4.2 Технические аспекты функционирования систем сотовой связи

Как уже было сказано ранее, идея построения систем мобильной связи на сотовом (территориальном) принципе была выдвинута в связи с невозможностью дальнейшего роста емкости радиально-зоновых систем, построенных на методе частотного разделения каналов FDMA. Рост абонентской базы всех подобных систем в какой-то момент неизбежно сталкивался с ограничением, которое невозможно было преодолеть – малым количеством частотных полос (радиоканалов), выделенных данной системе для работы. Поскольку частотный ресурс ограничен по чисто природным причинам и никакими техническими ухищрениями нельзя его расширить, подобные системы принципиально могут иметь весьма ограниченное число абонентов [2].

При построении сотовой (территориальной) системы мобильной связи вся территория, на которой должна быть обеспечена связь, разбивается на ряд отдельных зон, называемых сотами (от англ. cell – ячейка, сота). Каждая сота обслуживается маломощным передатчиком с небольшим радиусом действия, работающим на нескольких фиксированных частотах. Это позволяет повторно использовать один и тот же ряд частот в другой ячейке системы, территориально отделенной от нее несколькими сотами с другими рабочими частотами. Таким образом, оказывается возможным с одной стороны при помощи ограниченного числа радиоканалов охватить связью территорию любого размера, а с другой стороны – снизить мощность передатчика мобильного терминала, что влечет за собой уменьшение его

энергопотребления и габаритов (в основном – за счет аккумуляторной батареи) [2].

Сотовая структура сети – пожалуй самый оригинальный и действенный способ решения вопроса нехватки радиочастот за счет их повторного использования. Со времени получения патента Bell Laboratories в 1947 году данная идея широко использовалась в телевещании и радиовещании на УКВ-диапазоне, позже она была применена при разворачивании пейджинговых сетей. Однако все перечисленные здесь системы мобильной связи согласно Общей классификации систем мобильной связи (Рис. 1) являются односторонними системами, причем с весьма большими размерами ячеек (сот), сравнимыми по радиусу с дальностью прямого распространения радиосигналов соответствующей частоты. Все это позволяло весьма просто реализовывать подобные системы на практике.

С появлением двухсторонних систем мобильной связи с сотовой структурой сети (сначала – транкинговых или пучковых, а потом и сотовых или территориальных) сложность их сильно возросла. В первую очередь с уменьшением диаметра каждой соты (что необходимо для повышения пропускной способности) увеличилось количество базовых станций, оборудование которых также значительно усложнилось, так как кроме приема и передачи полезного сигнала на него был возложен еще целый ряд специфических функций. Учитывая то, что все базовые станции должны быть связаны между собой и с сетями фиксированной телефонии единым коммутационным центром, становится понятным, почему от идеи построения сотовой сети до ее практического воплощения прошло более 30 лет. это стало возможно только после появления соответствующей технологической базы в первой половине 80-х годов 20 века.

Рассмотрим теперь общие для всех систем принципы построения и работы сотовых (территориальных) сетей. Вся территория предполагаемого покрытия разбивается на одинаковые по форме правильные геометрические фигуры, чаще всего – шестиугольники (именно шестиугольник почти идеально описывает рабочую зону базовой станции, установленной в центре ячейки и имеющей антенну с круговой диаграммой направленности, отсюда, собственно, и аналогия с пчелиными сотами). Там, где требуется организовать одновременное обслуживание большого числа абонентов, используется метод расщепления сот – исходный шестиугольник делится на семь шестиугольников меньшего размера (пикосоты), при этом вся остальная структура сети не нарушается. Необходимо отметить, что геометрически правильная форма рабочих зон не всегда достижима на практике, что связано с искажениями, вносимыми рельефом местности, в этом случае базовые станции могут и не быть размещены в строгом геометрическом порядке

Основными элементами любой сотовой (территориальной) системы являются Центр коммутации подвижной службы (ЦКПС, центр

коммутации), сеть базовых станций (BTS, Base Transceiver Station), размещенных на обслуживаемой территории, и мобильные станции (радиотелефоны) [1, 2].

Каждая базовая станция – многоканальное приемо-передающее устройство, взаимодействующее с мобильными станциями (MS, Mobile Station) в пределах своей соты. Все базовые станции по проводным линиям связи (собственным или арендуемым) или по радиорелейным каналам соединяются между собой и с центром коммутации. Системы сигнализации между базовыми станциями и центром коммутации называют трансмиссией.

Центр коммутации обеспечивает все управление сетью, по сути он является специализированной автоматической телефонной станцией, построенной на основе специализированного сервера. Он хранит в своей памяти данные о всех абонентах сети, по мере необходимости обрабатывает и обновляет базу данных, производит проверку прав доступа абонентов и их аутентификацию (подтверждение подлинности), следит за сигналами мобильных станций, осуществляет их эстафетную передачу при перемещении из соты в соту и коммутацию каналов внутри сот при появлении помех или неисправностей. Одной из главных задач центра коммутации является установление соединения абонента сотовой сети в соответствии с набранным номером с другим абонентом данной сети, а при необходимости – выход в другую сотовую сеть или в так называемую телефонную сеть общего пользования (ТФОП), т. е. в проводную телефонную сеть. В сетях некоторых стандартов все эти функции могут разделяться между центром коммутации и контроллерами базовых станций [1, 2].

Каждой базовой станции выделяется управляющий канал. При включении мобильная станция сканирует (прослушивает) управляющие каналы на всех доступных ей частотах, определяет список сетей, которые работают в данной точке, выделяет из него код „домашней сети“, определяет базовую станцию этой сети с наилучшими условиями приема в данной точке и проводит процедуру регистрации, передавая свои данные по управляющему каналу. Контроллер базовой станции обрабатывает полученную информацию и передает ее центральному коммутатору, который проводит процедуру аутентификации абонента и проверку его прав в собственной базе данных. Если мобильная станция проходит обе стадии проверки с положительным результатом, центральный коммутатор регистрирует ее в рассматриваемой соте и с этого момента начинает отслеживать все ее перемещения по сети. При перемещении из одной соты в другую и периодически при нахождении в зоне радиопокрытия одной соты мобильная и базовая станция обмениваются сигналами по управляющему каналу. Это позволяет сети периодически производить повторную аутентификацию и проверку прав доступа мобильной станции и отслеживать ее текущее местоположение. При корректном отключении мобильной

станции (при помощи кнопки отключения) перед обесточиванием она сообщает об этом центральному коммутатору, который проводит процедуру снятия с регистрации. Если произошло некорректное отключение мобильной станции (вынута батарея, резкая потеря радиоконтакта при въезде в тоннель, внезапное повреждение и т. п.), на процедуру снятия с регистрации не остается времени и мобильная станция исчезает из поля зрения сети. В центре коммутации остается только информация о базовой станции, из зоны покрытия которой исчезла мобильная станция. При поступлении входящего вызова на номер мобильной станции, которая была отключена корректно, центр коммутации сразу выдает информацию о ее отсутствии в зоне действия сети. При некорректном отключении мобильной станции центр коммутации производит ее поиск в сети и только после того, как этот поиск дает отрицательный результат, выдает информацию об отсутствии мобильной станции в сети (этим и объясняется некоторая пауза до поступления сообщения звонящему) [1, 2].

При вызове зарегистрированной в сети мобильной станции центр коммутации проверяет в своей базе данных факт регистрации, текущее местоположение и начинает поиск этой мобильной станции в конкретной соте, в которой она должна находится согласно сведениям из базы данных. Мобильная станция, приняв этот вызов по управляющему каналу, передает подтверждение готовности выполнить соединение и одновременно подтверждает свое местоположение. После этого центр коммутации находит свободный разговорный канал в данной соте и переключает соединение на него. Только по завершении всех перечисленных действий абонент слышит сигнал вызова.

Во время проведения сеанса связи после установления соединения центр коммутации непрерывно отслеживает сигналы мобильной станции, при возникновении помех или неисправности в оборудовании центр коммутации находит другой свободный разговорный канал и переводит разговор на него (в некоторых системах в пределах одной соты данную функцию выполняет контроллер базовой станции).

В процессе перемещения абонента при пересечении границ соты происходит снижение уровня сигналов. Как только сигнал упадет до нижнего предельного уровня, центр коммутации переключает соединение на другую базовую станцию, в зоне действия которой оказался абонент. Это действие называется эстафетной передачей (англоязычный термин Handover) и выполняется настолько быстро, что связь не прерывается и абонент обычно ничего не замечает.

При выполнении исходящего звонка с мобильной станции после набора номера и нажатия кнопки установления соединения она начинает поиск свободного канала. При обнаружении свободного разговорного канала мобильная станция перестраивается на него с управляющего канала и передает свои параметры и набранный номер на базовую станцию, которая

транзитом передает ее в центр коммутации. После осуществления процедуры аутентификации абонента и проверки его прав в собственной базе данных центр коммутации предоставляет мобильной станции посредством базовой станции свободный рабочий канал с наилучшими условиями приема. Мобильная станция перестраивается на этот канал, после чего центр коммутации и осуществляет само соединение [1, 2].

Что касается технологий, на которых в настоящее время строятся сети мобильной связи, то необходимо отметить, что все упомянутые выше стандарты базируются на трех технологических типах организации доступа – FDMA, TDMA и CDMA (или, что очень редко встречается, на их комбинации).

FDMA (Frequency Code Division Multiple Access) – многостанционный доступ с частотным разделением каналов (термин „многостанционный доступ“, „множественный доступ“, „multiple access“ обозначает такой режим работы базовой станции, который позволяет нескольким мобильным станциям одновременно взаимодействовать с ней, т. е. „получать к ней доступ“). Все первые аналоговые сотовые стандарты (поколение 1G) базировались на методе FDMA, наиболее распространенные из них AMPS (ширина канала 30 кHz) и NMT-450 (ширина канала 25/20 кHz) [30]. После установления соединения вся соответствующая каналу полоса частот используется только для обслуживания одного соединения. Какое-либо совместное применение одной полосы частот одновременно невозможно [30]. Иными словами, система использует только физические каналы и не образует логических каналов. Емкость соты в данном случае определяется тем, сколько частотных каналов (радиотрактов) будет размещено в частотной полосе, выделенной этой соте. Обычно величина выделяемой соте полосы (диапазона) как для аналоговых FDMA-систем, так и для цифровых TDMA и CDMA-систем составляет одну седьмую часть от общего диапазона частот, отведенного для данной сотовой сети, что необходимо для выделения всем соседним сотам различной полосы частот (число семь получается исходя из того, что вокруг каждой соты – в теории правильного шестиугольника – будет расположено шесть соседних сот) [30].

Схематично организацию каналов в системах, работающих по методу FDMA, можно представить следующим образом:

Следует также отметить, что как базовые, так и мобильные станции FDMA-систем хотя и работают с полностью аналоговым разговорным сигналом на всех этапах его передачи и обработки, имеют цифровое управление и обмениваются служебной информацией по управляющему каналу в цифровом виде. Поэтому аппаратуру сотовой мобильной связи первого поколения иногда называют аналогово-цифровой по аналогии с аппаратурой аналогово-цифровых транкинговых сетей.

TDMA (Time Division Multiple Access) – многостанционный доступ с временным разделением каналов. Весь диапазон частот, выделенный для данной соты, сначала подразделяется на определенное число несущих частот (радиотрактов, частотных каналов), после чего каждая из несущих разбивается на несколько временных логических каналов или таймслотов (в стандарте GSM – 8 таймслотов). Один из этих таймслотов является служебным (сигнальным, управляющим), а остальные используются для передачи голосовой информации. Иными словами, сеанс связи для каждого абонента разбивается на множество небольших временных интервалов, которые и передаются по очереди на одной частоте. Речь оцифровывается и разбивается на отдельные пакеты, система передает на одной частоте часть разговора (пакет) одного абонента, потом – часть разговора другого и так далее. Передав часть разговора последнего абонента из числа работающих на данной частоте, система возвращается к первому абоненту и весь цикл

повторяется. За счет того, что передача происходит в оцифрованном виде с компрессией, а переключение каналов происходит очень быстро, на приемном конце при переводе сигнала из цифровой в аналоговую форму речь возможно восстановить из отдельных пакетов в режиме реального времени, при этом абонент ничего не замечает [30].

Схематично организацию каналов в системах, работающих по методу TDMA, можно представить следующим образом:

Полная периодическая последовательность в структуре TDMA получила название гиперкадра. Он делится на 2048 суперкадров, суперкадр состоит из мультикадров, а мультикадр – из кадров. TDMA-кадр делится на восемь логических (временных) каналов или таймслотов. Физический смысл таймслота – время, в течение которого несущая частота модулируется информационным потоком, соответствующим определенной передаваемой информации.

Системы, работающие по методу TDMA, являются полностью цифровыми, как в части обработки и передачи сигнала, так и в части управления.

На методе TDMA базируются цифровые сотовые (территориальные) системы мобильной связи второго поколения (2G) большинства стандартов,

например, IS – 54 (D-AMPS) – частотные каналы системы AMPS шириной 30 kHz делятся на три временных слота, PDS – каналы шириной 25 кHz по три временных слота в каждом, GSM – восемь временных слотов при несущем диапазоне 200 кHz [30], а также некоторые разработки, относящиеся к будущим сетям третьего поколения (3G) [2].

CDMA (Code Division Multiple Access) – многостанционный доступ с кодовым разделением каналов. Как и метод TDMA, CDMA подразумевает обработку и передачу голосовой информации только в цифровом виде. В основе метода лежит давно применяемый в военной радиосвязи метод модуляции с использованием шумоподобного или широкополосного сигнала (spread spectrum – размытый спектр). Полезный сигнал как бы размывается по частотному диапазону, существенно более широкому, чем при традиционных способах модуляции. Осуществляется это путем перемножения последовательности полезных битов информации на псевдослучайную последовательность более коротких импульсов. В результате получается так называемый псевдошумовой сигнал, который занимает больший частотный спектр и имеет значительно меньшую интенсивность, чем при узкополосной модуляции. Все псевдошумовые сигналы излучаются в одном и том же широкополосном частотном канале. Принять информацию возможно только в том случае, если известна последовательность, на которую был перемножен полезный сигнал при передаче, иначе он будет восприниматься как шум. Таким образом, если несколько мобильных станций в пределах одной соты работают на общей частоте, но с разными кодирующими последовательностями, эти сигналы практически не будут создавать помех друг другу. Кроме того, посторонние шумы, наводящиеся в данном частотном канале (помехи различного происхождения), если только их мощность не будет превышать мощности полезного сигнала, тоже никак не будут влиять на условия передачи. Следовательно, резко повышается помехоустойчивость системы (широкополосный сигнал всегда очень устойчив к узкополосным помехам) и обеспечивается значительное преимущество в части обеспечения секретности передачи [30].

Технология CDMA использует несущую полосу частот в 1,25 MHz, что значительно шире, чем при использовании методов FDMA и TDMA. Информация кодируется и распределяется по всей несущей полосе 1,25 MHz, которая может использоваться как в смежных сотах, так и во всех секторах каждой соты. Код, присвоенный каждому вызову, позволяет использовать схему повторного использования частоты N=1, обеспечивая тем самым повышенную гибкость при добавлении новых сот по мере роста сети без необходимости сложного перепланирования распределения частот. Эти различия в использовании спектра дают технологии CDMA огромное преимущество в отношении пропускной способности [30].

Схематично организацию каналов в системах, работающих по методу CDMA, можно представить следующим образом:

К преимуществам метода CDMA можно отнести и еще несколько его свойств. Распространяясь на участке базовая – мобильная станция, радиосигнал многократно переотражается от препятствий и в результате интерференции сигналов, прошедших разные пути, интенсивность принимаемого сигнала постоянно изменяется. Это явление носит название фединга (fading). Все системы мобильной связи, основанные на других методах, для обеспечения непрерывного соединения в условиях фединга поддерживают несколько завышенный, чем это необходимо, уровень мощности передачи (данное утверждение справедливо относительно как мобильной, так и базовой станции). Такой подход позволяет избежать обрыва соединения в моменты, когда мобильная станция испытывает мгновенные падения соотношения „сигнал – шум“. В результате общий завышенный уровень мощности повышает уровень шума в системе и непроизводительно расходуется часть энергии батареи мобильной станции. Метод CDMA предусматривает автоматическое управление мгновенной мощностью передатчиков базовой и мобильной станций, учитывающее отдельно для каждого соединения не только явления фединга, но и

дальность до мобильной станции относительно базы и нагрузку внутри соты. Это позволяет постоянно поддерживать высокое качество передачи с минимальной средней выходной мощностью передатчиков, что в свою очередь экономит энергию батареи мобильной станции и снижает электромагнитную нагрузку на организм ее оператора [30].

При переходе мобильной станции из зоны покрытия одной соты в другую методы FDMA и TDMA предполагают ее эстафетную передачу с так называемым жестким переключением (hand handoff или break before make), при котором сначала разрывается связь с покидаемой сотой, и только после этого устанавливается связь с новой. Технология CDMA в данном случае за счет использования в соседних сотах одной и той же несущей частоты позволяет выполнять эстафетную передачу с мягким переключением (soft handoff или make before break). Мобильная станция CDMA сначала устанавливает связь с базовой станцией, в зону действия которой она входит, и только после этого освобождает канал в покидаемой соте. Если при жестком переключении связь на мгновение пропадает (при неблагоприятных условиях она даже может быть прервана), то при мягком переключении абонент просто ничего не замечает. При движении в автомобиле с достаточно большой скоростью в условиях крупного города (т. е. при частом пересечении границ сот) уже одно это значительно повышает качество связи [30].

На методе CDMA базируются цифровые сотовые (территориальные) системы мобильной связи поколения 2G (например, стандартов IS-95 (cdma One), CDMA 800) и 2,5G (CDMA 2000 1х) [28, 29, 30], а также основная масса разработок, относящихся к сетям поколения 3G [2] (например, WCDMA 2100 (UMTS), CDMA 2000 1хEV-DO модификаций Revision 0, Revision А и Revision В) и поколения 4G и выше.

Стандарты CDMA поколения 2G предусматривали передачу данных на скоростях до 14 кбит/с и работали на частотах 800 и 1900 MHz. Стандарт CDMA поколения 2,5G CDMA 2000 1х предполагает пиковую скорость передачи данных до 144 кбит/с и может быть развернут с использованием рабочих частот 450, 700, 800, 900, 1700, 1800, 1900 и 2100 MHz. Дальнейшим развитием стандарта CDMA 2000 1х, доводящим скорости передачи данных до уровня поколения 3G и выше, является стандарт CDMA 2000 1хEV-DO (Evolution Data Optimized, оптимизированная передача данных с одной несущей), который представлен тремя модификациями: Revision 0, Revision А и Revision В. Базовая модификация стандарта Revision 0 обеспечивает скорость передачи данных до 2,4 Мбит/с, при этом скорость в нисходящем канале существенно превосходит скорость в восходящем канале. Модификация Revision А обеспечивает скорость передачи данных до 3,1 Мбит/с симметрично в нисходящем и восходящем каналах, что позволяет говорить о организации полноценных сервисов реального времени (двухсторонние видеозвонки, видеоконференции и т. д.). Следующая

модификация Revision В должна обеспечить максимальную теоретическую скорость передачи данных до 14,7 Мбит/с (3 канала по 4,9 Мбит/с), что фактически соответствует поколению 3,5G [60].

Стандарты CDMA 2000 1хEV-DO всех модификаций могут использовать те же частотные диапазоны, что и стандарт CDMA 2000 1х [60].

Существенным параметром стандарта мобильной связи является также максимальная дальность связи, которую он в состоянии обеспечить. В стандартах NMT, AMPS и CDMA лимитов на дальность связи не существует (на практике связь возможна на такую дальность, на которую действуют передатчик и приемник конкретной мобильной станции с учетом высоты расположения антенн базовой станции и иных благоприятных или, наоборот, мешающих факторов). Это позволяет в определенных условиях устанавливать связь на дальности до 100 км. В стандарте GSM – 900 дальность связи составляет 35 км, а в стандарте GSM – 1800 – 10 км. Это обусловлено особенностями организации связи в стандартах, о чем подробнее будет сказано ниже.

Содержание