Сотовые технологии построения систем радиосвязи с подвижными объектами

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.    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 диагностика  состояния системы.

     По структуре ССПР  могут  быть построены по  радиальному  или радиально-узловому принципу или иметь распределенное управление. По радиальному  принципу строятся  ССПР с  небольшим количеством БС, такие, например, как TACS (Великобритания) и AMPS (США).  БС соединяются  непосредственно  с  ЦС,  которые,  в  свою очередь, подсоединены к телефонной сети общего пользования.

     Радиально-узловой принцип применяется  в случае, если  ССПР обслуживает  большую  территорию  со  значительным   количеством абонентов.  Такими  системами  являются  NTT  (Япония)  и MATS-E (Франция).  При этом  БС  соединяются со станциями управления, которые  проводными  линиями  связи  подключены  к  ЦС.  Станции управления  устанавливают   соединение,  осуществляют   контроль качества   принимаемой    информации,   производят    эстафетное переключение. Кроме того, они передают сведения о  произведенных операциях на ЦС. Последняя фиксирует полученную информацию и,  в случае необходимости, перекоммутирует АС в зону действия  другой ЦС.

     При  распределенном  управлении  ЦС  отсутствует, а  функции

управления осуществляют БС и АС.

     Существенным  является вопрос о частном планировании в ССПР. В соответствии  с  принятыми  принципами  каждой  БС выделяется определенный набор частотных каналов, который может повторяться. Как  уже  упоминалось,  БС,  на  которых  допускается  повторное использование выделенного набора частот, разделяются между собой защитным  интервалом.   Именно  возможность повторного  использования  одних  и  тех  же  частот  определяет высокую  эффективность  применения  частотного  спектра  в ССПР. Смежные  БС,  использующие  различные  наборы частотных каналов, образуют группу из С станций. Если каждой БС выделяется набор из каналов с шириной полосы Fк, то общая ширина полосы,  занимаемая ССПР, будет Fc = Fк m  C, где m - число каналов.  Таким образом, величина  С  определяет  минимально  возможное  число  каналов в системе,  поэтому  ее  часто  называют  "частотным   параметром" системы  (в  некоторых  источниках  -  "коэффициентом повторения частот").

     Число   активных   абонентов  во   всей  зоне   обслуживания определяется соотношением:

- R0 ¬2

N = L¦m   1,21¦¦ -- ¦¦m,

L R  -

- R0 ¬2

где  L   1,21¦¦ -- ¦    - число БС,

L R  -

     R0 - радиус  зоны обслуживания,

     R - радиус  ячейки.

     Применение    шестиугольной    формы    ячеек     позволяет минимизировать   необходимый   частотный   диапазон,   поскольку обеспечивает  оптимальное  соотношение   между  величиной  С   и защитным интервалом:

1  - D ¬2

С = ---¦¦---¦

3  L R -

     Кроме   того,   шестиугольная   форма   наилучшим   образом вписывается   в    круговую   диаграмму    направленности    БС, установленной в центре ячейки.

     Остановимся   более  подробно  на  вопросе  о выборе размеров ячеек (радиусе  R). Эти  размеры определяют  защитный интервал D между  ячейками, в  которых одни  и те  же частоты могут быть использованы повторно. Заметим, что величина интервала зависит   также   от   допустимого   уровня   помех   и  условий распространения  радиоволн.  В  предположении, что интенсивность нагрузки  в  пределах  всей  зоны  одинакова,  ячейки выбираются одинаковых  размеров.  Из  соотношения следует,  что   при заданном размере зоны обслуживания  (радиус R0) радиус ячейки  R определяет также число абонентов N, способных одновременно вести переговоры на всей территории обслуживания. Из этого соотношения также видно, что уменьшение  радиуса ячейки позволяет не  только повысить   частотную   эффективность   и   увеличить  пропускную способность  системы,  но  и  уменьшить  мощность передатчиков и чувствительность  приемников  БС  и  АС.  Это  улучшает  условия электромагнитной совместимости ССПР с другими  радиоэлектронными средствами и системами и снижает ее стоимость.

     С  другой  стороны,  чрезмерное  уменьшение  радиуса  ячеек приводит к значительному увеличению числа пересечений ПА  границ ячеек,  что  может  вызвать  перегрузку  устройств  управления и коммутации  системы.  Кроме  того,  возможно  увеличение   числа случаев  возникновения  взаимных  помех.  И,  наконец, при малых значениях R в  реальных условиях даже  незначительное отклонение положения  антенны  относительно  геометрического  центра ячейки может  вызвать  ощутимое  уменьшение  отношения  сигнал/помеха в системе. В связи с этим в реальных условиях при выборе  величины R приходится принимать компромиссное решение. Типовые значения радиусов выбираются  на основе  расчетов и  опыта эксплуатации и

составляют величину   0,5 -  2,5 км (в Лондоне и Стокгольме).  В перспективе в  особенности для  районов с  плотным трафиком  эта величина, как полагают, будет уменьшаться.

     Оценим,   для   примера,   возможное   количество  активных абонентов  ССПР   для  современного   города,   характеризуемого величиной  радиуса  зоны  обслуживания  R0  =  30 км при радиусе ячейки R = 1 км. Пусть число одновременно обслуживаемых одной БС активных  абонентов  равно  16.  Подсчеты по приведенной формуле дают  величину  N,  равную  17  тыс.  Если  принять разумную для практики величину  активности сети  (отношение числа  абонентов, ведущих  в каждый  данный  момент  времени переговоры, к общему количеству абонентов  в сети)  равной 0,1,  то общая  ее емкость составит  170  тыс.  абонентов.  В соответствии с исследованиями зарубежных  специалистов,  в  городах  с населением, превышающим 2 млн. чел., потребность в радиотелефонных средствах оценивается на уровне 2%  от населения (в  городах с меньшим  населением она составляет  1  -  1,5  %).  Таким образом, емкость рассмотренной сети   может  удовлетворить  потребность  города  с   населением порядка 8-9 млн. чел.

     В   реальных   условиях   распределение   ПА   в   пределах обслуживаемой территории может быть неравномерным. Как  правило, оно  уменьшается  от  центра  к  периферии.  При  этом  наиболее рационально выбирать величину R таким образом, чтобы ее  размеры увеличивались  от  центра  к  периферии.  Следует учитывать, что требуемая мощность передатчиков БС и ПА не остается  неизменной, а  определяется  размерами  ячеек.  В  этом  случае  рационально

применять автоматически регулируемую в зависимости от интенсивности сигнала корреспондента мощность передатчика.

     Исключительно  важным вопросом, определяющим в   значительной степени  основные  характеристики  ССПР,  является распределение частотных  каналов  между  БС.  Оно  позволяет обеспечить низкий уровень межканальных помех, оказывающих значительное влияние  на помехоустойчивость системы. Существуют три способа распределения частотных каналов: фиксированное, динамическое и гибридное.

     При   фиксированном  распределении   каждой  БС   выделяется определенный  набор   каналов.  АС   подвижных  абонентов    при нахождении их  в определенной  ячейке с  помощью ЦС  назначается свободный  в  данный  момент   времени  канал  из  набора.   При перемещении АС  в другую  ячейку с  помощью процедуры эстафетной передачи    осуществляется    переключение    данной    АС    на соответствующий свободный канал этой ячейки. Недостатком способа является   неэффективное   использование   частотного   спектра,

поскольку в  реальных условиях  центральные ячейки  города могут быть перегружены, а периферийные иметь свободные каналы.

     При динамическом  способе  любой из частотных   каналов может быть  использован  любой  БС.  При  этом  тем БС, на которых все каналы заняты, предоставляются на  время сеанса связи каналы  из других ячеек. Это осуществляется с помощью ЭВМ, в памяти которой хранится  информация   о  состоянии   каждого  канала   в   зоне обслуживания и всех его изменениях в процессе работы системы,  а также  о   местонахождении  ПА.   Таким образом,   динамическое распределение каналов позволяет увеличить загруженность  каналов и тем  самым повысить  эффективность их  использования и снизить

вероятность блокировки вызова в случае, когда все каналы  данной ячейки заняты. Однако нагрузки на устройства управления системой связи в этом случае возрастают.

     При гибридном   способе распределения  каждой  БС  выделяется фиксированный набор каналов, а  также определенное их число  для распределения  динамическим  способом.   Гибридный  способ   при больших нагрузках позволяет предъявлять менее жесткие требования к  управляющим  устройствам  по  сравнению  с  динамическим,   а в области малых  значений  нагрузки  имеет  преимущество   перед фиксированным, состоящее в  более низкой вероятности  блокировки вызова. Следует отметить, что наиболее существенное  достоинство динамического и гибридного распределений заключается в том,  что они   обеспечивают   выравнивание   нагрузки   на   канал.   При фиксированном распределении это осуществляется путем  увеличения числа каналов, предоставляемых БС в местах с плотным трафиком, а также уменьшением радиуса ячеек.

     Необходимость  многофункционального управления  в ССПР  имеет первостепенное  значение  для  реализации  возможности  наиболее эффективного   использования   выделенной   полосы  радиочастот. Многократное  использование  частот  затрудняется из-за сильного изменения уровня  сигнала по  мере движения  АС в  пределах зоны обслуживания,   обусловленного   многолучевым   распространением сигнала, а также экранирующим и поглощающим воздействием местных объектов.  Управление  необходимо  осуществлять  таким  образом, чтобы  в  сильно  меняющихся  условиях прохождения радиосигналов непрерывно осуществлялась надежная  связь. Как отмечалось  выше, с  этой  целью  ЦС  осуществляет  функции  управления эстафетной передачей  АС  по  мере  пересечения  ПА границ ячеек и снижения качества сигнала ниже установленного заранее порогового  уровня.

Для  оценки  качества  сигнала  по разговорному каналу постоянно передается пилот-сигнал и  измеряется соотношение сигнал/шум  по мощности  или   сигнал/помеха          с  помощью    специальных измерительных  приемников.  При  уменьшении  величины         до значений  ниже  порогового  уровня,  что  может  обусловливаться выходом АС  из зоны  действия БС,  замираниями сигнала,  а также рядом других причин, ЦС  выбирает зону с максимальной  величиной и  переключает   АС  на  новый  канал  (осуществляет  эстафетную

передачу).

     Для   реализации  процедуры  управления  и  обмена служебной информацией  между  БС  и  АС  на  группу  разговорных   каналов выделяется специальный канал  управления. В свободном  режиме АС постоянно   настроена   на    частоту   этого   канала.    Обмен соответствующей  информацией  в  звене  БС-ЦС  производится   по специальному  проводному  каналу,  также  выделенному  на группу разговорных каналов.

     Характерной     особенностью      процесса      коммутации, осуществляемой  в  ССПР,  является  то,  что абонент находится в движении и может оказаться в зоне обслуживания любой БС. В связи с этим для установления  соединения с находящейся в  движении АС необходимо иметь информацию о местонахождении абонента. При этом согласно  рекомендациям  МККТТ  на  1985-1988  гг. координаты АС должны  определяться с точностью до  зоны или группы зон. Эта процедура   должна   осуществляться    таким   образом,    чтобы обеспечивалось своевременное обновление данных о  местоположении АС  и  был  максимально  облегчен  поиск  АС  при изменении зоны обслуживания. Результаты регистрации местоположения АС  хранятся в специальном регистре для записи местоположения.