно сложным не только по принципу построе-ния, но и с точки зрения практической реализации. При использовании этого метода большая группа пользователей одновременно использует общую относительно широ-кую полосу частот – не менее 1 МГц (рис. 9).

Рис. 9. Метод кодового разделения каналов (CDMA)

Особенностью метода CDMA является работа в широкой полосе частот, значи-

тельно превышающей полосу речевого сигнала. При этом для различения каналов од-ной базовой станции информация каждого канала модулируется специальной кодовой последовательностью, которая формируется с помощью функции Уолша. Функции Уолша широко используются в цифровой обработке сигналов и являются дискретным аналогом синусоид кратных частот.

В приемнике имеется возможность выделения информации из общей широкой по-лосы, которая используется одновременно всеми физическими каналами. Принцип кодовой модуляции и демодуляции представлен на рис. 10.

Код на передаче

Данные

1 0 1 0 0 1 1

0 0 1

+1

-1 +1

-1 Кодированные данные +1

-1

0 T 2T Время

Код на приеме

Данные 0 0 1

+1

-1 +1

-1

Рис. 10. Принцип кодовой модуляции и демодуляции в методе CDMA

14

Система связи, реализующая метод CDMA, является системой с расширенным спектром (английское spread spectrum). Спектр информационного сообщения искус-ственно расширяется посредством модуляции (кодирования) периодической псевдо-случайной последовательностью импульсов с достаточно малым дискретом. Для по-лучения ширины спектра более 1 МГц длительность дискрета модулирующей после-довательности должна быть менее 1 мкс. Расширение спектра за счет модуляции псевдослучайной последовательностью в сочетании с кодовым разделением физиче-ских каналов определяют такие достоинства метода CDMA, как высокую помехо-устойчивость, хорошую приспособленность к условиям многолучевого распростра-нения, высокую емкость системы.

7. Построение сетей связи

макро- и микросотовой структуры Первыми моделями повторного использования частот, которые применялись в ана-

логовых ССС, были модели с круговыми диаграммами направленности (ДН) ан-тенн базовых станций. Одним из примеров является модель, состоящая из семи сот (рис. 11). Модель с круговой ДН антенн предполагает передачу с БС сигнала оди-наковой мощности по всем направлениям, что для абонентских станций эквива-лентно приему помех со всех направлений.

Эффективным способом снижения уровня соканальных помех, то есть помех по совпадающим частотным каналам, является использование секторных антенн. Секто-ризация сот позволяет более часто повторно применять частоты в сотах при одновре-менном снижении уровня помех. Общеизвестная модель повторного использования частот включает три соты и три БС. В таком случае задействуются три 120-градусные антенны на БС с формированием девяти групп частот (рис. 12).

Рис. 11. Модель повторного использования частот для семи сот

Рис. 12. Модель повторного использования частот для трех БС

Сети сотовой связи 15

Самую высокую эффективность использования полосы частот, то есть наиболь-шее число абонентов сети в выделенной полосе частот, обеспечивает разработанная фирмой Motorola (США) модель повторного использования частот, включающая две БС. Как следует из схемы (на рис. 13), каждая частота используется дважды в преде-лах модели, состоящей из четырех БС.

102

6

12 48

8

93

6

11 1

2

7

11 4

5

9

3 10

5

112

7

Рис. 13. Модель повторного использования частот для двух БС

Например, в сети GSM с общей полосой 7,2 МГц (36 частот), модель повторного

использования частот с двумя БС позволяет на одной БС одновременно применять 18 частот (в модели с тремя БС таких частот 12).

Принципы построения цифровых ССС позволили применить 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 возросло число каналов на соту. Вид модуляции, способы коди-рования и формирования сигналов в каналах связи, принятые в GSM, обеспечивают прием сигналов с теоретически достижимым отношением сигнал/помеха С/I = 9 дБ, в то время как в аналоговых системах тот же показатель равен 17…18 дБ, Поэтому передатчики базовых станций, работающие на совпадающих частотах, могут разме-щаться более близко друг к другу без потери высокого качества приема сообщений.

В общем случае расстояние D между центрами ячеек, в которых используются одинаковые полосы частот, связано с числом ячеек N в зоне с неповторяющимися частотами (кластере) соотношением

RND 3= ,

где R – радиус ячейки (радиус окружности, описанной около правильного шести-угольника).

В любой ССС емкость сетей зависит от количества каналов связи в соте N, кото-

рое, например, для стандартов с временным разделением каналов определяется выра-жением

kfFN = ,

16

где – полоса частот ССПС; F

nF

f k= – эквивалентная полоса частот, приходящаяся на один речевой канал;

kF – полоса частот одного радиоканала; n – число временных позиций в TDMA кадре;

fF – число речевых каналов связи;

k – коэффициент повторного использования частот. Следующий шаг развития сотовых систем подвижной связи после введения

цифровой технологии – переход к микросотовой структуре сетей. При радиусе яче-ек в несколько сотен метров емкость сети может быть увеличена в 5…10 раз по сравнению с макросотами. Кроме того, возможно применение абонентских радио-станций существующих стандартов цифровых ССС наряду с портативными мало-мощными абонентскими радиостанциями, служащими основой для создания сис-тем персональной связи (PCS).

Микросотовая структура ССС органически сочетается с макросотами. Микро-соты строятся на основе БС небольшой мощности, обслуживающих участки улиц, помещения в зданиях (магазины, аэропорты, вокзалы и т.д.). Микросотовая струк-тура может рассматриваться как развитие оборудования макросотовой базовой станции с управлением единым контроллером. Микросоты берут на себя нагрузку от медленно перемещающихся абонентов, например пешеходов и неподвижных автомо-билей. Пример построения сети с использованием микросот представлен на рис. 14.

Рис. 14. Использование ячеек меньших размеров в районах с интенсивным трафиком

Микросотовая структура используется также при реализации сетей в рамках

концепции персональной связи (PCN), которые в Европе создаются на основе стан-дарта GSM-1900. В структуру сети предусматривается введение пикосот с радиусом действия 10…60 м. Они предназначены для обслуживания абонентов в городских районах с большой плотностью населения и в закрытых зонах (офисы, жилые поме-щения, подземные гаражи, вокзалы и т.д.).

Сети сотовой связи 17

8. Методы увеличения емкости сети сотовой связи В рамках макросотовой структуры сетей связи, на основе которой построены су-

ществующие аналоговые и цифровые ССС, дальнейшее увеличение их емкости может быть достигнуто расширением используемой полосы частот и снижением уровня со-канальных помех, что дает возможность чаще повторять частоты. Первый способ очевиден, но редко реализуем из-за дефицита частотного ресурса. Второй способ ос-нован на методах, позволяющих снизить уровень помех по совпадающим каналам:

• уменьшение радиуса действия ячеек в районах с интенсивным трафиком; • применение секторных антенн в сотах; • адаптивное распределение каналов по сотам с учетом нагрузки; • использование интеллектуальных антенных систем.

Первый метод основывается на использовании многоуровневых (иерархических) схем построения сотовой сети. При этом число базовых станций увеличивается, а мощ-ность излучения сигнала в микросотах уменьшается. Тот же эффект достигается при использовании на БС секторных антенн.

Третий метод основан на адаптивном распределении каналов, при котором частот-ные каналы, все или частично, находятся в оперативном распоряжении центра коммута-ции. Центр коммутации выделяет каналы для пользования отдельным ячейкам (базовым станциям) по мере поступления вызовов, т.е. в соответствии с реальной интенсивностью трафика, но при соблюдении необходимого территориально-частотного разноса. Такой адаптивный алгоритм является более сложным, но обеспечивает повышение емкости за счет гибкого отслеживания изменений реальной нагрузки. Алгоритмы адаптивного рас-пределения каналов используются в системах беспроводной телефонии.

В настоящее время развивается новое направление в подвижной связи, основанное на использовании интеллектуальных антенных систем, автоматически перестраи-вающих свои диаграммы направленности на источник излучения сигнала (рис. 15).

Использование интеллектуальных антенных систем до последнего времени в ком-мерческих системах была не выгодна до появления дешевых сигнальных процессоров, удобных для реализации алгоритмов управления диаграммой направленности антенн, разработанных применительно к цифровым сотовым системам связи.

Рис. 15. Технология интеллектуальных антенн

Способ построения интеллектуальных антенных систем основан на увеличении

коэффициента усиления антенны в направлении абонентской станции. При этом

18

адаптивные антенны обеспечивают максимальный коэффициент усиления и мини-мальный уровень соканальных помех.

Интеллектуальная антенная система состоит из нескольких антенн, объединенных электронной схемой с фазовыми и амплитудными анализаторами. В результате анализа принимаемых сигналов, поступающих на различные элементы антенны, вычисляется направление оптимального приема. Сигнальный процессор в реальном масштабе вре-мени формирует суммарную диаграмму направленности антенн на источник излучений с учетом частоты принимаемого сигнала и некоторых других параметров. Практиче-ская реализация интеллектуальных антенных систем представляется перспективной для сетей сотовой связи третьего поколения, а также стандартов GSM, DECT и т.д.

9. Перспективные сети сотовой связи

На этапе создания ССС второго поколения топологическое развитие сетей на

принципах перехода от макросот к микро- и пикосотам, а также внедрение эффектив-ных методов повторного использования частот служат основными направлениями увеличения их емкости. Если не учитывать перехода на полускоростные каналы свя-зи, то рост емкости ССС второго поколения может происходить только путем перево-да существующих стандартов в новые диапазоны частот. В качестве примера можно привести распространение рекомендаций стандарта GSM-900 на стандарт GSM-1800.

Дальнейшее увеличение емкости ССС без значительного расширения рабочей по-лосы частот возможно при создании новых протоколов связи и методов управления сетью, включающих процедуры распределения частотных и временных каналов по сети, местоопределения подвижных абонентов и «эстафетной передачи». Данные за-дачи решаются в рамках создания ССС третьего поколения, которые будут отличать-ся унифицированной системой радиодоступа, объединяющей существующие сотовые и беспроводные системы с информационными службами XXI века.

В сочетании с широкополосными сетями ISDN (B-ISDN) ССС третьего поколения будут иметь архитектуру единой сети и предоставлять связь абонентам в различных условиях, включая движущийся транспорт, жилые помещения, офисы и т.д. В Европе ведутся работы по созданию ССС третьего поколения, получившей название UMTS (универсальная система подвижной связи). Пример использования ССС третьего по-коления с различными типами сот показан на рис. 16.

Зона 4:Глобальный охват

Спутник Зона 3:Пригород Зона 2:

Город Зона 1:Помещения

МакросотыПикосоты

МикросотыГлобальныесоты

Спутниковыесети

Мобильные и фиксированныесети общего пользования

Частные мобильные ификсироованные сети

Рис. 16. Построение многоуровневой сети UMTS

Сети сотовой связи 19

Предполагается объединение функциональных возможностей существующих сис-тем в единую систему третьего поколения с предоставлением стандартизованных ус-луг подвижной связи (сотовой, беспроводной, персонального вызова и т.д.). Одна из задач проекта – создание универсального радиотерминала, обеспечивающего все ви-ды услуг связи (речь, данные, видео и т.д.) при скорости передачи информации по ра-диоканалу 2 Мбит/с в условиях микросотовой и пикосотовой структур сети.

Сегодня в рамках создания UMTS исследуются принципы построения каналов свя-зи и управления, а также рассматриваются методы доступа, модуляция и кодирование сообщений, организация управления, аутентификация абонентов и шифрование со-общений с учетом межсетевого взаимодействия. Окончательные технические реше-ния по созданию UMTS будут приняты в 2000 г.

Работы по созданию единой международной сети подвижной связи третьего поколения проводятся Международным союзом электросвязи (МСЭ). Для буду-щей системы подвижной связи общего пользования третьего поколения реко-мендуется диапазон частот 1…3 ГГц. Начало ввода наземных компонентов сис-темы ожидается к 2002 г., ввод спутниковой подсистемы в полосах частот 1980…2010 МГц и 2170…2200 МГц – к 2010 г.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Андрианов В.И., Соколов А.В. Средства мобильной связи. – С.-Пб.: BHV-Санкт-

Петербург, 1998. – 256 с. 2. Бабков В.Ю., Вознюк М.А., Дмитриев В.И. Системы мобильной связи. – С.-Пб.:

С.-Пб ГУТ, 1999. – 330 с. 3. Бабков В.Ю., Вознюк М.А., Никитин А.Н., Сиверс М.А. Системы связи с кодо-

вым разделением каналов. – С.-Пб.: С.-Пб ГУТ, 1999. – 120 с. 4. Горностаев Ю.М. Мобильные системы 3-го поколения. – М.: МЦНТИ, 1998. – 164 с. 5. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. – М.: Эко-

Трендз, 1997. – 239 с. 6. Пышкин И.М., Дежурный И.И., Талызин В.Н., Чвилев Г.Д. Системы подвиж-

ной радиосвязи / Под ред. Пышкина И.М. – М.: Радио и связь, 1986. – 328 с. 7. Ратынский М.В. Основы сотовой связи / Под ред. Зимина Д.Б. – М.: Радио

и связь, 1998. – 248 с.

Альберт Винерович Абилов

СЕТИ СОТОВОЙ СВЯЗИ

Учебно-методическое пособие по курсу “Сети связи”

В авторской редакции

Подписано в печать 2.11.2000. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,16. Усл.-изд. л. 1,8.

Тираж 200 экз. Заказ № 62 Отпечатано на ризографе Издательства ИжГТУ.

Лицензия РФ ПД № 00525 от 28.04.2000.

Типография Ижевского государственного технического университета.

426069, г. Ижевск, Студенческая, 7

20