Классификация сетей электросвязи (стр. 76 )

При проектировании такой системы первое, что нужно сделать, — это решить, какую форму должны иметь ячейки, на которые будет разбита зона обслуживания. Самым простым решением была бы сетка, состоящая из квадратных ячеек (рис. 10.9, а).

Рисунок 10.9 - Геометрические структуры сотовых систем

Однако такая геометрическая форма оказалась не идеальной. Если сторона квадратной ячейки равна d, тогда ячейка будет иметь четыре соседа на расстоянии d и четыре — на расстоянии √2d. В то же время, если пользователь мобильных услуг находится в пределах одной ячейки и движется по направлению к ее границе, было бы лучше, чтобы все смежные антенны находились на равных расстояниях друг от друга. В этом случае проще определить момент, в который следует переключать пользователя на другую антенну, также выбирать новую антенну. Равное расстояние между смежными антеннами достигается только в шестиугольной схеме (см. рис. 10.9, б). Радиус шестиугольника определяется как радиус окружности, описанной вокруг него (эта величина равна расстоянию от центра фигуры до каждой из ее вершин, а также длине стороны шестиугольника). Для ячейки с радиусом R расстояние между центром ячейки и центром любой смежной ячейки равняется d = √3 R.

На практике точная шестиугольная структура не используется. Отклонения от идеальных шестиугольников обусловлены топографическими ограничениями, местными условиями распространения сигнала и соображениями целесообразности расположения антенн.

В беспроводной сотовой системе нельзя неограниченно использовать одну и ту же частоту для разных сообщений, так как при передаче на произвольных частотах разные сигналы могут интерферировать, даже если географически они разделены. Поэтому для систем, поддерживающих большое количество одновременных сеансов связи, нужен механизм, определяющий принципы использования спектра.

10.4.2. Многократное использование частот. В каждой ячейке сотовой сети имеется базовый трансивер. Мощность передаваемых сигналов тщательно регулируется (несколько это возможно для быстро меняющихся условий сред мобильной связи), поскольку требуется осуществлять связь в пределах одной ячейки, но это не должно приводить к интерференции сигналов данной ячейки с сигналами соседних. Как правило, каждой ячейке выделяется 10-50 частот, в зависимости от планируемой нагрузки. Кроме того, нужен механизм использования одной и той же частоты в ячейках, расположенных недалеко друг от друга, чтобы одну частоту можно было использовать для нескольких одновременных сеансов связи.

Важным вопросом, разумеется, является определение удаленности двух ячеек, использующих одну частоту, поскольку сигналы этих ячеек не должны интерферировать друг с другом. Были предложены различные модели многократного использования частот, некоторые примеры приведены на рис. 10.10. Если схема состоит из N ячеек, для которых выделяется одинаковое количество частот, то каждая ячейка будет иметь K/N частот, где К — общее число частот, выделяемых системе. Мобильная телефонная система AMPS, в которой К = 395, а N = 7, представляет собой наименьшую систему, в которой можно обеспечить достаточную изоляцию двух сеансов использования одной и той же частоты. Это означает, что в среднем на одну ячейку должно приходиться не более 57 частот.

Для характеристики повторного использования частоты существуют следующие параметры:

D — минимальное расстояние между центрами ячеек, которые используют одну и ту же полосу частот (называемую группой внутренних каналов);

R — радиус ячейки;

d — расстояние между центрами смежных ячеек (d = √3 R).

N — число ячеек в минимальном фрагменте, периодическим повторением которого образуется вся схема (каждая ячейка фрагмента использует уникальную полосу частот). Этот параметр еще называют кратностью использования.

Рисунок 10.10 - Модели многократного использования частот

В шестиугольной схеме возможны только следующие значения N:

N = I2 + J2 + (I x J), I, J = 0, 1, 2, 3, ...

Таким образом, возможными значениями N являются числа 1, 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16, 19, 21 и т. д. Верно следующее соотношение:

D / R = √N.

Это можно записать и по-другому: D/d = √N.

10.4.3. Увеличение пропускной способности. Со временем, когда система будет обслуживать все больше клиентов, трафик может распределиться таким образом, что какой-нибудь ячейке для обслуживания звонков не хватит выделенных ей частот. Для выхода из такой ситуации используется несколько подходов.

• Добавление новых каналов. Обычно, когда система установлена в определенном регионе, используются не все каналы, и с расширением системы можно просто добавлять новые.

• Заимствование частот. В самом простом случае перегруженные ячейки могут "одалживать" частоты у смежных ячеек.

• Расщепление ячеек. На практике распределение трафика и топография местности неоднородны, что также дает возможность увеличения пропускной способности. Ячейки в областях с повышенным спросом на услуги мобильной связи можно расщеплять. Как правило, размеры исходных ячеек колеблются от 6,5 до 13 км. Меньшие ячейки также можно разбивать, однако следует помнить, что на практике радиус 1,5 км считается минимальным. При использовании меньших ячеек нужно уменьшать уровень мощности, чтобы сигнал оставался в пределах ячейки. Кроме того, при движении мобильные устройства переходят из одной ячейки в другую, что требует передачи вызова от одного базового трансивера другому. Этот процесс называется переключением (handoff). Так вот, по мере уменьшения размера ячейки переключения будут происходить все чаще. При уменьшении радиуса ячейки в F раз размеры покрываемой области уменьшаются в F2 раз, а требуемое число базовых станций увеличивается в те же F2 раз.

• Разбивка ячеек на секторы. При разбивке на секторы ячейка делится на несколько клиновидных секторов, в каждом из которых остается свой набор каналов. Обычно на ячейку приходится 3-6 секторов. Каждому сектору предоставляется отдельный набор каналов ячейки, а для фокусировки сигнала на отдельных секторах используются направляемые антенны базовой станции.

• Микроячейки. По мере уменьшения ячейки антенны перемещаются с крыш высотных зданий и вершин холмов на крыши зданий поменьше или на стены высотных домов и в конце концов оказываются на фонарных столбах, с высоты которых они обслуживают микроячейки. Любое уменьшение размеpa ячейки сопровождается уменьшением уровня мощности сигналов, излучаемых базовой станцией. Микроячейки полезно располагать на городских улицах в густо населенных районах, а также внутри больших зданий общественного пользования.

В табл.10.2 представлены характерные параметры традиционных ячеек, именуемых макроячейками, и микроячеек, созданных описанным выше способом. Средний разброс задержек — это усреднение разброса задержек по многим трактам распространения (ведь один и тот же сигнал может распространяться несколькими путями, и существует временная задержка между прибытием в приемник самого раннего и самого позднего сигнала).

Таблица 10.2. Характерные параметры макро - и микроячеек

	Макроячейка	Микроячейка
Радиус ячейки	1-2 км	0,1-1 км
Мощность передаваемого сигнала	1-10 Вт	0,1-1 Вт
Средний разброс задержек	0,1-10 мкс	10-100 нс
Максимальная скорость передачи данных	0,3 Мбит/с	1 Мбит/с

10.4.4. Функционирование сотовой системы. На рис. 10.11 показаны основные элементы сотовой системы.

Рисунок 10.11 - Общий вид сотовой системы

Примерно в центре каждой ячейки находится базовая станция. Базовая станция состоит из антенны, контроллера и нескольких трансиверов, которые служат для связи в каналах, выделенных этой ячейке. Контроллер используется для обработки соединений мобильного устройства с остальной сетью. В любой момент в пределах ячейки могут быть активными и перемещаться несколько пользователей мобильной связи, сообщающихся с базовой станцией. Каждая базовая станция подсоединена к коммутатору мобильных телекоммуникаций (mobile telecommunications switching office — MTSO), причем один коммутатop MTSO может обслуживать несколько базовых станций. Обычно связь между коммутатором MTSO и базовой станцией является проводной, хотя возможна также беспроводная связь. Коммутатор MTSO устанавливает соединение между мобильными устройствами. Кроме того, MTSO соединен также с общественной телефонной или телекоммуникационной сетью и может соединять стационарных абонентов с сетью общего пользования и мобильных абонентов с сотовой сетью. Коммутатор MTSO выделяет для каждого соединения голосовой канал, выполняет переключения (о которых мы поговорим ниже) и контролирует звонки для передачи информации о счетах.

Работа сотовой системы полностью автоматизирована и не требует от пользователя никаких действий, кроме заказа разговоров и ответа на звонки. Между мобильным устройством и базовой станцией можно устанавливать каналы связи двух типов: каналы управления и информационные каналы. Каналы управления используются для обмена информацией, касающейся заказа и поддержания звонка, а также установления связи между мобильным устройством и ближайшей к нему базовой станцией. Информационные каналы служат для передачи голоса или данных между пользователями. На рис. 10.12 показаны шаги, которые следует предпринять для обычного соединения двух мобильных пользователей, находящихся в зоне действия одного коммутатора MTSO.

Рисунок 10.12 - Пример мобильного сотового соединения

Инициализация мобильного устройства. Включенное мобильное устройство проводит сканирование и выбирает самый сильный настроечный канал управления, используемый данной системой (см. рис. 10.12, а). Ячейки с различными полосами частот периодически транслируют сигналы в различных настроечных каналах. Приемник мобильного устройства выбирает самый сильный настроечный канал и начинает его прослушивать. В результате этой процедуры мобильное устройство автоматически выбирает антенну базовой станции той ячейки, в пределах которой оно будет действовать. Затем выполняется квитирование между мобильным устройством и коммутатором MTSO, контролирующим данную ячейку, что тоже осуществляется через базовую станцию этой ячейки. Квитирование используется для опознания пользователя и для регистрации его местоположения. Все время, пока включено мобильное устройство, эта процедура сканирования периодически повторяется, что позволяет следить за движением устройства. Если устройство входит в новую ячейку, выбирается новая базовая станция. Кроме того, мобильное устройство следит за сигналами избирательного вызова. Звонок с мобильного устройства. Звонок с мобильного устройства начинается с отправки номера вызываемого устройства по предварительно выбранному каналу (рис. 10.12, б). Приемник мобильного устройства сначала проверяет, свободен ли настроечный канал, анализируя информацию в прямом (от базовой станции) канале. Когда обнаруживается, что канал свободен, мобильное устройство может начинать передачу в соответствующем обратном (к базовой станции) канале. Базовая станция в свою очередь отправляет запрос на коммутатор MTSO.

• Избирательный вызов. Далее коммутатор MTSO пытается установить связь с вызываемым устройством. Коммутатор отправляет адресное сообщение определенной базовой станции, в зависимости от номера вызывающего мобильного устройства (рис. 10.12, в). Каждая базовая станция передает сигналы избирательного вызова в собственном выделенном настроечном канале.