Организация управления в сотовых сетях связи

Журнал "Радио", номер 1, 1999г.
Автор: В.Нейман, профессор, г.Москва

    Три поколения систем сотовой связи

    В последние два десятилетия во всем мире наблюдается интенсивное развитие систем подвижной связи, которые не только весьма удобны, но во многих случаях стали просто незаменимым видом услуг. Весьма широкое использование получили сотовые системы радиосвязи, создание которых стало крупным научно-техническим достижением 80-90-х годов. Для работы этих систем требуется ограниченный спектр радиочастот, благодаря пространственному разнесению приемопередатчиков с совпадающими рабочими частотами. Первые такие системы подвижной связи общего пользования появились за рубежом в конце 70-х годов, и с тех пор рост спроса на них значительно опережает рост спроса на другие услуги связи. К середине 80-х годов аналоговые системы сотовой связи, ставшие первым поколением таких систем, получили достаточно широкое распространение в ряде стран. Однако анализ серьезных недостатков, присущих аналоговым системам (в частности, несовместимость различных стандартов, недостаточно высокое качество связи и ее зависимость от удаления подвижного абонента от базовой станции, сложности с засекречиванием передаваемых сообщений и ряд других), в конце 80-х годов показал, что преодолеть их возможно только на основе цифровой техники. Цифровые сотовые сети стали вторым поколением таких подвижных систем связи.

    Переход на технику второго поколения позволил использовать ряд новых эффективных решений, в том числе более эффективные модели повторного использования частот, временное разделение каналов между собой и разделение во времени процессов передачи и приема при дуплексной связи, эффективные методы борьбы с замираниями и искажениями сигналов, эффективные низкоскоростные речевые кодеки с шифрованием передаваемых сообщений для ведения засекреченной передачи, интеграцию услуг телефонной связи с передачей данных и другими услугами подвижной связи, более эффективные методы модуляции.

    Но главная особенность цифровой техники - программное управление многими процессами, включая формирование логических каналов (чему будет посвящена специальная статья), переключение подвижного абонента между сотами, современные протоколы связи на основе эталонной модели Взаимосвязи открытых систем Международной организации по стандартизации (МОС ВОС), управление с помощью интеллектуальной сети.

    Эти преимущества определили дальнейшее развитие сотовых систем в 90-х годах на основе цифровой техники.

    Из трех распространенных стандартов на цифровые системы - европейского (GSM), американского (ADS) и японского (JDS) - в нашей стране принят за основу стандарт GSM.

    Для работы сотовых систем общего пользования в России были выделены частотные диапазоны: 450 МГц - для аналоговой системы NMT-450i и диапазон 900 МГц - для систем GSM. Эти две системы стандартов NMT-450i и GSM-900 получили в России статус федеральных. Дальнейшее развитие сотовых систем связано как с освоением для системы GSM диапазона 1800 МГц, так и с переходом к третьему поколению сотовых систем, которые позволяют более гибко решать задачи предоставления каналов подвижным абонентам (в том числе с разными скоростями передачи) за счет широкополосных систем передачи и кодового разделения каналов (технология СDMA).

    В системах первого и второго поколений (с частотным и временным разделением каналов) качество связи определяется качеством предоставляемых каналов и нагрузкой, которая ограничивается пучком наличных каналов (если все они заняты, абонент получает отказ). В системе же с кодовым разделением ограничение накладывается на помехи. Хотя здесь и имеет место ограниченное число кодов, а также фиксированное количество аппаратных средств формирования каналов, до этих ограничений дело обычно не доходит. Фактическое ограничение пропускной способности возникает из-за того, что все соединения, одновременно использующие весь выделенный спектр частот, могут создавать взаимные помехи. В результате достигается "мягкое" управление пропускной способностью в том смысле, что рост числа пользователей (сверх определенного предела) сопровождается плавным ухудшением качества связи.

    Современный подвижный радиотелефон - очень сложный и совершенный прибор, в котором реализованы новейшие научно-технические достижения. Ниже в качестве примера рассматривается управление в системе GSM, которая отличается высоким совершенством и ориентирована на перспективу создания универсальной персональной связи.

    Элементы сотовой системы связи

    Важнейшими элементами системы сотовой связи являются подвижный аппарат (ПА), базовая станция (БС), обслуживающая соту (или ячейку) сотовой связи, контроллер базовой станции (КБС), обслуживающий обычно группу базовых станций, узел коммутации подвижной связи (УКПС), регистр местных подвижных абонентов (РМА), регистр подвижных абонентов - "гостей" (РГА), регистр идентификации оборудования (РИД) и центр проверки правомочности абонента, или аутентификации (ЦА). Наряду с перечисленными крупными элементами, в ряд элементов должна быть поставлена также пластиковая абонентская микроэлектронная телекарточка - модуль идентификации абонента (МИА), по которому производятся проверка правомочности абонента и тарификация, т. е. начисление платы за услугу связи. В отличие от стационарных телефонов, за пользование которыми плата взимается в зависимости от нагрузки, поступающей по фиксированной абонентской линии, плата за пользование подвижной связью взимается не с используемого телефонного аппарата, а с МИА, который можно вставить в любой аппарат. Естественно, при применении МИА должны быть предусмотрены средства защиты от несанкционированного пользования.

    Максимальная мощность излучения подвижного аппарата в зависимости от его назначения (автомобильный постоянный или переносный, носимый или карманный) может изменяться в пределах от 20 до 0,8 Вт (соответственно от 43 до 29 дБм). В качестве примера в таблице приводятся классы станций и абонентских устройств по применяемой мощности, принятые в системе GSM-900. Указание мощности в децибелах более удобно для расчета бюджета радиолинии, когда значения усиления и затухания в различных звеньях тракта передачи просто суммируются с соответствующими знаками. Как и финансовый бюджет, бюджет радиолинии определяет достаточность выделяемых средств для решения поставленной задачи, в данном случае для получения требуемого качества связи. При анализе такого бюджета необходимо учитывать как факторы, добавляющие децибелы (например, мощность передатчика, коэффициент усиления антенны), так и факторы, уменьшающие децибелы (например, замирания). Обычно приемник требует определенного уровня сигнала в децибелах плюс некоторый запас на замирания, обеспечивающий гарантированное качество связи. В отличие от аналоговых систем, в которых качество связи характеризуется влиянием внутренних и внешних помех, при рассмотрении цифровых каналов все виды помех сводятся к единственному их проявлению - появлению ошибок в отдельных передаваемых символах. Поэтому качество цифровых каналов передачи характеризуется просто частотой ошибок.

Классы станций и абонентских устройств по применяемой мощности, принятые в системе GSM Класс Абонентский аппарат Базовая станция 1 20 Вт (43 дБм) 320 Вт (55 дБм) 3 5 Вт (47 дБм) 80 Вт (49 дБм) 4 2 Вт (33 дБм) 40 Вт (46 дБм) 5 0,8 Вт (29 дБм) 20 Вт (43 дБм) 6 - 10 Вт (40 дБм) 7 - 5 Вт (37 дБм) 8 - 2,5 Вт (34 дБм)

    Системы подвижной радиосвязи строятся по схеме "точка - многоточие", поскольку абонент может находиться в любой точке соты, контролируемой базовой станцией. В простейшем случае круговой передачи мощность радиосигнала в свободном пространстве теоретически уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Однако на практике сигнал затухает гораздо быстрее, в лучшем случае пропорционально кубу расстояния, поскольку энергия сигнала может поглощаться или уменьшаться на различных физических препятствиях, причем характер таких процессов сильно зависит от частоты передачи. Например, передача на частоте 1 ГГц почти не зависит от осадков или влияния атмосферы, а при частоте 10 ГГц эта зависимость может оказаться достаточно сильной. Частоты же от 30 ГГц и выше практически непригодны для наружного применения. С другой стороны, чем ниже частота, тем меньше затухание и меньше требуемая мощность передачи. Достаточно вспомнить, что во многих странах для телевизионной передачи в диапазоне 50...90 МГц мощность передатчика ограничивается значением 100 кВт, тогда как в диапазоне 500...800 МГц можно встретить телевизионные передатчики до 5000 кВт. Из этого, однако, не следует, что и у передатчиков сотовой связи мощность повышается с увеличением частоты. Наоборот, в версии системы GSM, работающей в диапазоне 1800 МГц, которая получила название DCS-1800, мощности передачи на порядок ниже, чем в системе GSМ-900. По сравнению с данными табл. 1 мощность абонентского аппарата системы DCS-1800 находится в пределах от 1 Вт (вместо 8 Вт в GSM-900, класс 2) до 0,25 Вт (класс 5), а мощность базовой станции от 20 Вт (класс 1) до 2,5 Вт (класс 4). Это объясняется размером сот. Система GSM-900 рассчитана на соты радиусом в несколько десятков километров (приблизительно до 35 км), а система DCS-1900 - на соты радиусом в несколько километров. Таким образом, при уменьшении мощности на порядок охватываемая площадь соты уменьшается на два порядка.

    Условия распространения сигналов

    Важнейшими причинами повышенного затухания сигналов являются теневые зоны, создаваемые зданиями или естественными возвышенностями на местности. Исследования условий применения подвижной радиосвязи в городах показали, что даже на очень близких расстояниях теневые зоны дают затухание до 20 дБ. Другой важной причиной затухания является листва деревьев. Исследования на частоте 836 МГц, проведенные в американском штате Нью-Джерси, показали, что в летнее время, когда деревья покрыты листвой, уровень принимаемого сигнала оказывается приблизительно на 10 дБ ниже, чем в том же месте зимой, при отсутствии листьев. Замирания сигналов от теневых зон иногда называют медленными (с точки зрения условий их приема в движущемся автомобиле при проезде через такие зоны).

    Важное явление, которое приходится учитывать при создании сотовых систем подвижной радиосвязи, - отражение радиоволн и, как следствие, их многолучевое распространение. С одной стороны, это явление полезно, так как оно позволяет радиоволнам огибать препятствия и распространяться за зданиями, в подземных гаражах и тоннелях. Но, с другой стороны, многолучевое распространение порождает такие трудные для радиосвязи проблемы, как растягивание задержки сигнала, релеевские замирания и усугубление эффекта Доплера. Растягивание задержки сигнала получается из-за того, что сигнал, проходящий по нескольким независимым путям разной протяженности, принимается несколько раз. Поэтому один и тот же импульс повторяется, может выйти за пределы отведенного для него интервала времени и исказить следующий символ. Искажения, возникающие за счет растянутой задержки, называются межсимвольной интерференцией. При небольших расстояниях растянутая задержка не опасна, но если некоторую соту окружают горы, задержка может растянуться на многие микросекунды. Например, в г. СолтЛейк-Сити (штат Юта, США), который окружен горами, наблюдали растянутую задержку до 50...100 мкс.

    Релеевские замирания, названные по имени английского физика Дж. У. Рейли (1842 - 1919), изучавшего это явление, вызываются случайными фазами, с которыми поступают отраженные сигналы. Если, например, прямой и отраженный сигналы принимаются в противофазе (со сдвигом фазы на 180 °C), суммарный сигнал может быть ослаблен почти до нуля. Релеевские замирания для данного передатчика и заданной частоты напоминают дырочки в швейцарском сыре, имеющие разную глубину и распределенные случайным образом. В этом случае при стационарном приемнике избежать замираний можно, просто переставив антенну. При движении же транспортного средства такие "дырочки" проходятся ежесекундно тысячами, отчего происходящие при этом замирания называются быстрыми.

    Эффект Доплера, названный по имени австрийского физика К. И. Доплера (1803 - 1853), проявляется при движении приемника относительно передатчика и состоит в изменении частоты принимаемого колебания. Подобно тому, как тона шума движущегося поезда или автомобиля кажется неподвижному наблюдателю несколько выше при приближении транспортного средства и несколько ниже при его удалении, частота радиопередачи смещается при движении приемопередатчика. Более того, при многолучевом распространении сигнала отдельные лучи могут давать смещение частоты в ту или другую сторону одновременно. В результате, за счет эффекта Доплера, получается случайная частотная модуляция передаваемого сигнала наподобие тому, как за счет релеевских замираний происходит случайная амплитудная модуляция. Например, при движении автомобиля со скоростью 30 км/час и частоте передатчика 90 МГц среднее доплеровское смещение составляет около 30 Гц, чего вполне достаточно для искажения звука. Таким образом, в целом многолучевое распространение создает большие трудности в организации сотовой связи, в особенности для подвижных абонентов, что связано с медленными и быстрыми замираниями амплитуды сигнала в движущемся приемнике. Преодолеть эти трудности удалось с помощью цифровой техники, которая позволила создать важные новые методы кодирования, модуляции и выравнивания характеристик каналов.

    Режим работы сотовой связи






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2019 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.