Системы сотовой связи общего пользования

Как уже отмечалось, свое название системы сотовой связи (ССС) получили в соответствии с сотовым принципом организаций связи, со­гласно которому зона обслуживания делится на ячейки (соты) шести­угольной формы. Под сотой понимают зону обслуживания одной базовой станцией (БС), находящейся в центре каждой ячейки и обслуживающей все подвижные станции (ПС - абонентские радиотелефоны), так как ан­тенна с круговой диаграммой направленности будет покрывать почти всю площадь шестиугольной ячейки. В сотовых сетях радиосвязь БС с або­нентской ПС осуществляется в пределах малой рабочей зоны, что позволя­ет многократно использовать одни и те же частоты в зоне обслуживания. Типовые значения радиуса соты R = 2 - 35 км, это - макросоты. Микросо­ты (радиус - сотни метров), в которых базовые станции берут на себя на­грузку от медленно передвигающихся абонентов, и пикосоты (R = 10 - 60 м) - используются в городах с высокой плотностью населения и в закры­тых зонах (учреждениях, вокзалах, жилых помещениях.

Количество сот, находящихся в зоне обслуживания одного центра коммутации, зависит от площади этой зоны и площади соты. Площадь зоны обслуживания можно представить как окружность с радиусом R₀ следовательно, площадь этой зоны будет равна S= pR², площадь соты (шести­угольника) равна 2, 6Ro², где Ro - радиус рабочей зоны. Тогда число сот L определяется по формуле L = 1, 21 (R₀/R)². Число базовых станций равно числу сот, так как на каждую coтy приходится одна базовая станция: N_BC= L

Соты группируются в кластеры. В одном кластере находится не­сколько базовых станций, работающих в неповторяющихся диапазонах частот. План расположения номеров БС составляется по определенной системе, с целью экономии радиоспектра, и предусматривает разнос на защитный интервал D, который превышает дальность распространения сигналов с целью защиты от переходных помех между сотами (рис. 70). Основной потенциал сотовой идеи заключается в том, что уровень взаим­ных помех не зависит от расстояния между ячейками, а зависит от от­ношения между ячейками к их радиусу. Радиус ячейки зависит от мощно­сти передатчика и определяется разработчиком в процессе проектирова­ния. С уменьшением радиуса ячейки возрастает количество базовых стан­ций. Чем меньше радиус, тем чаще можно повторно использовать часто­ты, уже задействованные в других сотах. Таким образом, одну частоту можно повторять много раз, что обеспечивает высокую пропускную спо­собность системы без расширения занятой ею полосы частот. Количество базовых станций, работающих в кластере равно: Nбс =(D/R)² / 3,

где D - расстояние между базовыми станциями, использующими одни и те частоты.

 

На рис. 93 размерность кластера равна n = 9, следовательно, если для обслуживания абонентов в одной ячейке требуется набор из 10 частот, то для создания сотовой структуры требуется располагать набором их 90 час­тот.

 

Рис. 93. Построение 9-элементного кластера

 

В состав оборудования ПС (рис. 94) входят: блок управления, приемо­передающий блок, антенный блок. Блок управления включает в себя мик­ротелефонную трубку, клавиатуру и дисплей.

 

Клавиатура (Кл) служит для набора номера вызываемого абонента, а также команд, определяющих ре­жим работы ПС. Дисплей (Д) служит для отображения различной инфор­мации, предусматриваемой устройством и режимом работы станции Приемопередающий блок состоит из передатчика, приемника, синтезато­ра частот и логического блока. Передатчик состоит из аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который преобразует аналоговый сиг­нал в цифровой, кодера речи (КР) - осуществляет кодирование сигнала, кодера канала (КК), который добавляет в цифровой сигнал дополнитель­ную (избыточную) информацию, предназначенную для защиты от ошибок при передаче сигнала по линии. Кроме того, кодер канала вводит в состав передаваемого сигнала информацию управления, поступающую от логиче­ского блока. Модулятор (М) - осуществляет перенос информации кодиро­ванного сигнала на несущую частоту.

Приемник выполняет обратные функции: демодулятор (ДМ) - выделя­ет из модулированного радиосигнала кодированный сигнал, несущий ин­формацию; декодер канала ЩК)- выделяет из входного потока управ­ляющую информацию, направляет на логический блок, где принятая ин­формация проверяется на наличие ошибок и выявленные ошибки исправ­ляются; декодер речи (ДР) - восстанавливает поступающий на него с деко­дера канала сигнал речи, переводит его в цифровой исходный сигнал, ко­торый преобразуется в цифро - аналоговом преобразователе(ЦАП) в ана­логовый. Эквалайзер служит для частичной компенсации искажений сиг­нала вследствие многолучевого распространения. Логический блок (Л.Бл) управляет работой ПС. Синтезатор является источником колебаний не­сущей частоты, используемой для передачи информации по радиоканалу. Гетеродин и преобразователь частоты (ПЧ) обеспечивают мультиплексирование по частоте передающего и приемного сигнала. Антенный блок включает в себя антенну и коммутатор передачи/приема, который подключает либо выход передатчика, либо выход приемника.

Оборудование БС состоит из контроллера базовых станций и приемо- передающих антенн. Каждая БС имеет раздельные антенны на передачу и прием, так как в сотовых сетях используется разнесенный прием. Вторая особенность БС - наличие нескольких приемников и такого же числа передатчиков, позволяющих вести одновременную работу на нескольких каналах с различными частотами. Кроме того, на БС размещается аппаратура передачи данных, контроля каналов. С помощью этого оборудования, помимо передачи и приема, осуществляется распределение каналов, а также передача данных и выполнение диагностических процедур на оборудовании БС (рис. 95).

 

Рис. 95. Основные составляющие систем сотовой связи

 

Контроллер БС (компьютер) обеспечивает управление работой базовой станции, а также контроль работоспособности всех входящих в нее блоков и узлов.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Центры коммутации сотовых систем

Все БС соединены с центром коммутации (ЦК) подвижной связи по выделенным проводным или радиорелейным каналам связи. Центр ком­мутации - это автоматическая телефонная станция ССС, обеспечиваю­щая все функции управления сетью. Центр коммутации является мозго­вым центром и одновременно диспетчерским пунктом системы сотовой связи, на который замыкаются потоки информации со всех базовых стан­ций. ЦК осуществляет постоянное слежение за ПС и при перемещении подвижной станции из одной ячейки в другую ЦК передает его обслужи­вание с одной базовой станции на другую без перерыва связи, осуществ­ляет переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неис­правностей. Через ЦК осуществляется выход ПС на другие сети связи - стационарную телефонную сеть, сети междугородной и международной связи, спутниковой связи, другие сотовые сети. При обслуживании большой территории может быть два и более ЦК, которые связаны между собой, один из которых головной. В состав ЦК входят коммутатор, несколько контроллеров (рис. 96). Коммутатор осуществляет переключение потоков информации ме­жду соответствующими линиями связи, направляет потоки от одной базовой станции к другой, или от базовой станции к стационарной сети и на­оборот. Коммутатор подключается к линии связи через контроллеры свя­зи, осуществляющие промежуточную обработку (упаковку/распаковку, буферное хранение) потоков информации.

Общее управление работой центра коммутации и системы в целом производится от центрального контроллера, представляющий собой дос­таточно мощный и совершенный компьютер, который обеспечивает управление работой станции, а также контроль работоспособности всех входящих в нее блоков и узлов. Важными элементами системы являются базы данных - домашний и гостевой регистры, центр аутентификации, регистр аппаратуры - регистр идентификации. Блок - схема центра ком­мутации приведена на рис. 96. Домашний регистр содержит сведения обо всех абонентах, зарегистрированных в данной системе, о видах услуг, ко­торые могут быть им оказаны. Здесь же фиксируется местоположение або­нента для организации его вызова, и регистрируются фактически оказан­ные услуги. Гостевой регистр местоположения содержит примерно такие же сведения об абонентах - гостях (роумерах), т.е. об абонентах, зарегист­рированных в другой системе, но пользующихся в настоящее время услу­гами сотовой связи в данной системе. Центр аутентификации состоит из нескольких блоков и формирует ключи и алгоритмы аутентификации. С его помощью проверяются полномочия абонента, и осуществляется его доступ к сети.

Каждый подвижный абонент на время пользования сотовой сетью связи получает стандартный модуль подлинности абонента (SIM - карту), который содержит персональный идентификационный номер абонента (PIN - код), международный идентификатор абонента (IMSI), свой ключ аутентификации Ki, алгоритм аутентификации. С помощью информации, записанной на SIM - карте, в результате обмена данными между подвиж­ной станцией (ПС) и сетью, осуществляется цикл аутентификации и дос­туп абонента к сети.

Центр идентификации оборудования содержит централизованную базу для подтверждения подлинности международного идентификацион­ного номера оборудования (ПС), для выявления утерянных или неисправ­ных аппаратов. Например, международный идентификационный номер абонента сети GSM содержит 15 знаков: первые три - код страны (код Рос­сии - 250), затем 2 цифры - код сети оператора и последние 10 - номер абонента.

К другим сетям связи