Принципы работы и структура системы сотовой связи AMPS

Введение в проблематику ранней мобильной связи. Обслуживание, предоставляемое системами мобильной телефонной связи на начальном этапе их развития, характеризовалось низкой доступностью и высокой стоимостью. Абоненты были вынуждены платить в 10–20 раз больше по сравнению с тарифами стационарной связи, однако спрос значительно превышал предложение. Например, в городе Чикаго возможность подключения имелась лишь для около 2 тысяч человек, в то время как количество реальных желающих оценивалось в десятки раз выше. Ключевой причиной такой ситуации являлось острейшее отсутствие свободных частотных каналов, которые были уже распределены между различными компаниями и типами радиосвязи.

Необходимость нового технологического подхода. Решение проблемы виделось не в простом выделении новых частотных диапазонов или строительстве дополнительных передающих станций, поскольку свободный радиочастотный ресурс был практически исчерпан. Более того, такой подход не решал фундаментальной задачи обеспечения роуминга — возможности беспрепятственного перемещения абонента между зонами покрытия. Стало очевидно, что для качественного скачка в развитии мобильной связи требуется принципиально новая архитектура построения сетей, способная радикально повысить пропускную способность и функциональность.

Концепция системы сотовой связи AMPS. Ответом на вызовы времени стала концепция системы сотовой связи, также известной как Прогрессивная система телефонной связи (AMPS - Advanced Mobile Phone System). Данная технология, разработанная в конце 1970-х и внедренная в 1983 году, представляла собой аналоговую систему, работающую в диапазоне 800 МГц. Ее основная цель заключалась в обеспечении высококачественной связью большого числа абонентов по разумной цене, а также в снятии ограничений по автоматическому роумингу.

Принцип повторного использования частот. Основополагающая идея AMPS заключается в кардинальном уменьшении площади покрытия отдельно взятого передатчика за счет снижения его излучательной мощности. Это позволяет на одной географической территории разместить множество маломощных базовых станций, образующих ячейки — соты. Критически важным преимуществом является возможность многократного использования одних и тех же частотных каналов в несмежных сотах, что радикально увеличивает общую емкость системы. Инженеры установили, что уровень помех зависит не просто от расстояния, а от отношения расстояния между ячейками к мощности передатчиков.

Структурная организация сотовой сети. Принципиальная структура организации сотовой связи представлена на рис. 11.6. Вся зона обслуживания делится на отдельные области — ячейки (соты), в центре каждой из которых расположена базовая станция. Это оборудование предназначено для коммутации, передачи и приема вызовов с мобильных устройств, находящихся в ее зоне ответственности. Каждая базовая станция работает на назначенных ей частотных каналах, причем один и тот же канал может быть использован одновременно в нескольких несмежных сотах, что исключает взаимные помехи.

Рис. 11.6. Структура сети сотовой связи

Масштабируемость и емкость сети. Гибкость сотовой архитектуры позволяет легко масштабировать сеть в соответствии с ростом числа абонентов. Изначально, в зонах с низкой плотностью населения, могут развертываться ячейки большого размера. По мере увеличения спроса крупные соты делятся на несколько меньших, что кратно увеличивает количество доступных каналов связи. Например, уменьшение радиуса ячейки на 50% позволяет оператору увеличить потенциальную емкость сети в четыре раза.

Практический пример увеличения емкости. Для наглядности можно рассмотреть крупный город, разделенный на 100 сот. Если каждая базовая станция способна одновременно обслуживать 12 разговоров, то максимальная емкость всей сети составит 1200 соединений. Для сравнения, одна мощная станция, покрывающая всю ту же территорию, могла бы обслуживать лишь 12–20 абонентов одновременно. Таким образом, сотовая структура дает многократный прирост эффективности использования частотного спектра.

Рис. 11.7. Пример простейшей сотовой сети, состоящей из двух ячеек

Взаимодействие с телефонной сетью общего пользования. Связь мобильных абонентов с внешним миром обеспечивается через специализированное сетевое оборудование. Как показано на рис. 11.7, каждая базовая станция подключена к центру коммутации мобильной сети. Далее соединение направляется к интерфейсному оборудованию сети сотовой связи (NIE), которое выполняет функцию шлюза для подключения к Коммутируемым сетям общего пользования (PSTN - Public Switched Telephone Network), то есть к традиционным стационарным телефонным линиям. Прямое соединение — это канал от базовой станции к мобильному устройству, а обратное — от устройства к станции.

Базовая станция сотовой связи: оборудование, размещение и частотное планирование

Функциональное назначение и оснащение базовых станций. Узлы сотовой связи (базовые станции), схематично изображенные на рис. 11.7, выполняют ключевую функцию создания радиоканала между индивидуальными сотовыми телефонами и стационарной системой телефонной связи. Каждая такая станция оснащена приемопередающим оборудованием, которое подключено к решетчатым антеннам, обеспечивающим покрытие определенной территории. Помимо коммутирующих электронных схем, в комплект оборудования каждого узла входят системы диагностики и вспомогательного обеспечения, необходимые для стабильной работы.

Критерии выбора местоположения для базовых станций. Выбор местоположения узлов сотовой связи является критически важным для обеспечения качественного покрытия и эффективного распространения радиоволн УКВ-диапазона. В условиях плотной городской застройки антенны типично размещают на крышах высотных зданий, что позволяет преодолевать физические препятствия. В пригородных зонах и сельской местности станции располагают на естественных возвышенностях, таких как вершины холмов или гор, для достижения максимальной дальности сигнала и условий наилучшего приема.

Емкость станции и принцип дуплексной связи. Стандартный узел сотовой связи проектируется с расчетом на одновременную обработку до сорока пяти двухсторонних разговоров. Поскольку для полноценного дуплексного режима связи, позволяющего говорить и слушать одновременно, требуется два частотных канала (прямой и обратный), одна станция использует 90 частот из общего доступного пула, составляющего 666 каналов. Это определяет базовую емкость одной соты или ячейки покрытия.

Частотное планирование и кластеризация.Для предотвращения взаимных помех в смежных сотах используются непересекающиеся наборы частот, как проиллюстрировано на рис. 11.9. Если центральная ячейка (Территория 1) использует частоты с 1-й по 90-ю, то все непосредственно прилегающие к ней ячейки должны работать на других частотах из диапазона (например, с 91-й по 540-ю). Этот принцип формирования кластера ячеек является фундаментальным для частотного планирования сети.

Рис. 11.9. Разбиение на ячейки

Принцип повторного использования частот. Ключевым преимуществом сотовой архитектуры является возможность многократного использования одних и тех же частотных каналов, схема которого приведена на рис. 11.10. Набор частот (например, с 1-го по 90-й) может быть повторно применен в другой ячейке (Территория 2), при условии, что она территориально удалена на достаточное расстояние. Это расстояние гарантирует затухание сигнала до уровня, исключающего взаимные помехи между передатчиками.

Рис. 11.10. Схема многократного использования одних и тех же частотных каналов

Модель идеальной шестиугольной ячейки. Для упрощения проектирования и планирования сети используется модель идеальной шестиугольной формы ячеек. Ячейкам с идентичными наборами частот присваиваются одинаковые номера, и модель шестиугольника обеспечивает, что они всегда разделены как минимум одной ячейкой с другим частотным набором. На практике реальная форма зоны покрытия далека от идеального шестиугольника и определяется рельефом, застройкой и другими факторами, однако теоретическая модель остается основой для эффективного частотного планирования.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Шемякин А. Н., Прудыус А. С. и др.

Источник: Публикации представляет собой компиляцию из открытых источников, описывающих принципы работы ранних систем беспроводной связи (DECT, PACS, PHS). Устройство, монтаж и эксплуатация контактной сети и высоковольтных линий электропередачи

Публикации предназначены для подготовки и повышения квалификации специалистов, обслуживающих электроснабжение железных дорог, студентов и начинающих специалистов в области телекоммуникаций, радиотехники и электроники.