Принципы сотовой связи: многократное использование частот и деление ячеек

Основы архитектуры сотовых сетей связи. Архитектура сотовых сетей связи базируется на двух фундаментальных принципах, которые обеспечивают их эффективность и масштабируемость. К ним относятся многократное использование частот (Frequency Reuse) и деление (секторизация) ячеек (Cell Splitting). Первый принцип позволяет существенно увеличить пропускную способность системы, а второй обеспечивает ее гибкую адаптацию к растущему числу абонентов. Реализация этих концепций стала возможной благодаря отказу от использования единственного мощного передатчика в пользу сети маломощных базовых станций. Каждая такая станция обслуживает ограниченную зону, называемую сотой или ячейкой (Cell), что и дало название всей технологии.

Принцип многократного использования частот. Многократное использование одних и тех же радиочастот представляет собой метод, при котором одна и та же полоса частот (радиоканал) применяется для установления различных соединений в пределах общей зоны покрытия. Данный подход не является абсолютно новым, поскольку его аналоги используются, например, в эфирном радиовещании. Ключевое новаторство сотовой связи заключается в радикальном сокращении минимального расстояния между абонентами, использующими идентичные каналы. Если в традиционных системах это расстояние измеряется сотнями километров, то в сотовой сети оно может составлять лишь несколько километров или даже сотен метров.

Достижение такого эффекта возможно благодаря использованию маломощных передатчиков, чей сигнал эффективно затухает на границах ячейки. Это позволяет организовать на территории кластеры ячеек (Cell Cluster), внутри которого каждая сота использует уникальный набор частот. Затем эта же группа наборов частот повторно используется в других, не смежных кластерах. Критически важным условием является недопустимость использования одинаковых частот в соседних сотах во избежание интерференции (Co-Channel Interference). Планирование частотного распределения является одной из основных задач проектирования сотовой сети.

Принцип деления сотовых ячеек. Деление сотовых ячеек — это динамический процесс, направленный на увеличение емкости сети в условиях роста числа абонентов. Изначально зона покрытия может состоять из крупных ячеек, каждая из которых обслуживается одной базовой станцией, как это схематично изображено на рис. 11.9а. Однако при увеличении нагрузки в определенной зоне, когда количество вызовов превышает возможности одной ячейки, возникает необходимость в ее разделении. Этот процесс позволяет поддерживать высокое качество обслуживания (Quality of Service, QoS).

На практике перегруженная ячейка делится на несколько меньших по площади ячеек, что демонстрирует рис. 11.9б. Для этого в пределах исходной крупной ячейки устанавливаются дополнительные базовые станции с соответствующим снижением мощности их передатчиков. Важным аспектом является то, что центральный узел управления сетью, MTSO (Mobile Telephone Switching Office), продолжает координировать работу всех ячеек, включая вновь созданные. Для обработки возросшей нагрузки MTSO может потребовать модернизации, например, установки более производительного коммутационного оборудования или мощного сервера.

Масштабируемость и развитие сотовых систем. Комбинированное применение принципов многократного использования частот и деления ячеек обеспечивает практически неограниченную возможность масштабирования сотовых сетей. Система может планомерно расширяться по мере увеличения спроса на услуги связи, начиная с развертывания крупных ячеек в сельской местности и заканчивая созданием плотной сети малых и сверхмалых ячеек (пико- и фемтосот) в условиях мегаполиса. Эта гибкость является залогом долгосрочной жизнеспособности технологии. Таким образом, именно эти два фундаментальных принципа лежат в основе всех современных стандартов мобильной связи, от GSM до LTE и 5G/NR, обеспечивая высокую спектральную эффективность и надежность предоставляемых услуг.

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.