Сотовая Связь

В 1970-е годы был  предложен новый принцип организации  связи, который позволил увеличить количество абонентов и повысить качество связи. Было предложено разбивать обслуживаемую территорию на небольшие участки, называемые сотами.

1.3.1 Классификация  систем мобильной связи

Связь — одна из наиболее динамично развивающихся  отраслей инфраструктуры современного общества, органично связанная с его эволюцией во всемирном масштабе — от «индустриального» к «информационному». Этому способствуют постоянный рост потребительского спроса на услуги связи и информацию, а также достижения научно-технического прогресса в области электроники, волоконной оптики и вычислительной техники. Анализ тенденций и мирового опыта развития электросвязи, а также результаты исследований, выполненных органами Международного союза электросвязи (МСЭ), показывают, что на рубеже XX—XXI веков человечество вплотную подошло к реализации так называемых предельных задач в области развития телекоммуникаций — глобальных персональных систем связи. Глобальность связи обеспечивается созданием Всемирной сети связи, в которую интегрируются национальные (федеральные) и входящие в них региональные и ведомственные сети связи, что позволит абоненту пользоваться различными услугами связи в любой точке земного шара. При осуществлении персональной связи любой абонент сможет пользоваться услугами электросвязи по своему личному номеру, который он получите момента рождения и который будет зарегистрирован во Всемирной сети связи. В активно разрабатываемой МСЭ концепции универсальной персональной связи исключительно большое место отводится сетям подвижной связи. Прежде всего, это наземные сети подвижной связи, получившие в последние десятилетия широкое распространение во всем мире.

В настоящее  время во многих странах ведется  интенсивное внедрение систем персонального  радиовызова, сотовых сетей подвижной  связи и систем спутниковой связи. Такие сети предназначены для передачи данных и обеспечения подвижных и стационарных объектов телефонной связью. Подвижными объектами являются либо наземные транспортные средства, либо непосредственно человек, имеющий портативную абонентскую станцию (пользовательский терминал). Передача данных подвижному абоненту резко расширяет его возможности, поскольку, кроме телефонных, он может принимать телексные и факсимильные сообщения, различного рода графическую (планы местности, графики движения и т. п.), медицинскую информацию и многое другое. Особое значение эти системы приобретают в связи с активным внедрением во все сферы человеческой деятельности персональных компьютеров, разнообразных баз данных, компьютерных государственных и коммерческих сетей.

Увеличение объема информации потребует сокращения времени  ее передачи и получения. Именно поэтому  уже сейчас наблюдается устойчивый рост производства мобильных средств связи (пейджеров, автомобильных и портативных сотовых радиотелефонов, спутниковых пользовательских терминалов), которые дают возможность сотруднику той или иной службы вне рабочего места получать необходимую информацию и оперативно решать возникающие вопросы.

Развитие сетей  наземной подвижной радиосвязи на территории России на протяжении последних трехдесятков лет диктовалось необходимостью организации оперативной связи в основном для высших органов государственной власти и управления. Переход к новым экономическим условиям, стимулирующим развитие деловой активности и предпринимательства, значительно повысил спрос на услуги мобильной радиосвязи общего пользования. Можно выделить несколько групп пользователей, предъявляющих свои требования к услугам мобильной связи:

- Первая группа  — это небольшое число пользователей  сотовых и спутниковых систем связи, для которых характерны высокий уровень платежеспособности и привычка пользоваться телефоном как повседневным инструментом руководства (администрация, руководители высшего звена, предприниматели). Их обязательные требования: дуплексная связь и интеграция в городскую и междугородную телефонные сети.

- Вторая группа  — это руководители среднего  звена, обеспеченные мобильными средствами связи, само наличие которых, как и марка автомобилей на предприятии или фирме, свидетельствует об их стабильном финансовом положении и высокой деловой активности. Они имеют дело и с руководителями более высокого ранга, и с исполнителями.

- Третья группа  — это та категория граждан,  которым необходима, прежде всего, возможность передачи и получения оперативной информации для выполнения заданий руководителей (сотрудники органов охраны общественного порядка и скорой помощи, аварийных служб и предприятий, рабочие промышленности, транспорта, строители, энергетики).

- Четвертая группа  — это все те, кто привык  пользоваться телефоном как средством общения. С каждым годом эта группа становится все более многочисленной. Это происходит потому, что операторы, предоставляющие услуги мобильной связи, постепенно снижают тарифы на пользование своими услугами, с одной стороны, а с другой стороны, постоянно дорожают услуги обычной телефонной связи. Все это приводит к тому, что средствами мобильной связи начинают пользоваться самые разные слои населения.

Преимущества  систем мобильной связи состоят  в следующем:

- Мобильная связь  освобождает абонента от необходимости  присутствовать в строго определенном  месте при проведении сеанса  связи (по проводным телефонным линиям, с таксофонов и т. п.), что позволяет ему получать услуги связи в любой точке в пределах зон действия наземных или спутниковых сетей.

- Благодаря прогрессу  в технологии производства средств связи созданы малогабаритные универсальные абонентские терминалы (типа телефонной трубки), сопряженные с персональным микрокомпьютером и имеющие интерфейсы для подключения к сетям подвижной связи всех действующих стандартов.

Сети подвижной  связи созданы с целью максимального  удовлетворения потребностей их абонентов в услугах связи. Они должны обеспечивать связь на современном мировом уровне с возможностью выхода в телефонную сеть общего пользования. Радиотелефон и пейджер перестали быть символом престижа и стали рабочим инструментом, позволяющим более эффективно использовать рабочее время, оперативно управлять производством и постоянно контролировать ход технологических, экономических и других процессов.

Используемые  системы радиосвязи с подвижными объектами можно разделить на следующие классы:

- Профессиональные  системы подвижной связи

- Системы персонального  радиовызова

- Сотовые системы  подвижной связи

- Спутниковые  системы связи

1.3.2 Деление обслуживаемой  территории на соты

Разделить обслуживаемую  территорию на соты можно двумя способами: 1) основанным на измерении статистических характеристик распространения сигналов в системах связи, 2) основанным на измерении или расчете параметров распространения сигнала для конкретного района.

При реализации первого способа всю обслуживаемую  территорию делят на одинаковые по форме соты, а затем с помощью закона статистической радиофизики определяют их размеры и расстояния до других зон, в пределах которых выполняются условия допустимого взаимного влияния.

Для оптимального (т. е. без перекрытия или пропусков  участков) разделения территории на соты могут быть использованы только три  геометрические фигуры: треугольник, квадрат и шестиугольник. Наиболее подходящей фигурой является шестиугольник, так как если антенну с круговой диаграммой направленности установить в его центре, то будет обеспечен доступ почти ко всей соте.

При использовании  первого способа интервал между  сотами, в которых используются одинаковые рабочие каналы, обычно получается больше требуемого для обеспечения допустимого уровня взаимных помех.

Более приемлем второй способ разделения на зоны обслуживания. В этом случае тщательно измеряют или рассчитывают параметры системы для определения минимального количества базовых станций, обеспечивающих удовлетворительное обслуживание абонентов на всей территории, определяют оптимальное место расположения базовой станции с учетом рельефа местности, возможность использования направленных антенн, пассивных ретрансляторов и смежных центральных станций в момент пиковой нагрузки и т. д.

1.3.3 Повторное  использование частот

Каждая из сот  обслуживается своим передатчиком с невысокой выходной мощностью и ограниченным количеством каналов связи. Это позволяет без помех повторно использовать частоты каналов этого передатчика в другой, удаленной на значительное расстояние, соте. Теоретически такие передатчики можно использовать и в соседних сотах. Но на практике зоны обслуживания могут перекрываться под действием различных факторов, например, вследствие изменения условий распространения радиоволн. Поэтому в соседних сотах используются различные частоты. Пример построения сот при использовании трех частот представлен на рис. 2.4.

Группа сот  с различными наборами частот называется кластером. Определяющим параметром кластера является размерность — количество используемых в соседних сотах частот. Размерность кластера, приведенного на рис. 2.4, равна трем. На практике это значение может достигать пятнадцати. F1, F2, F3-частоты базовых станций.

Основной идеей, на которой базируется принцип сотовой  связи, является повторное использование частот в несмежных сотах. Первым способом организации повторного использования частот, который применялся в аналоговых системах 1-го поколения, был способ, использующий антенны базовых станций с круговыми диаграммами направленности. Он предполагает передачу сигнала одинаковой мощности по всем направлениям, что для абонентских станций эквивалентно приему помех от всех базовых станций со всех направлений.

Базовые станции, на которых допускается повторное  использование выделенного набора частот, удалены друг от друга на расстояние D, называемое защитным интервалом. Именно возможность повторного применения одних и тех же частот определяет высокую эффективность использования частотного спектра в сотовых системах связи.

Смежные базовые  станции, использующие различные частотные  каналы, образуют группу из станций. Если каждой базовой станции выделяется набор из m каналов с шириной полосы F_K каждого, то общая ширина полосы F , занимаемая данной системой сотовой связи, составит F_c = F_K m С.

Таким образом, величина С определяет минимально возможное количество каналов в системе, и поэтому ее называют частотным параметром системы или коэффициентом повторения частот. Коэффициент Сне зависит от количества используемых каналов и увеличивается по мере уменьшения радиуса ячейки. Таким образом, при использовании сот меньших размеров можно увеличить повторяемость частот.

Применение шестиугольных  сот позволяет минимизировать ширину используемой полосы частот, поскольку такая форма обеспечивает оптимальное соотношение между значениями Си D. Кроме того, шестиугольная форма наилучшим образом вписывается в круговую диаграмму направленности антенны базовой станции, установленной в центре соты.

Остановимся более  подробно на вопросе выбора размера R соты. Этот размер определяет защитный интервал D между сотами, в которых  одни и те же частоты могут быть использованы повторно. Заметим, что  значение защитного интервала Д кроме уже перечисленных факторов, зависит также от допустимого уровня помех и условий распространения радиоволн. Поскольку интенсивность вызовов в пределах всей зоны обслуживания примерно одинакова, то соты выбираются одного размера. Размер R определяет также количество абонентов N, способных одновременно вести переговоры на всей территории обслуживания. Следовательно, уменьшение этого размера позволяет не только повысить эффективность использования выделенной полосы частот и увеличить абонентскую емкость системы, но и уменьшить мощность передатчиков и чувствительность приемников базовых и подвижных станций. Это, в свою очередь, улучшает условия электромагнитной совместимости средств сотовой связи с другими радиоэлектронными средствами и системами.

Эффективным способом снижения уровня помех может быть использование секторных антенн с узкими диаграммами направленности. В секторе такой узконаправленной антенны сигнал излучается преимущественно в одну сторону, а уровень излучения в противоположном направлении сокращается до минимума. Деление сот на секторы позволяет чаще применять частоты в сотах повторно. Общеизвестный способ повторного использования частот в организованных таким образом сотах основан на применении 3-секторных антенн для каждой базовой станции и трех соседних базовых станций с формированием ими девяти групп частот (рис. 2.6). В этом случае используются антенны с шириной диаграммы направленности 120°.