Функциональная схема системы сотовой связи

Система мобильной связи строится в виде совокупности ячеек (сот), покрывающих обслуживаемую территорию. Ячейки обычно схематиче­ски изображают в виде правильных шестиугольников. В центре каждой ячейки находится базовая станция (БС), обслуживающая все мобильные станции (МС) в пределах своей ячейки. При перемещении абонента меж­ду ячейками системы происходит передача обслуживания от одной БС к другой – эстафетная передача(handover). Все БС соединены с центром коммутации (ЦК) мобильной связи по выделенным проводным или ра­диорелейным каналам связи. При больших размерах ССМС в ней могут создаваться несколько центров коммута­ции. С центра коммутации имеется выход на телефонную сеть общего пользования (ТфОП), через которую осуществляется взаимодействие систем мобильной связи, также выход к сетям PDN и ISDN. При перемещении абонента на территорию дру­гой системы мобильной связи осуществляется передача его обслужива­ния от одной CСMC к другой CСMC – роуминг(roaming). На рисунке 2.1 приведена упрощенная функциональная схема системы мобильной связи.

Рисунок 2.1 Функциональная схема системы мобильной связи

Принципы построения цифровых ССМС позволили применить при организации сотовых сетей новые более эффективные модели повторного использования частот в несмежных сотах, чем в аналоговых сетях. В результате без увеличения общей полосы частот системы связи значительно возросло число каналов на соту. Это в первую очередь относится к стандарту GSM. Вид модуляции, способы кодирования и формирования сигналов в каналах связи, принятые в GSM, обеспечивают прием сигналов с отношением сигнал/помеха C/I=9 дБ, в то время как в аналоговых системах тот же показатель равен 17-18 дБ. Поэтому передатчики базовых станций, работающие на совпадающих частотах, могут размещаться в более близко расположенных сотах без потери высокого качества приема сообщений. Именно возможность повторного применения одних и тех же частот определяют высокую эффективность использования частотного спектра в сотовых системах связи.

Группа сот с различным набором частот называется кластером. Определяющим параметром кластера является размерность – количество используемых в соседних сотах частот. Базовые станции, на которых допускается повторное использование выделенного набора частот, удалены друг от друга на расстояние D, называемое защитным интервалом.

Смежные базовые станции, использующие различные частотные каналы, образуют группу из B станций. Если каждой базовой станции выделяется набор из N каналов с шириной полосы F_К каждого, то общая ширина полосы F_C, занимаемая данной системой сотовой связи составит

(1.1)

Таким образом, величина B определяет минимально возможное количество каналов в системе, и поэтому ее называют частотным параметром системы или коэффициентом повторения частот. Коэффициент B не зависит от количества используемых каналов и увеличивается по мере уменьшения радиуса ячейки. Таким образом, при использовании сот меньших размеров можно увеличить повторяемость частот. Наилучшее соотношение между B и D обеспечивается в шестиугольной соте.

Число каналов в соте (число абонентов) определяетс выражением

(1.2)

Размер соты R (радиус ячейки, т. е. радиус окружности, описанной около правильного шестиугольника) определяет защитный интервал D между сотами, в которых одни и те же частоты могут быть использованы повторно. Значение D зависит также от допустимого уровня помех и условий распространения радиоволн. В общем случае расстояние D между центрами ячеек связано с числом ячеек в кластере соотношением

(1.3)

(1.4)

Параметр

(1.5)

называется коэффициентом уменьшения соканальных помех или коэффициентом соканального повторения.

Поскольку интенсивность вызовов в пределах всей зоны обслуживания примерно одинакова, то соты выбираются одного размера. Размер R определяет также количество абонентов N, способных вести переговоры на всей территории обслуживания. Следовательно, уменьшение этого размера позволит не только повысить эффективность использования выделенной полосы частот и увеличить абонентскую емкость системы, но и уменьшить мощность передатчика и чувствительность приемников БС и ПС. Размерность кластера, приведенного на рисунке 2.2 равна семи.

(R – размер соты; D – защитный интервал)

Рисунок 2.2 Модель повторного использования частот для семи сот

Эффективным способом снижения уровня соканальных помех может быть использование секторных антенн. В секторе направленной антенны сигнал излучается в одну сторону, а уровень излучения в противоположном направлении сокращается до минимума. Секторизация сот позволяет более часто повторно применять частоты в сотах.

Самую высокую эффективность использования полосы частот, то есть наибольшее число абонентов сети в выделенной полосе частот, обеспечивает разработанная фирмой Motorola (США) модель повторного использования частот, включающая четыре БС – смотри рисунок 2.3.

Рисунок 2.3 Секторизация сот с формированием 12-ти групп частот

Каждая частота используется дважды в пределах модели, состоящей из четырех БС (или кластер состоит из четырех сот). Благодаря этому, каждая из четырех БС в пределах действия шести 60-градусных антенн может работать на 12-ти группах частот. Например, в сети GSM c общей полосой 7,2 МГц (36 частот), модель повторного использования частот с двумя базовыми станциями позволяет на одной БС одновременно применять 18 частот. В настоящее время развивается новое направление в подвижной связи, основанное на использовании интеллектуальных антенных систем, автоматически перестраивающих свои диаграммы направленности на источник излучения сигнала.

Следующий шаг развития сотовых систем подвижной связи после введения цифровой технологии – переход к микросотовой структуре сетей – смотри рисунок 2.4.

Рисунок 2.4 Микросотовая структура внутри макросотовой системы

При радиусе сот несколько километров их емкость может быть увеличена в 5-10 раз по сравнению с макросотами. Кроме того, возможно применение абонентских радиостанций существующих стандартов цифровых ССМС наряду с портативными маломощными абонентскими радиостанциями, служащими основой для создания систем персональной связи (PCS).

Микросотовая структура СМС органически сочетается с макросотами. Микросоты строятся на основе БС небольшой мощности, Обслуживающих участки улиц, помещения в зданиях, микросотовая структура может рассматриваться как развитие оборудования макросотовой БС, с управлением одним контроллером и взаимным соединением при помощи линий со скоростью передачи 64 кбит/с. Микросоты берут на себя нагрузку от медленно перемещающихся абонентов, например, пешеходов и неподвижных автомобилей.

Принципы построения создаваемых микросотовых сетей подвижной связи отличаются от существующих для макросотовых сетей. К таким отличиям относится отсутствие частотного планирования и «эстафетная передача» (handover).

Первое отличие связано с тем, что в условиях микросот трудно спрогнозировать условия распространения радиоволн и дать оценку уровня соканальных помех. Поэтому практически невозможно применить принципы частотного планирования в микросотах. Фиксированное распределение каналов приводит к низкой эффективности использования спектра частот. По данным причинам в микросотовых сетях связи действует процедура автоматического адаптивного распределения каналов (АРК) связи. Аналогичным образом для увеличения емкости сети микросоты могут быть разбиты на пикосоты в местах, где скапливается население (абоненты). Это торговые центры, развлекательные учреждения и т. п.

Мобильная станция

МС (В GSM обозначается МS) используется абонентом сети мобильной связи для осуществления связи в пределах сети. Существует несколько типов МS, каждый из которых позволяет абоненту устанавливать входящие и исходящие соединения. Производители МS предлагают абонентам большое число разнообразных, отличающихся по дизайну и возможностям аппаратов, удовлетворяющих потребности различных рынков. Различные типы МS располагают разными выходными уровнями мощности и, соответственно, могут осуществлять уверенную работу в пределах зон разных размеров. Так, например, выходная мощность обычной трубки, которую абоненты носят с собой, меньше, чем мощность установленного в автомобиле аппарата с выносной антенной, следовательно, зона ее работы меньше.

В рамках стандарта GSM приняты пять классов подвижных станций от модели 1-го класса с выходной мощностью 20 Вт, устанавливаемой на транспортном средстве, до портативной модели 5-го класса, максимальной мощностью 0,8 Вт, указанные в таблице 2.1. При передаче сообщений предусматривается адаптивная регулировка мощности передатчика, обеспечивающая требуемое качество связи.

Таблица 2.1 Классы подвижных станций

Класс мощности	Максимальный уровень мощности передатчика	Допустимые отклонения
	20 Вт	1,5 дБ
	8 Вт	1,5 дБ
	5 Вт	1,5 дБ
	2 Вт	1,5 дБ
	0,8 Вт	1,5 дБ

МS стандарта GSМ состоится из следующих элементов:

- мобильного терминала (трубки);

- модуля идентификации абонента (SIМ).

В стандарте GSМ, в отличие от других стандартов, информация об абоненте отделена от информации о мобильном терминале. Абонентская информация хранится на смарт-карте SIМ. SIМ может вставляться в любой аппарат, поддерживающий стандарт GSМ. Это является для абонентов преимуществом, потому что они могут легко менять аппараты по своему желанию, что никак не влияет на обслуживание абонента сетью. Кроме того, это обеспечивает повышенную безопасность для абонента.

Структурная схема цифрового мобильного терминала (МС) приведена на рисунке 2.5. В ее состав входят: блок управления; приемопередающий блок; антенный блок.

Блок управления включает в себя микротелефонную трубку (микрофон и динамик), клавиатуру и дисплей. Клавиатура предназначена для набора номера телефона вызываемого абонента, а также команд, определяющих ре­жим работы станции. Дисплей предназначен для отображения информации, предусматриваемой устройством и режимом работы станции.

Приемопередающий блок состоит из передатчика, приемника, синте­затора частот и логического блока.

В состав передатчика входят:

- аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - преобразует в цифро­вую форму сигнал с выхода микрофона (вся последующая обра­ботка и передача сигнала речи производится в цифровой форме);

- кодер речи – осуществляет кодирование сигнала речи, т. е. преобразо­вание цифрового сигнала с целью сокращения его избыточности;

- кодер канала – осуществляет кодирование и перемежение переда­ваемого сигнала с целью защиты от ошибок при передаче по ра­диоканалу, кроме того, кодер канала вводит в состав передаваемо­го сигнала информацию управления, поступающую от логического блока;

- модулятор – осуществляет перенос информации кодированного видеосигнала на несущую частоту.

Р

Рисунок 2.5 Структурная схема цифрового мобильного терминала

Приемник по составу соответствует передатчику, но с обратными функциями входящих в него блоков:

- демодулятор – выделяет из модулированного радиосигнала коди­рованный видеосигнал, несущий информацию;

- эквалайзер – предназначен для частичной компенсации искажений сигнала из-за многолучевого распространения (фактически это адаптивный фильтр, настраиваемый по входящей в состав переда­ваемой информации обучающей последовательности символов). Блок эквалайзера не является функционально необходимым и в некоторых случаях может отсутствовать;

- декодер канала – обнаруживает и исправляет ошибки в принятом сигнале, осуществляет его деперемежение, а также выделяет из входного потока и направляет в логический блок управляющую информацию;

- декодер речи – восстанавливает сигнал речи в цифровом виде со свойственной ему избыточностью;

- цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) – преобразует принятый цифровой сигнал речи в аналоговую форму и подает его на вход динамика.

Логический блок – это микрокомпьютер, осуществляющий управле­ние работой МС.

Синтезатор является источником колебаний несущей частоты, ис­пользуемой для передачи информации по радиоканалу. Наличие гетеро­дина и преобразователя частоты обусловлено тем, что для передачи и приема используются различные участки диапазона частот.

Антенный блок включает в себя антенну, в простейшем случае чет­вертьволновой штырь, и коммутатор приема-передачи. Последний для цифровой станции может представлять собой электронный коммутатор, подключающий антенну либо на выход передатчика, либо на вход при­емника, так как МС цифровой системы никогда не работает на прием и передачу одновременно.

Представленная на рисунке 2.5 структурная схема мобильной станции являет­ся упрощенной. На ней не показаны усилители, селлектирующие цепи, ге­нераторы сигналов синхрочастот и цепи их разводки, схемы контроля мощности на передачу и прием и управления мощностью, схема управления час­тотой генератора для работы на определенном частотном канале и т. п. Для обеспечения конфиденциальности передачи информации в некоторых системах используется режим шифрования. В этих случаях передат­чик и приемник МС включают, соответственно, блоки шифратора и де­шифратора сообщений. Мобильная станция системы GSM включает также детектор рече­вой активности (Voice Activity Detector), который с целью экономного расходования энергии источника питания (уменьшения средней мощно­сти излучения), а также снижения уровня помех, создаваемых для других станций при работающем передатчике, включает передатчик на излуче­ние только на те интервалы времени, когда абонент говорит. На время паузы в работе передатчика в приемный тракт дополнительно вводится комфортный шум. В некоторых случаях в МС могут входить отдельные терминальные устройства (например, факсимильный аппарат), подклю­чаемые через специальные адаптеры с использованием соответствующих интерфейсов.

Базовая станция

Блок-схема базовой станции показана на рисунке 2.6. Особенностью базовой станции является использование разнесенного приема, для чего станция должна иметь две приемные антенны. Кроме того, базовая станция может иметь раздельные антенны на пере дачу и прием (рисунок 2.6 соответствует этому случаю). Другая особенность – наличие нескольких приемников и такого же числа передатчиков, позволяющих вести одновременную работу на нескольких каналах с различными частотами.

Одноименные приемники и передатчики имеют общие перестраиваемые опорные генераторы, обеспечивающие их согласованную перестройку при переходе с одного канала на другой; конкретное число N приемопередатчиков зависит от конструкции и комплектации БС. Для обеспечения одновременной работы N приемников на одну приемную и N передатчиков на одну передающую антенну между приемной антенной и приемниками устанавливают делитель мощности на N выходов, а между передатчиками и передающей антенной – сумматор мощности на N входов.

Приемник и передатчик имеют ту же структуру, что и в МС, за исключением того, что в них отсутствуют ЦАП и АЦП, поскольку и входной сигнал передатчика, и выходной сигнал приемника имеют цифровую форму. Возможны варианты, когда кодеки (либо только кодек речи, либо и кодек речи, и канальный кодек) конструктивно реализуются в Рисунок 2.6 Блок-схема базовой станции

составе ЦК, а не в составе приемопередатчиков БС, хотя функционально они остаются элементами приемопередатчиков.

Блок сопряжения с линией связи осуществляет упаковку информации, передаваемой по линии связи на ЦК, и распаковку принимаемой от него информации. Для связи БС с ЦК обычно используется радиорелейная или волоконно-оптическая линия, если они не располагаются территориально на одном месте.

Контроллер БС (компьютер) обеспечивает управление работой станции, а также контроль работоспособности всех входящих в нее блоков и узлов.

Для обеспечения надежности многие узлы и блоки БС резервируются (дублируются), в состав станции включаются автономные источники бесперебойного питания (аккумуляторы).

В стандарте GSM используется понятие системы базовой станции (СБС), в которую входят контроллер базовой станции (КБС) и несколько (например, до шестнадцати) базовых приемопередающих станций (БППС) – рисунок 2.7. В частности, три БППС, расположенные в одном месте и замыкающиеся на общий КБС, могут обслуживать каждая свой 120-градусный азимутальный сектор в пределах ячейки или шесть БППС с одним КБС – шесть 60-градусных секторов. В стандарте D-AMPS в аналогичном случае могут использоваться соответственно три или шесть независимых БС, каждая со своим контроллером, расположенных в одном месте и работающих каждая на свою секторную антенну.

Рисунок 2.7 Система базовой станции стандарта GSM

Центр коммутации

Центр коммутации – это автоматическая телефонная станция ССС, обеспечивающая все функции управления сетью. ЦК осуществляет постоянное слежение за МС, организует их эстафетную передачу, в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении ПС из соты в соту и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностей.

На ЦК замыкаются потоки информации со всех БС, и через него осуществляется выход на другие сети связи – станционную телефонную сеть, сети междугородной связи, спутниковой связи, другие сотовые сети. В состав ЦК входит несколько процессоров (контроллеров).

Блок-схема центра коммутации представлена на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8 - Блок-схема центра коммутации

Коммутатор подключается к линиям связи через соответствующие контроллеры связи, осуществляющие промежуточную обработку (упаковку/распаковку, буферное хранение) потоков информации. Управление работой ЦК и системы в целом производится от центрального контроллера. Работа ЦК предполагает участие операторов, поэтому в состав центра входят соответствующие терминалы. А также средства отображения и регистрации (документирования) информации. В частности оператором вводятся данные об абонентах и условиях их обслуживания, исходные данные по режимам работы системы, в необходимых случаях оператор выдает требующиеся по ходу работы команды.

Важными элементами системы являются база данных (БД) – домашний регистр, гостевой регистр, центр аутентификации, регистр аппаратуры. Домашний регистр (местоположения – Home Location Register, HLR) содержит сведения обо всех абонентах, зарегистрированных в данной системе, и о видах услуг, которые могут быть им оказаны. В нем фиксируется местоположение абонента для организации его вызова, и регистрируются фактически оказанные услуги. Гостевой регистр (местоположения – Visitor Location Register, VLR) содержит сведения об абонентах-гостях (роумерах), т. е. об абонентах, зарегистрированных в другой системе, но пользующихся в настоящее время услугами сотовой связи в данной системе. Центр аутентификации (Authentication Center) обеспечивает процедуры аутентификации абонентов и шифрования сообщений. Регистр аппаратуры (идентификации – Equipment Identity Register), если он существует, содержит сведения об эксплуатируемых ПС на предмет их исправности и санкционированного использования. В частности, в нем могут отмечаться украденные абонентские аппараты, а также аппараты, имеющие технические дефекты, например являющиеся источниками помех недопустимо высокого уровня.

Как и в БС, в ЦК предусматривается резервирование основных элементов аппаратуры, включая источник питания, процессоры и базы данных. ББД часто не входят в состав ЦК, а реализуются в виде отдельных элементов. Устройство ЦК может быть различным в исполнении разных компаний-изготовителей.