Эволюция наземных систем подвижной радиосвязи

Развитие наземных систем подвижной связи началось с 20-х годов, когда радиостанции стали устанавливать на автомобилях полиции, пожарной и медицинской служб. Эти радиостанции работали в режиме выделенного канала. Это значит, что пользователю постоянно выделяют определенную полосу частот для передачи радиосигналов. Очевидно, что при такой связи радиочастотный ресурс используют нерационально, так как абонент занимает канал связи для передачи телефонии или данных ограниченное время, а паузы между сеансами связи превышают время передач. Поэтому после Второй мировой войны в подвижной связи получили развитие системы с предоставлением каналов по требованию. В этом случае абонент на время сеанса связи получает один из свободных в данный момент каналов из группы каналов, выделенных сети. Таким образом, использование канального ресурса происходит в зависимости от трафика, т.е. объема передаваемой информации. Вероятность одновременной работы всех пользователей или их большей части достаточно мала, поэтому число пользователей, которых может обслужить такая сеть, значительно превышает число предоставленных сети каналов. Задача обслуживания ограниченным частотным ресурсом большого числа абонентов является статистической. Разумеется, есть некоторая вероятность, что при запросе пользователя все каналы окажутся занятыми, но эта вероятность не должна превышать единиц процентов.

Системы с предоставлением каналов по требованию строят по зоновому принципу (рис. 1.1). В центре зоны расположена базовая станция (БС), которая обеспечивает связь с абонентскими станциями (АС)1 расположенными внутри зоны. Рядом с базовой станцией устанавливают коммутатор (К) для связи абонентов, находящихся в зоне, друг с другом. Коммутатор может иметь выходы на телефонную сеть общего пользования (ТФОП), что позволяет части абонентов подключаться к ТФОП. Площадь зоны обслуживания абонентов определяется мощностью передатчиков, характеристиками антенн АС и БС и условиями распространения радиоволн в зоне.

Развитием зоновых систем явились многозоновые структуры, где несколько БС обеспечивают связь с АС в нескольких отдельных зонах, а коммутаторы, объединенные в единую сеть, обеспечивают связь абонентов, находящихся в различных зонах, друг с другом. Среди отечественных систем зоновой связи можно назвать системы "Алтай" и "ВОЛЕМОТ". Сейчас зоновые системы относят к транкинговым системам (от английского слова trunk, означающего "пучок", поскольку речь идет о пучке выделенных каналов). Транкинговые системы получили широкое распространение для организации профессиональной связи на транспорте, в добывающей промышленности, энергетических комплексах, силовых структурах и т.д.

Рис. 1.1. Принцип зоновой связи

Транкинговые системы в значительной мере вытеснили системы с выделенными каналами, которые продолжают применять в ограниченной мере для диспетчерской связи на транспорте (такси, общественный транспорт), частично в милиции, пожарной службе, в низовой связи в армии. При этом, как правило, радиосвязь идет в симплексном режиме, когда передачу и прием сообщений ведут поочередно в одной и той же полосе частот. И в обиходе, и в литературе часто вместо термина "полоса частот" используют термин "частота" f_i, подразумевая под этим полосу радиочастот f_i±DF/2 с центральной частотой f_i (рис. 1.2а). Ширина полосы радиоканала DF зависит от спектра модулирующего сигнала (при передаче телефонных сообщений: 300 - 3400 Гц), вида и параметров модуляции. В аналоговых системах с частотной модуляцией (ЧМ) значение DF обычно составляет 10 - 30 кГц. При симплексной связи пользователь может либо принимать сигнал (слушать), либо передавать (говорить). Для перехода в режим передачи абонент нажимает на радиостанции специальную кнопку - тангенту.

В транкинговой связи обычно используют дуплексный режим или полудуплекс. При дуплексной связи с частотным разделением каналов передача идет одновременно в двух направлениях в разных частотных полосах, разнесенных друг от друга на Df_ДУП (рис. 1.2б). Обычно для канала АСÞБС выделяют частоту на Df_ДУПниже, чем в направлении БСÞАС. В дальнейшем, говоря о радиоканале, будем иметь в виду дуплексный режим работы, т.е. фактически две полосы частот, выделяемые для организации одного канала радиосвязи. Кроме дуплекса, в транкинговых системах часто используют режим полудуплекса, когда для каждого канала радиосвязи выделяют две полосы частот, однако АС работает на передачу и прием попеременно. Перевод АС в режим передачи осуществляют нажатием тангенты. Использование полудуплекса упрощает АС, позволяет экономить энергию батареи АС (передатчик включают только во время передачи информации), улучшает помеховую обстановку в зоне, но требует манипуляций пользователя. Поэтому режим полудуплекса используют только в служебной связи.

Рис. 1.2. Полосы частот для симплексного (а) и дуплексного (б) каналов

В начале 80-х годов в наземных системах радиосвязи произошли качественные изменения, оказавшие существенное воздействие на развитие телекоммуникационных систем в целом. Это было появление на рынке связи коммерческих сотовых систем.

Сотовые структуры

В основу технологии сотовых систем положен принцип повторного использования частот. Необходимость повторного использования частот вызвана тем, что число радиоканалов в сети всегда ограничено. Например, при 100 радиоканалах можно обеспечить связью 2000-3000 абонентов, в то время как в коммерческих системах подвижной связи речь идет о десятках, сотнях тысяч и даже миллионах абонентах, сконцентрированных в современных мегаполисах. Сотовые технологии позволяют при ограниченном частотном ресурсе в сотни и тысячи раз увеличивать трафик (теоретически неограниченно). Поясним сотовую технологию распределения частот на примере цифровой системы GSM. Каждому дуплексному каналу1 соответствуют две полосы частот (рис. 1.2б). Пусть оператору сети GSM выделено 72 дуплексных радиоканала, пронумерованных от 1 до 72.

Распределим эти каналы по трем группам:

группа 1 - каналы 1, 4, 7, 10,..., - всего 24 канала;

группа 2 - каналы 2, 5, 8, 11,..., - всего 24 канала;

группа 3 - каналы 3, 6, 9, 12,..., - всего 24 канала.

Каждую группу каналов используем в отдельной соте, которую для построения регулярной структуры представим правильным шестиугольником (рис 1.3). В центре каждой соты расположена БС, организующая радиосвязь с АС, находящимися в соте. Структура из 3-х сот образует 3-сотовый кластер. Под кластером понимают объединение сот с неповторяющимися частотами. На рис. 1.3 показано, как кластеры, сцепляясь друг с другом, покрывают территорию, где развернута сотовая сеть. При этом в соседних сотах используют только разные частоты.

Продолжим рассмотрение примера с распределением частотного ресурса. Можно построить 4-сотовый кластер с 9 каналами в каждой соте (рис. 1.4). В сетях с кодовым разделением каналов все базовые станции работают в одном частотном диапазоне, так что размерность кластера 1.

Возникает естественный вопрос: из каких соображений производят выбор кластера на практике? Важнейшими являются два следующих критерия:

- обеспечение необходимого отношения сигнал/помеха (суммарная) в точке приема,

- обеспечение требуемого трафика.

Каждая АС может качественно работать только при определенном защитном отношении мощности принимаемого сигнала P_с к мощности суммарных помех P_Sпом, создаваемых мешающими станциями. В сетях GSM должно выполняться условие P_с/P_Sпом > 9 дБ. Напомним, что P_с/P_Sпом [дБ] = 10 lg(P_с [Вт]/P_Sпом [Вт]). Для АС, находящейся в конкретной соте, помехи, прежде всего, создают БС, работающие на той же частоте в сотах соседних кластеров. Чем больше число сот в кластере, тем дальше находятся от АС мешающие БС. Поэтому с увеличением числа сот в кластере уровень соканальных помех уменьшается. Однако при возрастании числа сот в кластере сокращается количество каналов, приходящихся на одну соту, что приводит к снижению трафика.

На практике в городах и областях со сплошным сотовым покрытием применяют кластеры с секторизованными сотами. В несекторизованных структурах (рис.1.3-1.4) наибольшие помехи создают БС соседних шести кластеров. В секторизованной структуре каждую соту делят пространственно на 3 сектора, используя антенны направленного излучения.1. Таким образом, в центре каждой соты расположены три БС, каждая из которых работает на N_БС частотах и питает антенну с раскрывом сектора 120°. Все три антенны закреплены на одной мачте. Структуры секторизованных кластеров 3/9, 4/12 показаны на рис. 1.5 - 1.6. В этих структурах из-за направленности излучения антенн существенные помехи создают только две БС соседних кластеров, что значительно увеличивает отношение P_с/P_Sпом в точке приема. В городах при планировании сетей GSM используют, как правило, кластеры 3/9 или 4/12. В сетях с кодовым разделением каналов используют также секторизованные соты, где все базовые станции работают на одной частоте. Несекторизованные соты применяют на границах зон охвата сотовой связью, в вытянутых структурах вдоль шоссе и т.п.

Использование секторизованных кластеров ведет к сокращению числа каналов в секторе и к снижению трафика. Так, в кластере 4/12 рассматриваемого примера на один сектор приходится всего 6 радиоканалов. Для увеличения плотности трафика можно уменьшать размеры (радиусы) сот. Однако для каждой системы сотовой связи существует минимальный радиус соты, с дальнейшим уменьшением которого эффективность работы системы падает. Это не связано с помеховой обстановкой, как можно подумать; с уменьшением радиуса соты снижают мощности передатчиков БС и АС, так что отношение P_с/P_Sпом не меняется. Ограничение минимального радиуса сот обусловлено необходимостью организации эстафетных передач(handover'a), о чем будет сказано далее.

АС систем подвижной связи могут находиться в одном из трех состояний:

- выключена;

- зарегистрирована в сети и находится в состоянии ожидания (idle mode); в этом режиме работает приемник АС, принимая канал вызова (пейджинга); радиоканал АС не занимает;

- находится в активном состоянии, когда идет сеанс связи; АС выделен рабочий канал (канал трафика).

Если инициатором соединения является сеть, то она обращается к АС, посылая ей специальное сообщение, называемой сообщением пейджинга1. Для передачи пейджинга сеть должна знать местонахождение АС. Невыгодно передавать пейджинг по всем сотам города (например, Санкт-Петербурга), так как при большом числе абонентов придется значительную часть канального ресурса использовать для передачи сигналов пейджинга. Каналы управления, а к ним относится и канал пейджинга, выделяют из общего канального ресурса, что сокращает возможное число пользовательских каналов. Поэтому сотовые структуры разбивают на отдельные зоны, объединяющие группы сот (секторов), обычно не совпадающие с границами кластеров. Зона - это объединение сот (секторов), где одновременно передают сигналы пейджинга абонентским станциям, находящимся в состоянии ожидания.

Следовательно, сеть должна знать местоположение АС (или, другими словами, АС должна быть локализована) с точностью до зоны. Эти данные хранят в специальном визитном регистре. В процессе роуминга (roaming)2, т.е. перемещения АС, находящейся в состоянии ожидания, из соты в соту при пересечении границы зоны должна происходить процедура локализации АС с обновлением данных о зоне ее местонахождения.

Необходимость эстафетной передачи (handover-а) появляется, когда АС, пребывая в активном состоянии, перемещается из одного сектора (соты) в другой. При этом происходит переключение пользовательского канала от одной БС к другой, сопровождающееся, за исключением систем с кодовым разделением каналов, сменой частоты. В процессе эстафетной передачи в течение некоторого времени оказываются занятыми два радиоканала в соседних секторах, происходит задержка при передаче данных или кратковременное ухудшение телефонной связи. С уменьшением радиусов сот число эстафетных передач растет, качество связи ухудшается, надежность работы сети снижается. Такие системы, как GSM-900, CDMA2000, относят к макросотовым, и минимальный радиус соты для них составляет 0,5-1 км. При этом скорость движения автомобилей с АС может достигать 200 км/ч.

В процессе работы происходит смена состояний АС: включение АС с регистрацией в сети и последующий перевод в состояние ожидания; установление соединения по инициативе АС или сети с переходом AC из состояния ожидания в активное состояние, окончание соединения и возврат АС в состояние ожидания. Эти процедуры будут рассмотрены в разделе 2 на примере системы GSM. Здесь отметим, что в процессе этих процедур идет обмен управляющими сигналами, которые передают на специально выделяемых из общего канального ресурса каналах сигнализации. По сути, сотовые структуры представляют собой сложные распределенные системы автоматического управления. Возможность построения АС с недорогими и малогабаритными управляющими устройствами появилась только после создания микропроцессоров, что и позволило реализовать первые сотовые системы связи в начале 80-х годов.