Основы построения систем сотовой связи

Функциональная схема. Как следует из рис. 1, в центре каждой ячейки находится базовая станция (БС), обслуживающая все под­вижные станции (ПС) - абонентские или радиотелефонные аппара­ты в пределах своей ячейки. При перемещении абонента из одной ячейки в другую происходит передача его обслуживания от одной базовой станции к другой. Все базовые станции, в свою очередь, замыкаются на центр коммутации (ЦК), с которого имеется выход на телефонную сеть общего пользования, в частности, если связь устанавливается в городе, - выход в обычную городскую телефон­ную сеть (ГТС).

Отметим некоторые моменты, связанные с упрощенностью из­ложенного выше схематического представления.

Прежде всего, в действительности ячейки никогда не бывают строгой геометрической формы. Реальные границы ячеек имеют вид неправильных кривых, зависящих от условий распространения радиоволн, рельефа местности, характера и плотности раститель­ности и застройки и других факторов. Более того, границы ячеек вообще не являются четко определенными, так как рубеж передачи обслуживания подвижной станции из одной ячейки в соседнюю может в некоторых пределах смещаться с изменением условий распространения радиоволн и в зависимости от направления дви­жения ПС. Точно так же и положение БС лишь приближенно совпа­дает с центром ячейки, который к тому же не так просто определить однозначно, если ячейка имеет неправильную форму.

Далее, система сотовой связи может включать более одного центра коммутации, что может быть обусловлено, в частности, эволюцией развития системы или ограниченностью емкости комму­татора. Возможна, например, структура системы типа показанной на рис. 2-с несколькими центрами коммутации, один из которых условно можно назвать «головным» или «ведущим».

При перемещении абонента между ячейками одной системы происходит передача обслуживания, а при перемещении на терри­торию другой системы - роуминг, т.е. процедура, обеспечивающая поддержание связи при перемещении абонента из зоны обслужива­ния одного оператора в зону обслуживания другого оператора.

Рис. 2. Система сотовой связи с двумя центрами коммутации

Базовая станция. Структурная схема базовой станции приве­дена на рис. 3. Первая особенность станции, которую следует отметить, - это использование разнесенного приема, для чего станция должна иметь две приемные антенны (на рис. 3 не отраже­на). Кроме того, базовая станция может иметь раздельные антенны на передачу и прием. Вторая особенность - наличие нескольких приемников и такого числа передатчиков, позволяющих вести одно­временную работу на нескольких каналах с различными частотами.

Одноименные приемники и передатчики имеют общие пере­страиваемые опорные генераторы (не показанные на рис. 3), обес­печивающие их согласованную перестройку при переходе с одного канала на другой; конкретное число N приемопередатчиков зависит от конструкции и комплектации базовой станции. Для обеспечения одновременной работы N приемников на одну приемную и N пере­датчиков на одну передающие антенны между приемной антенной и приемниками устанавливается делитель мощности на N выходов, а между передатчиками и передающей антенной - сумматор мощ­ности на N входов.

Блок сопряжения с линией связи осуществляет упаковку инфор­мации, передаваемой по линии связи к центру коммутации, и распа­ковку принимаемой от него информации. В качестве линии связи базовой станции с центром коммутации обычно используются радио­релейные или волоконно-оптические линии, если базовая станция и центр коммутации не располагаются территориально в одном месте.

Контроллер базовой станции, представляющий собой достаточ­но мощный и совершенный компьютер, обеспечивает управление работой станции, а также контроль работоспособности всех входя­щих в нее блоков и узлов.

Рис. 3. Структурная схема базовой станции

Для обеспечения остаточной степени надежности многие блоки и узлы базовой станции резервируются (дублируются).

Подвижная станция. Структурная схема подвижной станции приведена на рис. 4, где приняты следующие обозначения: Т -телефон; ДСП - дисплей; КЛВ - клавиатура; М - микрофон; ЦАП -цифро-аналоговый преобразователь; ДКР - декодер речи; ДКК -декодер канала; ЭКЛ - эквалайзер; АЦП - аналого-цифровой пре­образователь; КР - кодер речи; КК - кодер канала.

Подвижная станция включает в себя следующие блоки: блок управления, приемопередающий блок и антенный блок. Приемо­передающий блок в свою очередь включает передатчик, приемник, синтезатор частот и логический блок.

Рис. 4. Структурная схема подвижной станции

Наиболее прост по составу антенный блок: он включает собст­венно антенну - в простейшем случае четвертьволновый штырь - и коммутатор прием-передача. Последний для цифровой станции может представлять собой электронный коммутатор, подключаю­щий антенну либо на выход передатчика, либо на вход приемника, поскольку подвижная станция цифровой системы никогда не рабо­тает на прием и передачу одновременно.

Функционально несложен и блок управления. Он включает мик­ротелефонную трубку - микрофон и телефон (динамик), клавиатуру и дисплей. Клавиатура (наборное поле с цифровыми и функцио­нальными клавишами) служит для набора номера телефона вызы­ваемого абонента, а также команд, определяющих режим работы подвижной станции. Дисплей служит для отображения различной информации, предусматриваемой устройством и режимом работы станции.

Приемопередающий блок значительно сложнее и включает в се­бя передатчик, приемник, синтезатор и логический блок.

В состав передатчика входят:

аналого-цифровой преобразователь (АЦП), преобразующий ана­логовый речевой сигнал, поступающий с выхода микрофона, в цифровую форму; вся последующая обработка и передача сигнала речи производится в цифровой форме, вплоть до обратного цифро-аналогового преобразования в приемнике;

кодер речи (КР) осуществляет кодирование сигнала речи - пре­образование сигнала, имеющего цифровую форму, по определен­ным законам с целью сокращения его избыточности и объема информации, передаваемой по радиоканалу;

кодер канала (КК) - добавляет в цифровой сигнал, получаемый с выхода кодера речи, дополнительную информацию, предназна­ченную для защиты от ошибок при передаче сигнала по радиоли­нии; с той же целью информация подвергается определенной переупаковке (перемножению): кроме того, кодер канала вводит в состав передаваемого сигнала информацию управления, посту­пающую от логического блока;

модулятор - осуществляет перенос цифрового сигнала, пред­ставляющего случайную последовательность импульсов постоянно­го тока (видеоимпульсов), с помощью несущей частоты в диапазон частот мобильной радиосвязи.

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

демодулятор - выделяет из модулированного радиосигнала цифровой кодированный видеосигнал (случайную последователь­ность импульсов постоянного тока);

декодер канала (ДКК) - выделяет из входного потока управляю­щую информацию и направляет ее в логический блок; принятая информация проверяется на наличие ошибок и выявленные ошибки по возможности исправляются; для последующих преобразований принятая информация подвергается обратной переупаковке;

декодер речи (ДКР) - восстанавливает поступающий на него с кодера канала сигнал речи, переводя его в естественную форму со свойственной ему избыточностью, но в цифровом виде;

цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) - преобразует при­нятый от декодера речи сигнал в аналоговую форму и подает его на вход динамика (телефона);

эквалайзер (ЭКЛ) - служит для частичной компенсации искаже­ний сигнала вследствие многолучевого распространения; по суще­ству, он является адаптивным фильтром, настраиваемым по обучающей последовательности символов, входящей в состав передаваемой информации; блок ЭКЛ не является, вообще говоря, функционально необходимым и в некоторых случаях может отсут­ствовать.

Напомним, что для сочетания кодера и декодера употребляют названия кодек (например, канальный кодек, речевой кодек).

Помимо вышеназванных блоков, в состав приемопередатчика входят логический блок и синтезатор частот. Логический блок - это, по сути, микрокомпьютер со своей оперативной и постоянной памя­тью, осуществляющий управление работой подвижной станции. Синтезатор является источником колебаний несущей частоты, используемой для передачи сигналов по радиоканалу. Наличие гетеродина и преобразователя частоты обусловлено тем, что для передачи и приема используются различные участки спектра (так называемое дуплексное разделение по частоте).

Отметим, что схема (рис. 4) является существенно упрощенной. На ней не показаны усилители, селектирующие цепи, генераторы сигналов синхрочастот и цепи разводки, схемы контроля мощности на передачу и прием и управления ею, схема управления частотой генератора для работы на определенном частотном канале и т. п.

Для обеспечения конфиденциальности передачи информации в некоторых системах возможно использование режима шифрова­ния. В этих случаях передатчик и приемник подвижной станции включают соответственно блоки шифрования и дешифровки сооб­щений. В подвижной станции, например, системы GSM предусмот­рен специальный съемный модуль идентификации абонента (Subscriber Identity Mobile - SIM).

Подвижная станция системы GSM включает в себя детектор речевой активности (Voice Activity Detector), который в интересах экономного расходования энергии источника питания (уменьшения средней мощности излучения), а также снижения уровня помех, неизбежно создаваемых для других станций при работающем пере­датчике, включает работу передатчика на излучение только на те интервалы времени, когда абонент говорит. На время паузы в работе передатчика в приемный тракт дополнительно вводится так называемый комфортный шум. В необходимых случаях в подвиж­ную станцию могут входить отдельные терминальные устройства, например факсимильный аппарат, включаемый через специальные адаптеры с использованием соответствующих интерфейсов.

Если представить структурную схему аналоговой подвижной стан­ции, то она будет проще рассмотренной цифровой за счет отсутствия блоков АЦП/ЦАП и кодека, но сложнее за счет более громоздкого дуплексного антенного переключателя, поскольку аналоговой станции приходится одновременно работать на передачу и прием.

Центр коммутации (ЦК) является мозгом и одновременно дис­петчерским пунктом системы сотовой связи, на который замыкаются потоки информации со всех базовых станций и через который осу­ществляется выход на другие сети - стационарную телефонную сеть, сети междугородной связи, спутниковой связи, другие сотовые сети. В состав центра коммутации входит несколько процессоров (контроллеров) и он является типичным примером многопроцессор­ной системы.

Структурная схема ЦК представлена на рис. 5. Собственно ком­мутатор осуществляет переключение потоков информации между соответствующими линиями связи. Он может, в частности, напра­вить поток информации от одной базовой станции к другой или от базовой станции к стационарной сети связи, или, наоборот, от стационарной сети связи к нужной базовой станции.

Коммутатор подключается к линиям связи через соответствую­щие контроллеры связи, осуществляющие промежуточную обработ­ку (упаковку/распаковку, буферное хранение) потока информации. Общее управление работой ЦК и системы в целом производится от центрального контроллера, который имеет мощное математическое

Рис. 5. Структурная схема центра коммутации

обеспечение, включающее перепрограммируемую часть {software). Работа ЦК предполагает активное участие операторов, поэтому в состав ЦК 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 базы данных - домаш­ний регистр, гостевой регистр, центр аутентификации, регистр аппа­ратуры (последний имеется не во всех системах). Домашний регистр (домашний регистр местоположения - Home Locatio Register - HLR) содержит сведения о всех абонентах, зарегистрированных в данной системе, и о видах услуг, которые могут быть им оказаны (при заклю­чении договора на обслуживание для разных абонентов может быть предусмотрено, вообще говоря, оказание различных наборов услуг). Здесь же фиксируется местоположение абонента для организации его вызова и регистрируются фактически оказанные услуги. Гостевой регистр (гостевой регистр местоположения - Visitor Location Register - VLR) содержит примерно такие же сведения об абонентах-гостях (ромерах), 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, т.е. подтверждения подлинности (действительности, законности, наличия прав на пользование услугами сотовой связи) абонента системы подвижной связи и шифрования сообщений. Регистр аппаратуры (регистр идентифи­кации аппаратуры - Equipment Identity Register; идентификация -процедура отождествления подвижной станции - абонентского ра­диотелефонного аппарата, т.е. процедура установления принадлеж­ности к одной из групп, обладающих определенными свойствами или признаками), если он существует, содержит сведения об эксплуати­руемых подвижных станциях 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 базовой станции, в ЦК предусматривается резервирова­ние основных элементов аппаратуры, включая источник питания, процессоры и базы данных.

Функции сотовой связи. Помимо обычной двусторонней радио­телефонной связи с подвижными абонентами сотовой сети и не­подвижными абонентами стационарных телефонных сетей, системы сотовой связи могут предложить абонентам еще целый ряд услуг, в том числе передачу факсимильных сообщений и ком­пьютерных данных, переадресацию вызова и автодозвон, автома­тическую регистрацию продолжительности телефонных разговоров, голосовую почту и многое другое.

Функции сотовой связи состоят из основных и дополнительных. Первые из них могут существовать сами по себе и они разделяются не два больших класса - функции передачи (bearer services) и теле­функции (teleservices). Дополнительные функции (supplementary services) могут предоставляться только одновременно с основными.

Функции передачи включают четыре категории:

1. Асинхронный обмен данными с коммутируемыми телефонны­ми сетями общего пользования (ТфОП) со скоростью 300...9600 бит/с.

2. Синхронный обмен данными с коммутируемыми ТфОП, ком­мутируемыми сетями передачи данных общего пользования (СпдОП) и цифровыми сетями с интеграцией функций со скоростя­ми 300...9600 бит/с.

3. Асинхронный пакетный обмен данными с СпдОП с пакетной коммутацией (доступ через ассемблер/дисассемблер) со скоростя­ми 300... 9600 бит/с.

4. Синхронный пакетный обмен данными с СпдОП с пакетной коммутацией со скоростями 2400...9600 бит/с.

Телефункции включают следующие категории:

1. Передача информации речи и тональной сигнализации в по­лосе речи.

2. Передача коротких сообщений (буквенно-цифровых сообще­ний -до 180 символов - в сторону подвижного абонента).

3. Доступ к системе обработки сообщений (например, передача сообщений от системы персонального радиовызова на подвижную станцию сотовой связи).

4. Передача факсимильных сообщений.

Дополнительные функции включают категории:

1. Идентификация и отображение вызывающего или подключе­ние номера и ограничение идентификации и отображения вызы­вающего или подключенного номера (вызывающей стороне предоставляется право ограничить возможность идентификации ее номера).

2. Переадресация вызова на другой номер (безусловная переад­ресация в случаях, когда абонент занят или не отвечает) и переда­ча вызова (переключение установленной линии связи на другого абонента).

3. Ожидание вызова (при занятом терминале абонент получает извещение о поступившем вызове и может ответить на него, отка­заться от приема вызова или проигнорировать его поступление) и сохранение вызова (абонент имеет возможность прервать прово­димый сеанс связи, ответив на другой вызов, а затем вернуться к продолжению прерванного разговора).

4. Конференц-связь - одновременный разговор трех или более абонентов.

5. Закрытая группа пользователей - эта функция позволяет группе пользователей общаться только между собой; при необхо­димости один или более членов группы могут иметь доступ по входу/выходу к абонентам, не входящим в группу.

6. Оперативная информация о стоимости оказываемых или ока­занных услуг («совет об оплате»).

7. Запрет на определенные функции, например, на входящие вызовы, на международные вызовы или на исходящие вызовы для ромеров.

8. Предоставление открытой линии связи сеть/пользователь для реализации функций, определяемых оператором.

Методы множественного доступа. Понятие множественно­го доступа (английский эквивалент multiple access) связано с орга­низацией совместного использования ограниченного участка спектра многими пользователями. Широкое применение нашли три варианта множественного доступа.

1. Множественный доступ с частотным разделением (англий­ское FDMA - Frequency Division Multiple Access), или множествен­ный доступ с разделением каналов связи по частоте - наиболее простой из методов множественного доступа, как по своей идее, так и по возможностям реализации. В этом методе каждому пользова­телю на время сеанса связи выделяется своя полоса частот ∆f (частотный канал), которой он владеет безраздельно (рис. 6).

Рис. 6. Метод FDMA в координатах «время-частота»

Метод FDMA используется во всех аналоговых системах сотовой связи (системах первого поколения) - это единственный метод, который целесообразно использовать в аналоговых системах, при этом полоса Af составляет 10...30 кГц. Основное слабое место метода FDMA - недостаточно эффективное использование полосы частот. Эта эффективность заметно повышается при переходе к более совершенному методу временного разделения каналов.

2. Множественный доступ с временным разделением каналов связи (английское Time Division Multiple Access - TDMA) достаточно прост по идее, но значительно сложнее в реализации, чем FDMA. Суть метода TDMA заключается в том, что каждый частотный канал разделяется во времени между несколькими пользователями, т.е. частотный канал по очереди предоставляется нескольким пользо­вателям на определенный промежуток времени (рис. 7).

Строго говоря, приведенная на рис. 7 схема соответствует не чистому методу TDMA, а сочетанию FDMA с TDMA, поскольку мы рассматриваем здесь случай не одного, а нескольких частотных

каналов, каждый из которых делится во времени между нескольки­ми пользователями. Однако именно такая схема находит практиче­ское применение в системах сотовой связи, и именно ее обычно называют схемой TDMA.

Рис. 7. Метод TDMA в координатах «время-частота»

Практическая реализация метода TDMA требует преобразования сигналов в цифровую форму и характерного «сжатия» информации в времени. Отметим, что разделение во времени может использо­ваться и для реализации прямых и обратных каналов дуплексной связи в одной и той же полосе частот (английское Time Division Duplex - TDD). Такое техническое решение находит применение в беспроводном телефоне. В сотовой связи обычно используется дуплексное разделение по частоте (английское Frequency Division Duplex - FDD), т.е. прямые и обратные каналы занимают разные полосы частот, смещенные одна относительно другой.

Метод TDMA, однако, сам по себе не реализует всех потенци­альных возможностей по эффективности использования спектра. Дополнительные резервы открываются при использовании иерар­хических структур и адаптивного распределения каналов. Опреде­ленные преимущества в этом плане имеет метод множественного доступа с кодовым разделением.

Множественный доступ с кодовым разделением (английское Code Division Multiple Access - CDMA) предоставляет группе поль­зователей (от 30 до 50) общую полосу частот шириной не менее 1 МГц (рис. 8).

Основная особенность метода CDMA - это работа в широкой по­лосе частот, значительно превышающей полосу сигнала речи, в сочетании с таким кодированием информации каждого из физических каналов, которое позволяет выделять ее из общей широкой полосы, используемой одновременно всеми физическими каналами.

Система связи, реализующая CDMA, является системой с рас­ширенным спектром (английское spread spectrum) - спектр инфор­мационного сообщения искусственно расширяется посредством модуляции (кодирования) периодической псевдослучайной после­довательностью импульсов с достаточно малыми дискретами (анг­лийский термин chip - буквально щепка, осколок, фрагмент), частота следования которых для практических систем составляет 1,2288 МГц. Так что при скорости информационной последователь­ности 9,6 кбит/с длительности одного бита соответствует 128 дис­кретов модулирующей псевдослучайной последовательности (ПСП). Полоса сигнала с расширенным спектром при этом на уров­не 3 дБ составляет 1,23 МГц, причем при помощи цифрового фильтра формируется спектр, близкий к прямоугольному.

Для модуляции сигнала используются три вида функций: «корот­кая» и «длинная» ПСП и функции Уолша порядков от 0 до 63. Длина короткой ПСП составляет 2¹⁵ - 1 = 32 767 знаков, длинной ПСП -2⁴² - 1 = 4,4 • 10¹² знаков. Длительность дискрета для всех трех модулирующих функций одинакова (для функций Уолша имеется в виду дискрет функций высшего порядка) и соответствует частоте следования дискретов 1,2288 МГц.

В прямом канале [от базовой станции к подвижной (рис. 9)] моду­ляция сигнала функциями Уолша (бинарная фазовая манипуляция) используется для различения физических каналов данной базовой станции; модуляция длинной ПСП (бинарная фазовая модуляция) - с целью шифрования сообщений; модуляция короткой ПСП (квадра­турная фазовая манипуляция двумя ПСП одинакового периода) - для расширения полосы и различения сигналов разных базовых станций.

Решение последней задачи обеспечивается тем, что все базо­вые станции используют одну и ту же пару коротких ПСП, но со сдвигом на 64 дискрета между разными станциями; при этом все

физические каналы одной базовой станции имеют одну и ту же фазу последовательности.

В обратном канале [от подвижной станции к базовой, рис. 10)] мо­дуляция сигнала короткой ПСП (квадратурная фазовая манипуляция двумя ПСП одинакового периода) используется для расширения спектра, причем все подвижные станции используют одну и ту же пару ПСП с одинаковым (нулевым) смещением. Модуляция сигнала длинной ПСП (бинарная фазовая манипуляция) помимо шифрования сообщений несет информацию о подвижной станции в виде ее зако­дированного индивидуального номера и обеспечивает различение сигналов от разных подвижных станций одной ячейки за счет индиви­дуального для каждой станции сдвига последовательности.

Рис. 10. Упрощенная структурная схема обработки сигналов в передающем тракте подвижной станции методом CDMA

Метод CDMA обладает сравнительно высокой помехоустойчиво­стью и хорошо работает в условиях многолучевого распространения. Кроме того, он отличается высокой скрытностью, не использует час­тотного планирования, допускает «мягкую передачу обслуживания», но все это требует обязательного использования достаточно сложных технических решений: точной регулировки уровня сигналов, применения секторных антенн и обработки «речевой активности», точной синхронизации базовых станций. Последнее может быть реализовано при помощи спутниковой геодезической системы GPS (Global Position­ing System - Глобальная система определения местоположения), но в результате такая система сотовой связи оказывается не автономной. Метод CDMA в настоящее время рассматривается как метод доступа для третьего поколения систем сотовой подвижной связи.