Сотовая связь 2

В настоящее время во многих капиталистических станах, а также в ряде развивающихся стран ведется интенсивное внедрение сотовых сетей связи (ССС) общего пользования. Такие сети предназначены для обеспечения подвижных и стационарных объектов телефонной связью и передачей данных. В ССС подвижными объектами являются либо наземные транспортные средства, либо непосредственно человек, находящийся в движении и имеющий портативную абонентскую станцию (подвижный абонент). Возможность передачи данных подвижному абоненту резко расширяет его возможности, поскольку кроме телефонных сообщений он может принимать телексные и факсимильные сообщения, различного рода графическую информацию (планы местности, графики движения и т.п.), медицинскую информацию и многое другое. Особое значение ССС приобретают в связи с активным внедрением во все сферы человеческой деятельности персональных компьютеров, разнообразных баз данных, сетей ЭВМ. Доступ к ним через ССС позволит подвижному абоненту оперативно и надежно получить необходимую информацию. Соответственно возрастет и роль систем связи, повысятся требования к качеству передачи информации, пропускной способности, надежности работы. Увеличение объема информации потребует сокращения времени доставки и получения абонентом необходимой информации. Именно поэтому уже сейчас наблюдается устойчивый рост мобильных средств радиосвязи (автомобильных и портативных радиотелефонов), которые дают возможность сотруднику той или иной службы вне рабочего места оперативно решать производственные вопросы. Радиотелефон перестал быть символом престижа и стал рабочим инструментом, который позволяет более эффективно использовать рабочее время, оперативно управлять производством и постоянно контролировать ход технологических процессов, что обеспечивает дополнительные доходы при использовании радиотелефона в производстве. Внедрение ССС во многие отрасли народного хозяйства позволит резко повысить производительность труда на подвижных объектах, добиться экономии материально-трудовых ресурсов, обеспечить автоматизированный контроль технологических процессов, создать надежную систему управления транспортными средствами или мобильными роботами, распределенными на большой территории и входящими в состав гибких автоматизированных систем управления. Использование системы радиосвязи с подвижными объектами можно разделить на следующие классы: ведомственные (или частные) системы подвижной связи (ВСПС); сотовые системы подвижной связи (ССПС); системы персонального радиовызова (СПРВ). Исторически впервые в эксплуатации появились ВСПС, так как в условиях ограничений на использование радиосвязи возможность ее применения для связи с подвижными абонентами предоставлялась государственным, ведомственным или крупным частным организациям (полиция, пожарная охрана, такси и т. п.). Для вызова подвижного абонента (внутри ограниченной зоны обслуживания) стали использоваться СПРВ. Появившиеся совсем недавно ССПС являются принципиально новым видом систем связи, так как они построены в соответствии с сотовым принципом распределения частот по территории обслуживания (территориально-частотное планирование) и предназначены для обеспечения радиосвязью большого числа подвижных абонентов с выходом на телефонную сеть общего пользования (ТФОП). Если ВСПС создавались (и создаются) в интересах узкого круга абонентов, то ССПС за рубежом стали использоваться в интересах широких кругов населения. Свое название ССС получили в соответствии с сотовым принципом организации связи, согласно которому зона обслуживания (территория города или региона) делится на большое число малых рабочих зон или сот в виде шестиугольников. В центре каждой рабочей зоны расположена базовая станция (БС), осуществляющая связь по радиоканалам с многими абонентскими станциями (АС), установленными на подвижных объектах, находящихся в ее рабочей зоне. Базовые станции соединены проводными телефонными линиями связи с центральной станцией (ЦС) данного региона, которая обеспечивает соединение подвижных абонентов с любыми абонентами телефонной сети общего пользования (ТФОП) с помощью коммутационных устройств. При перемещении подвижного абонента из одной зоны в другую производится автоматическое переключение канала радиосвязи на новую базовую станцию, тем самым осуществляется эстафетная передача подвижного абонента от передающей к последующей (соседней) базовой станции. Управление и контроль за работой базовых и абонентских станций осуществляется ЦС, в памяти ЭВМ которой сосредоточены как статические, так и динамические данные о подвижных объектах и состоянии сети в целом. В отличие от централизованных в сотовых сетях подвижной связи радиосвязь базовой станции с абонентской станцией осуществляется в пределах малой рабочей зоны, что позволяет многократно использовать одни и те же частоты в зоне обслуживания. Число абонентов в ССС определяется пропускной способностью и числом БС, равным числу рабочих зон, которое возрастает по квадратическому закону с уменьшением радиуса рабочей зоны R при постоянном радиусе зоны обслуживания R0. Если десять лет назад радиус рабочей зоны в ССС был равен 5-15 км, то в настоящее время он равен 200 м. Так уменьшение радиуса рабочей зоны с 30 до 0,5 км позволит увеличить в 3600 раз число подвижных абонентов, оснащенных радиосвязью и имеющих возможность выхода на ТФОП. Следовательно, эффективность использования спектра радиочастот в ССС во много раз выше, чем в централизованных системах подвижной связи, что позволит в перспективе обеспечить управление большим числом наземных подвижных объектов. С уменьшением радиуса рабочей зоны появляется возможность уменьшить мощность передатчиков и чувствительность приемников, что значительно улучшит электромагнитную совместимость (ЭМС) абонентов в ССС и ЭМС между ССС и другими системами, использующими определенные спектры радиочастот, а также позволит снизить стоимость и габаритные размеры абонентской станции, обеспечить доступ к базам данных и ЭВМ. Отмеченные преимущества позволяют уже в настоящее время повысить оперативность управления и контроля в работе подведомственных предприятий и организаций, улучшить качество технологических процессов в системах с большим числом транспортных средств. Стремительный рост объемов передаваемой информации требует значительного сокращения времени доставки и обработки абонентом необходимой информации. Это одна из причин быстрого роста мобильных средств связи на базе ССС. Внедрение ССС означает появление принципиально нового вида связи - массовой радиотелесвязи, т.е. нового вида услуг. Уже сейчас абонентский терминал ССС - сотовый радиотелефон (СРТ) - признается многими зарубежными экспертами первичным терминалом, которым абонент пользуется как в стационарном состоянии (дома, на службе), так и в движении. Широкое внедрение портативных СРТ в перспективе позволит обеспечить каждого человека персональным телефоном со своим индивидуальным номером. Создание систем массовой радиотелесвязи с большим числом подвижных абонентов, большой пропускной способностью и высоким качеством приема сообщений возможно только при использовании сотового принципа построения системы связи. Этим и объясняется повышенный интерес к ССПС. Действующие в настоящее время зарубежные ССС по сравнению с централизованными сетями имеют следующие преимущества: - большое число абонентов; - высокое качество передачи телефонных сообщений и данных; - возможность связи с ЭВМ и базами данных; - высокая эффективность использования спектра радиочастот и лучшая электромагнитная совместимость с другими радиотехническими системами. Использование ССС широким кругом потребителей в отраслях транспорта, связи, энергетики, строительства, сферы обслуживания, ремонта и др. приносит существенный экономический эффект. По оценкам экспертов США ежегодные доходы от внедрения и эксплуатации ССС в США достигают 2 млрд. дол. Зарубежные эксперты отмечают возможность создания ССС без значительных начальных капитальных затрат. Сначала ССС создаются с крупными рабочими зонами (радиус зон порядка 10 км) и относительно небольшим числом абонентов. По мере поступления доходов и роста числа заявок на СРТ размеры зон уменьшаются и увеличивается число абонентов. При этом постоянно наращивается объем типового оборудования базовых станций, АТС и центральной станции за счет доходов от использования ССС действующими абонентами. Поэтому первоначальные капитальные затраты могут быть значительно меньше полных затрат, приходящихся на максимальное число абонентов. Общие сведения о системах радиосвязи с подвижными объектами (ПО). Классификация. По назначению системы связи с ПО могут быть разделены на: - ведомственные (специализированные) радиотелефонные системы; - радиотелефонные системы общего пользования. Созданные первыми, ведомственные системы применяются в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте и в строительстве, такси, скорой помощи, а также в различных аварийных службах. Эти системы предназначены для оперативного управления процессами производственной деятельности. Различают диспетчерские радиотелефонные системы, используемые для связи руководителя работ с абонентами ПО, а также для связи абонентов между собой и с радиосистемами передачи данных. Последние находят применение в автоматизированных системах управления производством, технологическими процессами и в таких системах, в которых от подвижного абонента (ПА) или к нему необходимо передавать с высокой скоростью большой объем информации. Однако в силу разобщенности ведомственных сетей, неэффективного использования ими спектра частот, ограниченности количества обслуживаемых подвижных абонентов, сложности унификации аппаратуры связи и управления, а также ряда других причин применение ведомственных систем носит ограниченный характер. Однако ведомственные системы радиосвязи с подвижными объектами несмотря на отмеченные недостатки могут просуществовать еще длительное время, что объясняется их практичностью и ориентацией на те условия и специфику работ, для которых они создавались и отрабатывались. Таким образом, становится актуальной задача преобразования и модификации этих систем в целях их объединения в единую сеть подвижной радиосвязи согласно концепции построения сети радиосвязи с подвижными объектами общего пользования. Одним из вариантов решения такой задачи может быть способ организации единого автоматизированного управления ведомственными и другими локальными системами радиоподвижной связи, объединяемыми в сеть радиосвязи с подвижными объектами общего пользования. Радиотелефонные системы общего пользования в настоящее время составляют основной вид связи с ПО. Они позволяют наиболее полно и эффективно использовать выделенный частотный спектр и, объединяя своих потребителей в одну группу, дают им возможность общего доступа к системе связи независимо от ведомственной принадлежности (по принципу городской телефонной сети). Указанное преимущество систем обеспечивает широкий комплекс услуг: автоматическое соединение абонентов между собой и с абонентами городской телефонной сети, а также других городов и государств с использованием междугородных и международных линий, передачу речи и данных, а в ближайшем будущем телексных и факсимильных сообщений, цветных графических изображений, информации из банков данных и т.п. Радиотелефонные системы общего пользования делятся на два вида: - системы с большими зонами обслуживания (БЗО - радиальные системы); - системы с малыми зонами обслуживания (МЗО - сотовые системы связи). Системы с большой зоной обслуживания основаны на использовании одной центральной радиостанции, обслуживающей зону большого радиуса (от 50 до 100 км). Мощность передатчика этой станции выбирается в зависимости от заданной напряженности поля на границах обслуживаемой территории и заключена в пределах от 100 до 250 Вт, а антенна располагается в наиболее высокой точке зоны обслуживания. Широкому внедрению таких систем препятствует ряд присущих им недостатков, прежде всего невозможность существенного увеличения количества обслуживаемых абонентов. Также, для систем БЗО необходимо: - исключать влияние мощных передатчиков на приемники центральных станций, так как на центральных станциях (УКВ-диапазон) они используются совместно; - исключать влияние мощных передатчиков центральных станций соседних зон на работу центральной станции данной зоны; - контролировать качество связи внутри каждой зоны для подвижных абонентов, находящихся на различных удалениях от центральной станции данной зоны; - тщательно планировать частотную обстановку в выделенном диапазоне; - обеспечивать равнодоступность каналов связи со стороны подвижных объектов. Тем более, увеличение числа каналов на ограниченной территории обслуживания вызывает необходимость соответствующего увеличения числа центральных станций (ЦС), работающих с достаточно большой мощностью. Это обстоятельство при наличии круговой диаграммы направленности антенны ЦС приводит к возможности возникновения взаимных помех для большинства радиостанций ПА, находящихся в зоне обслуживания. Кроме того, значительному увеличению числа каналов препятствует ограниченность выделяемого спектра радиочастот и невозможность повторного использования каналов в близлежащих районах из-за большой мощности передатчика. Другие недостатки связаны с многолучевостью распространения радиоволн при работе в городских условиях с плотной застройкой и наличием радиозатененных зон, что может вызвать значительные искажения сигналов и даже их пропадание на дальностях, близких к предельным. Отметим также возможность возникновения интермодуляционных помех из-за достаточно плотного расположения каналов. В связи с перечисленными причинами возникла необходимость интенсивных поисков и исследований в области разрабо

тки систем с большой эффективностью использования выделенного спектра и высокой пропускной способностью, которые были бы в состоянии обслуживать большое количество абонентов. Эти исследования начались на рубеже 60-70-х годов и привели к созданию территориальных систем с малыми зонами обслуживания, получивших название сотовых систем радиосвязи с подвижными объектами. Сотовые системы подвижной радиосвязи имеют принципиально новую структуру, основанную на сотовом построении и распределении частот,согласно которому зона обслуживания делится на большое число ячеек ("сот"), каждая из которых обслуживается отдельной радиостанцией небольшой мощности, находящейся в центре ячейки . Небольшая мощность передатчиков в системах МЗО и, соответственно, небольшой радиус их действия, допускает организацию повторения частот приема-передачи через 1 - 2 зоны. Это позволяет реализовать основное достоинство сотовой системы - обеспечение высококачественной радиосвязью большого количества ПА в условиях ограниченного частотного диапазона. К достоинствам систем МЗО также относятся: - применение сравнительно маломощных передатчиков в базовых станциях и, как следствие этого, экономия радиоспектра за счет динамического распределения частот выделенного диапазона между зонами обеспечения связи; - возможность гибкого эволюционного развития системы МЗО (за счет, например, увеличения или уменьшения числа зон обслуживания); К недостаткам систем МЗО относятся: - увеличение стоимости систем в целом за счет использования большого числа стационарных базовых станций; - необходимость применения аппаратуры непрерывного слежения за подвижными абонентами, т.к. распределение каналов связи меняется от зоны к зоне и поэтому возможны перерывы связи при пересечении подвижными абонентами границ сопряженных зон. По принципам реализации управления СРПО подразделяются на следующие группы: СРПО с ручным управлением, в которых реализуется ручная коммутация радиоканалов как между подвижными объектами, так и между подвижными и стационарными абонентами, ручная коррекция и визуальный контроль оператором режимов работ как абонентских радиопередающих станций (АРС), так и аппаратуры центральных (базовых) станций и т.д.; СРПО с автоматизированным управлением, в которых только часть операций выполняются человеком, а большая часть операций по обслуживанию подвижных объектов - посредством управляющих вычислительных средств (УВС) согласно заданным алгоритмам работы; СРПО с автоматическим управлением, в которых все основные операции установления связи и контроля за работой системы реализуются за счет организации систем автоматического управления - без участия человека-оператора. В последнее время наибольшее распространение получили СРПО, имеющие: - сотовую или квазисотовую структуры; - автоматизированное или автоматическое управление; - возможность входа в сеть общего пользования или сопряжения с другой СРПО; - возможность передачи цифровых сигналов управления и прямого и обратного преобразования информации (в том числе и речи) в цифровую форму и обратно. Внедрение в ССПР цифровых методов обработки информации в самом ближайшем будущем позволит получить абонентам целый ряд дополнительных услуг: доступ к международным базам данных, факсимильная связь, определение местоположения ПА с большой точностью, получение медицинских данных и т.д. Как уже отмечалось выше, ССПР характеризуются высокой эффективностью использования спектра. Наконец, они могут найти применение в качестве временного средства для полной или частичной замены в короткие сроки проводной телефонной связи в новых районах застройки и обеспечения связью абонентов, проживающих или временно находящихся в труднодоступных районах. Интенсивное использование ССПР за рубежом началось в начале 80-х годов. К 1985 г. ССПР наиболее широко эксплуатировалась в США, Японии, Скандинавских странах. В настоящее время осуществляется их внедрение в ФРГ, Великобритании, Франции и ряде других стран. Принципы построения сотовых систем. Разделить обслуживаемую территорию на микрозоны можно двумя способами: статистическим, основанным на измерении статистических параметров распространения сигналов в системах связи, или детерминированным, основанным на измерении или расчете параметров распространения сигнала для конкретного района. При статистическом способе вся обслуживаемая территория разделяется на одинаковые по форме зоны и с помощью статистических законов распространения радиоволн определяются их допустимые размеры и расстояния до других зон, в приделах которых выполняются условия допустимого взаимного влияния. Чтобы оптимально разделить территорию на микрозоны, т. е. без перекрытия или пропусков участков, могут быть использованы только три геометрические фигуры - треугольник, квадрат и шестиугольник.Наиболее подходящей фигурой является шестиугольник, так как если антенну устанавливать в его центре, то круговая форма диаграммы направленности будет покрывать почти всю его площадь. Радиостанции ПО , находящиеся в микрозонах, могут связаться ЦРС, находящейся в центре этой зоны (БС). Все микрозоны связаны соединительными линиями с главной радиостанчией ССПР. В качестве соединительных линий могут использоваться кабели, радиорелейные линии. Главная радиостанция (ЦС) соединяется с телефонной сетью. Таким образом, при связи абонента АТС с абонентом ПО сигнал вызова из телефонной сети попадает на ГСПС, от нее по соединительным линиям к одной из МЗЦС и затем по радиоканалу к абоненту ПО. Передатчик МЗЦС имеет сравнительно небольшую мощность, необходимую для связи с абонентами ПО в микрозоне, поэтому уровень создаваемых им помех значительно ниже. Это дает возможность использовать те же частоты и в других ячейках. Расстояние до этих ячеек, в которых могут быть использованы одни и теже рабочие частоты, зависят от условий распространения радиоволн, допустимого уровня помех и числа радиостанций, расположенных вокруг данной ячейки. Считается допустимым, чтобы в сотовой шестиугольной структуре частоты повторялись через две ячейки . Это означает, что, используя 7 рабочих каналов, можно перекрыть всю зону обслуживания. Если интенсивность нагрузки по всей зоне одинакова, то и размеры всех ячеек выбирают одинаковыми. Обычно распределение абонентов ПО по всей обслуживаемой территории неравномерно (уменьшается от центра к периферии), поэтому целесообразно так изменять ячейки, чтобы их размеры увеличивались к периферии. Это позволяет уменьшить стоимость ССПР в целом за счет уменьшения необходимого числа БС. Однако в этом случае мощности передатчиков центральных и подвижных радиостанций будут зависеть от размеров ячеек, поэтому целесообразно использовать автоматически регулируемую по сигналу корреспондента мощность передатчика. Кроме того, для территорий с зонами разного размера надо более тщательно определять те из них, в которых можно повторно использовать рабочие каналы. При статическом способе в большинстве случаев получаемый интервал между зонами, в которых используются одинаковые рабочие каналы, получается больше необходимого с точки зрения поддержания взаимных помех на допустимом уровне. Более оптимален детерминированный способ разделения на зоны. При нем тщательно измеряют или расчитывают параметры системы для определения минимального числа центральных станций, обеспечивающих удовлетворительное обслуживание абонентов по всей территории, учитывается рельеф местности для определения оптимального места расположения ЦРС, имеется возможность использовать направленные антенны, пассивные ретрансляторы и смежные центральные станции в момент пиковой ногрузки и т.д. Однако этот способ сложен и требует в ряде случаев моделирования с использованием ЭВМ. В сотовых системах необходимо определить, какую ЦРС подключить для связи с абонентом ПО, т. е. определить местоположение абонента ПО на территории обслуживания. При этом не требуется высокая точность определения местоположения подвижного объекта. Достаточно определить только микрозону в которой он находится. При входящей связи, т. е. от ЦС к абоненту ПО, сигнал вызова может передаваться либо по специальным вызывным, либо по свободным каналам, на которые радиостанции ПО настраиваются автоматически. Местоположение определяется по уровню сигнала, поступающего от радиостанции ПО на ближайшую БС. которая и включается для ведения переговоров с абонентами ПО. При переезде в зону действия другой БС радиостанция ПО автоматически переходит на канал новой БС. При этом постоянно должен обеспечиваться контроль за радиостанцией ПО, для чего в процессе ведения разговора с абонентом ПО на БС и далее в ЦС совместно с речью передаются контрольные сигналы. Существуют различные методы определения координат: наиболее распространенный из них трехсторонний дальномерный метод для оценки дальности импульсными или фазометрическими системами, а также триангуляционный метод для измерения азимута ПО по отношению к базовым станциям, принимаюшим сигнал его абонента. Есть также предложения по использованию метода электронного оповещения, при котором на границах зон устанавливаются электронные посты оповещения, предназначенные для передачи абоненту ПО информации о пересекаемой области. Эта информация запоминается радиостанцие ПО и может быть затем передана на ЦРС, принимающие заявку на обслуживание абонентов ПО. Однако такая система требует дополнительной аппаратуры, устанавливаемой на всей территории обслуживания. Следует отметить, что методы определения координат радиостанции ПО и алгоритмов выделения ЦРС еще требуют дополнительных исследований. После выделения одной из нескольких ЦРС для связи с абонентом ПО необходимо выделить рабочий канал. В простейших сотовых системах с относительно равномерной средней нагрузкой используется фиксированное распределение каналов, при котором за каждой зоной закрепляется один канал, а радиостанция ПО может переключаться на каналы всех зон автоматически по мере перехода из одной зоны в другую. В более сложных системах за каждой зоной может быть закреплена группа каналов (стволов); радиостанция ПО при работе в данной зоне автоматически выбирает канал, свободный в данный момент от связи. При переходе в другую зону она автоматически переключается на другую группу каналов и на поиск свободного канала в новой зоне. При фиксированном распределении каналов во время пиковой нагрузки, которая чаще всего возникает в центре обслуживаемой территории, центральные ячейки могут быть перегружены, а периферийные иметь свободные каналы, что приводит к неэффективному использованию спектра. В этом случае лучше применять динамическое распределение каналов, при котором любой канал может быть использован в любой микро-зоне обслуживания. В системе связи с динамическим распределением каналов обрабатывается большой объем информации. Для этого используется быстродействующая ЭВМ, в которой запоминается информация о состоянии каждого канала в каждой зоне обслуживания и изменение ее при изменении состояния системы. Абонент подвижного объекта, осуществляющий вызов, должен иметь свой адресный признак для определения состояния и для автоматизации расчета оплаты обслуживания. Центральную радиостанцию необходимо переключать с канала на канал по мере распределения каналов в пределах зоны обслуживания. При динамическом распределении увеличивается загруженность каналов и снижается интенсивность отказов по сравнению с системами, в которых используется фиксированное распределение каналов. Но управление системой усложняется. Каждая ЦРС должна работать на всех частотах системы. Радиостанция ПО может работать либо на одном, либо на группе равнодоступных каналов. Таким образом одноканальная радиостанция ПО может обеспечить связь на всей территории обслуживания (конечно, если канал не занят другой радиостанцией). При фиксированном распределении каналов радиостанция ПО должна работать на всех каналах системы, а каждая ЦРС должна иметь 1/7 от общего числа каналов. Одной из основных функций БС является обеспечение сопровождения между проводной частью ССПР и АС. В состав БС входят приемники, передатчики и блоки управления для связи с ЦС. С центральной станцией БС соединены группой разговорных каналов и несколькими каналами передачи данных. Передатчики БС и АС имеют небольшую мощность, необходимую для обеспечения связи в пределах ячейки, что дает возможность использовать одни и те же частоты в различных ячейках, разнесенных друг от друга на определенное защитное расстояние D . Повторное применение одних и тех же частот позволяет наиболее экономно использовать выделенный ресурс и обеспечивает высокую пропускную способность системы. В процессе движения ПО пересекают границы ячеек. При этом АС, установленные на ПО, по командам ЦС передаются от одной БС к другой, переключаясь на свободный частотный канал соседней ячейки. Автоматический поиск свободных каналов и установление соединения осуществляется без нарушения связи по командам ЭВМ, управляющей коммутационным оборудованием. Процедура автоматического перевода АС от одной БС к другой в процесс движения ПО получила название "эстафетной передачи". При перемещении ПО из одной ячейки в другую ЭВМ фиксирует полученные по радиоканалу управления данные о качестве сигнала, местоположения объекта и некоторые другие, с использованием специальной программы определяет соответствующий заданным требованиям свободный канал в той ячейке, куда переместился абонент. После этого ЦС посылает сигнал для автоматического переключения АС на этот канал. Помимо данной процедуры ЦС выполняет следующие функции: - управление и контроль за работой БС и АС; - установление соединений между абонентами и разъединение их по окончании разговора; - слежение за качеством передачи; - поиск ПО на территории обслуживания; - тарификация и др.