Цифровые сотовые сети подвижной радиосвязи

Стандарты цифровых сотовых систем. В 1982 г. Евро­пейская конференция администраций почт и связи (СЕРТ) организо­вало рабочую группу под названием Group Speciale Mobile (GSM) для разработки общих технических условий первой цифровой мобильной сети. Внедрение стандарта началось в 1991 г. Передача в системе GSM-900 ведется в диапазоне 890...915 МГц для передатчиков MS и 935...960 МГц для передатчиков BS. В полосе 25 МГц размещается 124 канала, каждый из которых занимает полосу 200 кГц. Каждый час­тотный канал уплотняется по времени (8 временных позиций). Таким образом, общее количество каналов в полосе 25 МГц равно 992.

Американский цифровой стандарт ADS (D-AMPS) разрабатывал­ся для отличных от Европы условий: диапазон 800 МГц и работа в общей с существующей аналоговой AMPS полосе частот. Сохранен также разнос каналов 30 кГц. Применение временного разделения каналов (три временных канала на одну несущую), а также сот с ма­лым радиусом позволило значительно увеличить емкость D-AMPS по сравнению с AMPS. Обеспечение требования совместимости анало­говой и цифровой сети, а также сохранение существующего парка аналоговых абонентских станций в новых условиях работы привели к необходимости создания и применения аналого-цифровых MS с ав­томатическим выбором режима передачи и приема.

Японский стандарт IDS во многом совпадает с американским. Основные отличия заключаются в использовании другого частотного диапазона, а именно 810...826 МГц и 940...956 МГц. Стандарт адап­тирован также к диапазону 1,5 ГГц. Количество речевых каналов на одну несущую в зависимости от скорости преобразования речи 3 или 6, разнос частотных каналов 25 кГц.

Цифровые системы GSM, D-AMPS, IDS являются системами сото­вой связи второго поколения.

Принципы построения цифровых систем позволили применить при организации сотовых сетей новые, более эффективные, чем в анало­говых системах, модели повторного использования частот. В резуль­тате без увеличения общей полосы частот значительно возросло чис­ло каналов на соту. Так, вид модуляции, способы кодирования и фор­мирования сигналов в каналах связи, принятые в GSM, обеспечивают прием сигналов при отношении сигнал - помеха 9 дБ, в то время как в аналоговых системах этот показатель равен 18 дБ. Поэтому передат­чики BS, работающие на совпадающих частотах, могут размещаться в более близко расположенных сотах без ухудшения качества связи.

В рамках макросотовой структуры сотовых сетей, на основе кото­рой построены существующие аналоговые и цифровые сети, даль­нейшее увеличение их емкости может быть достигнуто двумя спосо­бами: расширением используемой полосы частот и снижением уровня межканальных помех, что даст возможность чаще повторять частоты.

Первый способ очевиден, но трудно реализуем из-за дефицита частотного ресурса.

Второй способ, связанный со снижением уровня межканальных помех, основан на следующих методах: применение секторных (на­правленных) антенн в сотах вместо антенн с круговой диаграммой направленности; адаптивное распределение каналов по сотам с уче­том нагрузки и минимизации отношения сигнал - помеха; автомати­ческая регулировка уровня мощности передающих устройств MS и BS; использование методов пространственного разнесения антенн на приеме.

С помощью секторных антенн в моделях повторного использова­ния частот с двумя BS можно увеличить емкость сетей стандарта GSM до 40 % по сравнению с использованием антенн с круговой диа­граммой направленности при коэффициенте повторного использова­ния частот С = 7.

Адаптивное распределение каналов по сотам с учетом нагрузки и минимизации отношения сигнал - помеха позволяет увеличить емкость сетей на 40-50 %.

Автоматическая регулировка мощности передатчиков MS и BS в процессе сеанса связи также эффективно уменьшает межканаль­ные помехи [1].

Пространственное разнесение антенн дает общий выигрыш в от­ношении сигнал - помеха около 4...7 дБ. В стандарте IDS достигается максимальный выигрыш за счет разнесения антенн на BS и MS. В стандарте GSM и ADC предусматривается разнесение антенн толь­ко на BS. Совместное применение адаптивного распределения кана­лов и пространственное разнесение антенн увеличивают емкость се­тей стандарта ADC в 8,7 раза, по сравнению с аналоговыми система­ми. Для GSM и IDS этот коэффициент может быть более 10 [4].

На этапе создания сотовых систем второго поколения основными методами увеличения их емкости являются переход от макросот к микросотам (радиус сотни метров), а также эффективные методы повторного использования частот. Однако они ограничивают возмож­ности сотовых систем второго поколения по емкости и видам предос­тавляемых услуг связи в рамках выделенного диапазона частот.

Если не учитывать перехода на полускоростные каналы связи (ка­налы, в которых в 2 раза уменьшена скорость преобразования анало­говых сигналов в цифровые), то рост емкости сотовых систем второго поколения может происходить только путем перевода существующих стандартов в новые диапазоны частот. В качестве примера можно привести распространение рекомендаций стандарта GSM-900 на стандарт DCS-1800.

Дальнейшее увеличение емкости сотовых сетей без значительного расширения рабочей полосы частот возможно при создании новых протоколов связи и методов управления сетью, включающих проце­дуры распределения частотных и временных каналов по сети, место-определения MS и «эстафетной передачи». Данные задачи решаются в рамках создания сотовой системы третьего поколения, которая бу­дет отличаться унифицированной системой радиодоступа, объеди­няющей существующие сотовые и бесшнуровые системы с информа­ционными службами XXI века.

Такая система разрабатывается под названием UMTS (Universal Mobile Telecommunications Servise - универсальная система подвиж­ной связи). Для будущей системы подвижной связи общего пользова­ния рекомендуется диапазон частот 1...3 ГГц, в котором будет выде­лена полоса 60 МГц для персональных станций и 170 МГц для под­вижных станций. Международный союз электросвязи (МСЭ) признал, что космические системы передачи должны быть неотъемлемой ча­стью будущей сети.