Классификация систем подвижной радиосвязи

Принято классифицировать системы подвижной связи (СПС) на следующие виды:

- системы беспроводного абонентского доступа;

- пейджинговые системы;

- транкинговые системы;

- системы сотовой связи;

- беспроводные компьютерные сети.

Системы беспроводного абонентского доступа  появились в начале 80-х годов прошлого века. В них вместо проводов между телефонным аппаратом и трубкой использовался радиоканал, при этом сохранялись все функциональные возможности и качества обычного проводного телефона. Зона радиопокрытия базовой станции в силу малой мощности последней ограничивалась пространством офиса или квартиры.

Наиболее известным стандартом беспроводной телефонии является цифровая усовершенствованная беспроводная связь DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) в диапазоне 1880 – 1900 МГц.

Пейджинговые системы ( peging ), официально называемые системами персонального радиовызова (СПРВ), обеспечивают одностороннюю связь между центральной базовой станцией и мобильным абонентским пейджером, куда та пересылает адресованные владельцу этого пейджера сообщения. Сообщение имеет вид последовательности буквенно-цифровых символов.

Основной отличительной особенностью СПРВ является ее работа вне реального времени, т.е. сообщения передаются не в момент выдачи отправителем, а в порядке очереди, устанавливаемой центром управления, хотя на практике величина задержки не превышает нескольких минут.

Рисунок 2.35  Обобщенная структурная схема СПРВ

 

Обобщенная структурная схема СПРВ приведена на рисунке 2.35, где:

- ТПВ – терминал персонального вызова;

- КСПВ – контроллер сети персонального вызова;

- ЦЭиО – центр эксплуатации и обслуживания;

- КЗОВ – контроллер зоны обслуживания вызовов;

- БС – базовая станция;

- АП – абонентский  приемник.

 

ТПВ принимает и анализирует входящие данные вызовов из телефонной сети общего пользования (ТФОП) или от других источников. КСПВ во взаимодействии с ЦЭиО обеспечивает все функции управления системой. КЗОВ осуществляет распределение данных к передатчикам БС, которые контролируют и передают сигналы радиовызова на соответствующие абонентские приемники. Применение нескольких БС в пределах зоны действия СПРВ позволяет обеспечить более надежную связь с абонентами.

Наиболее распространенными стандартами СПРВ являются POCSAG (Англия), ERMES (Европейского союза), а также семейство протоколов FLEX (фирмы Motorola).

Транкинговые системы связи (ТСС), которые применяются в корпоративных и ведомственных сетях, такси, милиции, аварийных службах и т.п. В такой системе предусматривается определенное ограниченное количество радиоканалов для вех ее пользователей; из этого количества один радиоканал выделяется каждому абоненту на время соединения.

Для обеспечения оперативности управления в современных ТСС предусматривается специальный канал управления. По способу организации канала управления различают ТСС с выделенным и распределенным каналом управления. В первом случае выделенный канал используется исключительно для управления работой системы, во втором – в процессе сеанса связи сигналы управления передаются одновременно с речевыми сигналами.

Обобщенная структурная схема ТСС приведена на рисунке 2.36, где:

- МС – мобильная станция абонента;

- БС – базовая станция;

- УОР – устройство объединения радиосигналов;

- Р – ретрансляторы;

- ЦКМС – центр коммутации мобильной связи;

- ТФОП – телефонная сеть общего пользования;

- ДПУ – диспетчерский пункт управления.

Для ТСС наиболее характерно разделение каналов по частоте с индивидуальными ретрансляторами на разных частотах. Возможен вариант ТСС с использованием широкополосных ретрансляторов, обслуживающих сразу все каналы.

Наиболее распространенным аналоговым стандартом транкинговой связи является МРТ 1327 (Англия), поддерживающий метод доступа к системе, называемый синхронная ALOHA с динамической длиной кадра. Известны также стандарты SmarTrunk и  EDACS (фирма Эриксон).

В начале 90-х годов прошлого века появился цифровой транкинговый стандарт Европейского союза TETRA (Trans European Trunked Radio). Система предусматривает передачу как речи, так и данных, обеспечивая более высокую спектральную эффективность по сравнению с аналоговыми системами, лучшее использование частот, более высокую скорость передачи данных,

Рисунок 2.36  Обобщенная структурная схема ТСС.

 

цифровое кодирование речи с возможностью шифрования. TETRA позволяет коммутировать каналы и пакеты, передавать короткие сообщения, получать доступ в Интернет, поддерживать услуги телеметрии, передачу данных и видеоинформации.

Системы сотовой мобильной связи (ССМС) позволили преодолеть ограничения, накладываемые выше перечисленными системами. В сотовых системах используются следующие основные принципы:

- разделение области охвата мобильной радиосвязью на отдельные зоны, называемые сотами;

- наличие  значительного  количества радиопередатчиков низкой мощно-

сти с небольшими зонами передачи сигналов;

- повторное применение частот в несмежных сотах, позволяющее повысить эффективность использования выделенного частотного диапазона;

- централизованное управление обслуживанием вызовов для обеспечения мобильной связи при перемещении подвижного абонента из соты в соту.

Термин сотовая связь означает, что сеть разделена на ряд сот – ячеек, географических участков (рисунок 2.37). Каждой соте назначен частотный диапазон, который можно повторять в других сотах. В каждой соте имеется своя базовая станция БС (BS - Base Station), которая содержит радиопере дающее  и  радиоприемное  оборудование  и  обеспечивает радиосвязь с теми

мобильными телефонами, которые расположены в данной соте.

Размер соты зависит от таких факторов, как мощность передатчика базовой станции и мобильного телефона, высота антенны базовой станции, топология местности, возможность обслуживания ограниченного количества сотовых телефонов, т.е. мобильных станций МС (MS – Mobile Station), обыч-

 

        Рисунок 2.37  Соты в системе подвижной связи.

 

но – от 600 до 800, т. е. соты становятся меньше в зонах с более высокой плотностью населения. Размер соты может лежать в пределах от 100 м до нескольких десятков км. Шестиугольная форма соты обеспечивает эффективное переключение базовых станций при движении абонента из одной соты в соседнюю, т.к. центы всех сот, граничащих с данной, находятся на одинаковом расстоянии от центра данной соты. Группа сот, в пределах которой отсутствует повторное использование частотных полос, называется кластером. Несколько базовых станций подсоединены к контроллеру базовых станций (КБС на рисунке 2.40), который содержит логику управления каждой из этих станций. Все КБС подключены к центру коммутации мобильной связи (ЦКМС), который управляет установлением соединений к мобильным абонентам и от них, то есть поддерживает функции хэндовера и роуминга. Хэн

довер представляет собой процесс передачи управления обслуживанием вызова, если во время соединения мобильный абонент перемещается из одной соты в соседнюю.  Пример сценария хэндовера изображен на рисунке 2.38.

Физически хэндовер означает переключение абонента с одного радиоканала и/или временного интервала на другой радиоканал или временной интервал без уведомления абонента об этом изменении.

                        Рисунок 2.38  Принцип хэндовера.

 

В современных технологиях для этого используется так называемы метод MAHO (Mobil Assisted Handover), в котором мобильный терминал сам периодически измеряет уровень сигнала и качество сигналов как от обслуживающей БС, так и от соседних БС, и передает результаты измерений в сеть.  Сеть анализирует эти сообщения и принимает решение о хэндовере между сотами.

В зависимости от ситуации хэндовер может производиться между двумя секторами одной и той же БС, между двумя КБС, между двумя ЦКМС, принадлежащими одному оператору, или даже между двумя сетями разных операторов. В двух последних случаях он носит название роуминга.

Высокая спектральная эффективность ССМС достигается ценой максимально частого повторения использования одних и тех же частотных полос.  

С этой точки зрения предпочтительным является трехсотовый кластер, изображенный на рисунке 2.39,а, где одинаковыми цифрами обозначены соты с совпадающим набором частотных каналов. Однако частое повторение сот с одинаковыми полосами частот сопровождается заметным уровнем соканальных помех, т.е помех от станций системы, работающих в той же полосе частот, но расположенных в несмежных сотах. Для уменьшения соканальных помех более выгодны кластеры с большим числом сот, например 7-сотовые, изображенные на рисунке 2.39,б. Размер кластера определяется расстоянием D между центрами сот, в которых используются одинаковые полосы частот:

 

Рисунок 2.39  Варианты структур кластера ССМС.

 

где n_c – количество сот в кластере;

      R – радиус соты, т.е. радиус окружности, описывающей соту.

Параметр ξ, определяемый соотношением:

называется коэффициентом уменьшения соканальных помех или коэффициентом соканального повторения. Величина обратная числу сот в кластере называется коэффициентом повторного использования частот. Однако увеличение числа сот в кластере приводит к пропорциональному уменьшению полосы частот, используемой в каждой соте, т.е к уменьшению абонентской емкости соты.

Более эффективным способом снижения соканальных помех является применение «секторизации» сот. При этом используются направленные антенны с шириной диаграммы направленности 120^º или 60^º, в результате чего сота разбивается на m_c = 3 или 6 секторов. Таким образом, секторизация сот позволяет чаще использовать одинаковые полосы частот в кластерах без изменения их структуры. При этом применяется размерность кластера (n_c, n_c ∙ m_c). Типичными размерностями кластеров, широко применяемых на практике, являются (3, 9), (4, 12), (7, 21). На рисунке 2.39,в приведен пример секторизованного кластера размером (3, 9).

Рисунок 2.40  Обобщенная структурная схема ССМС                                                

 

Функциональное построение ССМС приведено на рисунке 2.40. В приведенной схеме четыре основных компонента – центр управления и обслуживания (ЦУО) и три подсистемы:

- подсистема мобильных станций ПМС;

- подсистема базовых станций ПБС;

- подсистема коммутации (ПК).

Функциональное сопряжение этих компонентов описывается рядом ин- терфейсов.

ЦУО обеспечивает управление другими компонентами системы,  а также контроль качества функционирования. Подсистема мобильных станций объединяет оборудование, обеспечивающее доступ абонентов в систему. Главным звеном в архитектуре ССМС является подсистема коммутации, которая включает в себя центр коммутации мобильной связи ЦКМС, визитный (гостевой) регистр местоположения ВРМ, домашний регистр местоположения ДРМ, центр аутентификации ЦА и регистр идентификации оборудования РИО. В подсистему базовых станций входят базовые приемо-передающие станции БС и контроллеры базовых станций КБС.

ЦКМС обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждаются МС, т.е. коммутацию абонентов друг с другом, с абонентом ТФОП и др. На ЦКМС также возлагаются функции коммутации каналов,

к которым относятся хэндовер и переключение каналов в соте при появлении

сильных помех и неисправностей, если только это не является обязанностью КБС. Кроме того, ЦКМС управляет процедурами слежения за МС с помощью ДРМ и ВРМ для обеспечения доставки вызова, а также процедурами аутентификации и идентификации абонентов с помощью ЦА и РИО.

Блок ДРМ и ВРМ представляют собой базы данных. ДРМ содержит сведения о постоянно приписанных к данному ЦКМС абонентах и о видах услуг, которые им могут быть оказаны. ВРМ содержит информацию об абонентах, временно находящихся в зоне обслуживания данного ЦКМС. ЦА обеспечивает возможность проведения процедуры аутентификации абонентов  и шифрования передаваемых сообщений, РИО содержит сведения об эксплуатируемых МС на предмет их исправности и санкционированного использования.

КБС осуществляет управление несколькими МС, которые обеспечивают связь с МС через радиоинтефейс, а также производит упаковку информации, передаваемой ЦКМС, и ее распаковку при передаче в обратном направлении. Кроме того, КБС обеспечивает хэндовер при переходе МС между сотами, контролируемыми одним и тем же КБС, хэндовер вызовов между МС, находящимися в зонах действия разных БС, но одного и того же КБС. Под управлением КБС осуществляются радиоизмерения в каналах связи, регулируется мощность передатчиков МС и БС.