Системы сотовой подвижной (мобильной) связи
В 1946 г. исследовательская лаборатория Bell Laboratories (компания АТ&Т г. Сент-Луис, штат Миссури, США) создала первую сеть мобильной связи. Это была простейшая шестиканальная (т. е. с шестью несущими частотами) система связи с одной базовой приемопередающей станцией для передачи и приема абонентских сообщений. Эта сеть связи строилась по так называемому принципу неизбежности или фатальности: на самый высокий небоскреб в городе подвесили (установили) антенну, к которой подсоединили передатчик большой мощности. Масса первого радиотелефона составляла 30 кг, и для работы он требовал наличия у подвижного абонента аккумулятора большой емкости и генератора постоянного тока, поэтому «мобильники» устанавливались в автомобилях. Переключение абонента между каналами связи, в поисках свободного, осуществлялось вручную. Радиопередатчик позволял пассажирам или водителю связаться с АТС и таким образом совершить звонок. При этом телефонное общение было сложным (симплексным) — нельзя было и слушать и говорить одновременно. Так, чтобы донести свое сообщение до собеседника, нужно было нажать и удерживать кнопку телефонной трубки, а чтобы услышать ответ, кнопку надо было отпустить. Чтобы позвонить на радиотелефон, приходилось сначала звонить на телефонную станцию и затем сообщать номер оператору. Всего такая «первобытная» система связи поддерживала 23 пользователя одновременно и предназначалась для бизнесменов, переезжающих из г. Нью-Йорка в г. Бостон. Но инновационная идея Bell Laboratories не прижилась — слишком дорого выходило пользование услугами мобильной связи. Впрочем, зерно было посеяно. Поскольку данной системе связи был отведен ограниченный частотный ресурс, то повышение количества обслуживаемых абонентов требовало пропорционального увеличения числа несущих частот базовой станции. А для связи был выделен диапазон с фиксированными частотными каналами. Если в одно время используются близкие по частоте каналы связи, то общаться с помощью телефонов практически невозможно.
П ервая задача успешно решалась по мере бурного развития элементной базы, в частности создания биполярных транзисторов. Проблему эффективности использования ограниченного частотного ресурса удалось решить путем разработки сотовой концепции системы связи. Идея сотового принципа организации сетей подвижной связи была выдвинута в 1947 г. сотрудником лаборатории Bell laboratories Д. Рингом (D. Ring). Концепция сотовой связи оказалась простой. Вся обслуживаемая зона (территория) связи разбивается на соты — ячейки (в идеале — правильные шестиугольники; топология такой сети напоминает пчелиные соты — от англ. cell — откуда и пошло сегодняшнее название сотовых телефонов) с повторным использованием частот (англ. frequency reuse) в каждой из них (рис. 1.38).
Рис. 1.38. Построение сотовой системы подвижной связи
Это значительно повышало эффективность частотного диапазона, что в свою очередь увеличивало емкость системы. В центре каждой ячейки устанавливается маломощная базовая приемопередающая станция с одной или некоторым определенным набором несущих частот (каналов связи), достаточным для установления абонентской связи согласно предполагаемому трафику. Базовые приемопередающие станции с помощью проводной, радиоканальной связи или волоконно-оптической линии связи подключаются к выходу сотового терминала, который соединен с телефонной сетью общего пользования. Через двадцать лет данная идея нашла свое воплощение в сотовых сетях подвижной радиосвязи общего пользования. Внедрение подвижных сетей радиосвязи начинается с 70-х гг. в XX в., вначале в США, а позже в западноевропейских странах, в Японии и в других регионах мира. Благодаря их созданию новые услуги подвижной радиосвязи стали доступными для сотен миллионов людей многих стран мира. Отметим, что физически в сотовых сетях связи радиопокрытие какой-либо территории осуществляют ячейками, антенны БПС которых имеют круговые диаграммы направленности. И тем не менее реально связь осуществляют фактически по сотовой модели. Дело в том, что пересечение соседних окружностей происходит по хордам, которые в идеале и образуют шестигранные ячейки — соты (см. круги и шестигранники на рис. 1.38). В связи с тем, что любая ячейка Рис. 1.38. Построение сотовой ИМееТ Hf6o™ft радиус действия до-
системы подвижной связи "У™ 1-5 км' одна маломощная базовая станция будет уже обслуживать меньшую территорию, и поэтому ее мощность (как и мощность мобильной станции) может быть существенно снижена. Реально мощность каждой базовой станции может быть уменьшена в десятки и сотни раз, однако их суммарная
м ощность, естественно, велика и соизмерима с мощностью одной крупной БПС, которая обслуживала бы ту же территорию. Заметим, что наряду с информативными сигналами БПС излучает так называемые пилот-сигналы — специальные смодулированные или иные колебания. Измеряя и сравнивая пилот-сигналы от разных БПС, МС выбирает наибольший. БПС с круговой диаграммой направленности антенн осуществляет передачу сигнала одинаковой мощности практически по кругу, что для абонентских станций в соседних сотах эквивалентно приему помех со всех направлений. В этом случае особенно мешающее действие приему сигналов оказывают взаимные помехи по совпадающим частотным каналам — соканалъные помехи. Для избежания воздействия соканальных помех соты с одинаковым набором несущих частот перемежают буферными сотами с другим набором частот. Группа сот в зоне обслуживания с различными наборами частот называется кластером, а число частот в наборе — размерностью кластера. На рис. 1.38 жирными линиями выделена сотовая структура с размерностью кластера n = 7. Чтобы снизить общий уровень интерференционных помех от соседних сот и абонентских устройств, а также помех от посторонних источников ЭМИ, на базовых станциях используется многосекционная направленная антенна, позволяющая делить общее пространство радиоперекрытия на отдельные сектора. Антенна БПС с секторной ДН излучает практически всю энергию передаваемого сигнала в заданном направлении, а уровень боковых излучений сокращается до минимума. Секторное построение антенн БПС позволяет многократно применять набор частот при одновременном снижении уровня соканальных помех. В зависимости от числа действующих в ячейке абонентов, нагрузки и электромагнитной обстановки на местности используются антенны различной конфигурации и размеров. Наибольшую емкость обеспечивает сотовая модель сиетемы радиосвязи, содержащая четыре БПС с шестью 60-градусными антеннами (рис. 1.39).
Рис. 1.39. Модель ССПС с двенадцатью группами частот
Из структурной схемы системы данной модели следует, что каждая частота используется дважды в зоне, состоящей из четырех БПС (четыре соты выделены жирной линией). Благодаря такой модели построения каждая из четырех БПС в пределах зон действия шести 60- градусных антенн в одной ячейке может работать на двенадцати группах частот (n=12). Все сотовые системы связи с повторным использованием набора частот разрабатывались с учетом важного требования — координаты местоположения мобильного абонента заранее неизвестны и непредсказуемы в пределах заданной зоны обслуживания данной сети. Благодаря высокоточной автоматической регулировке коэффициента усиления выходных усилителей мощности передатчиков БПС, эффективность секторного перекрытия близка к 100%. Одной из основных проблем при разработке систем сотовой связи является обеспечение непрерывной связи во время передвижения абонента в зоне обслуживания. Для ее решения сотовая концепция включает в себя принцип «эстафетной передачи» (hand off— сопровождение или переброску; handover — хэндовер) переговорных сигналов из ячейки в ячейку, вследствие чего абонент может вести разговор, свободно пересекая границы сот, автоматически переключаясь с одной БПС на другую. Современные хэндоверы бывают двух типов:
• внешний — когда меняется БПС, через которую идет связь с сетью;
• внутренний — когда во время разговора меняется канал приема/передачи.
Обычно внедрение сотовой сети связи начинается с развертывания небольшого числа крупных сот с радиусом действия 1...35 км, получивших название макросот. Когда нагрузка в ячейке достигает уровня, при котором существующего числа каналов недостаточно (вероятность непредоставления канала абоненту становится более 5 %), эта сота разделяется на более мелкие с пониженной мощностью передатчиков БПС и МС. При этом макросотовая структура постепенно трансформируется в сеть с более мелкими сотами (микросоты) с большим их числом и радиусом действия до 1 000 м, а пропускная способность сети на территории региональной ячейки возрастает в число раз, равное числу вновь созданных сот. Такой способ преобразования сотовых сетей связи называют расщеплением. В этом случае мощность радиопередатчиков базовых станций уменьшается еще больше. Этот способ разделения повторяется, пока сеть не достигнет расчетного значения пропускной способности. Старое оборудование при расщеплении сохраняется полностью, меняется только мощность источников излучения. Микросоты предназначаются для трафика, отражающего медленно передвигающихся на небольшие расстояния или стоящих абонентов, находящихся на улицах, в помещениях, вокзалах, аэропортах. Принципы построения микросотовых и макросотовых сетей существенно отличаются. Создание небольших сот приводит к сложной проблеме, когда абонент в быстро движущемся транспорте в течение одного сеанса связи проходит через несколько ячеек. Это вызывает рост числа переключений между БПС, а значит, необходимость разработки быстродействующих алгоритмов переключения при «эстафетной передаче» абонента. В этом случае непрерывность связи обеспечивается способностью системы МС передавать связь тем БПС, в зонах которых он оказывается в данный момент. Центр коммутации системы на основе непрерывных измерений сигналов БПС, ближайших к движущемуся мобильному абоненту, определяет момент его пересечения границы двух сот. После этого центр переключает разговорный канал из первой ячейки во вторую за столь короткое время, что сохраняется непрерывность разговора. Однако это требует сложного алгоритма определения номера той ячейки из нескольких соседних, куда въезжает движущийся транспорт (входит человек), и сложных схемотехнических решений. Этот же алгоритм освобождает канал в первой ячейке и осуществляет поиск канала и установление по нему связи во второй, соседней. Второе отличие связано с трудностями прогнозирования условий распространения радиоволн на небольших обслуживаемых системой связи территориях. Для этого требуются электронные карты местности, топография структур улиц, строений и т. д. Если в какой-либо ячейке или группе сот трафик начинает существенно превышать расчетное значение, ее разделяют на ряд более мелких ячеек — пикосот — с радиусом обслуживания 10... 100 м и пониженной мощностью передатчиков БПС. При этом пропускная способность сети увеличивается в число раз, равное числу вновь образованных пикосот. Как правило, при микро- и пикосотовой структурах построения сети надобность в применении эстафетной передачи абонента и многократном использовании частот отпадают. Бурное развитие современных радиоэлектронных и «связных» технологий позволило осваивать новую концепцию построения ССПС, связанную с использованием в БПС интеллектуальных антенных систем, автоматически перестраивающих свои диаграммы направленности на мобильные станции. На практике это стало возможно с внедрением ФАР и адаптивных (интеллектуальных) антенн, разработанных специально для цифровых систем подвижной связи. Наиболее эффективными оказались адаптивные ФАР, реализующие максимальный коэффициент усиления антенны в направлении ведущего переговоры мобильного абонента и обеспечивающие минимальный уровень соканальных помех в приемнике. Интеллектуальная ФАР состоит из ряда элементарных излучателей, объединенных микропроцессором с амплитудными и фазовыми анализаторами принимаемых радиосигналов. По результатам анализа амплитудных и фазовых соотношений сигналов, поступающих на элементарные излучатели от мобильной станции, сигнальный процессор определяет направление оптимального приема и формирует требуемую диаграмму направленности решетки. Первоначально развитие получили аналоговые системы (стандарты) сотовой связи: так называемое первое поколение, или IG (от англ. First Generation). К ним относятся североамериканский стандарт AMPS, скандинавский стандарт NMT-450 (первая сеть, внедренная в Российской Федерации; Москва и Санкт- Петербург — 1991 г.) и ряд др. Следующим этапом развития ССПС стало создание цифровых систем второго поколения (2G): в США — D-AMPS и общеевропейский стандарт GSM.
Знаменательной вехой в развитии систем сотовой подвижной связи является 1989 г., когда фирмой «Qualcomm» (США) была завершена разработка новой цифровой системы второго поколения, использующей технологию CDMA. Эта технология в несколько раз повышала эффективность использования спектра в сотовой связи и позволяла создавать сети весьма большой емкости. В странах Западной Европы, в которых распределение полос частот между разными службами существенно отличается от стран американского континента, сети на основе этой технологии не создавались. В них происходило интенсивное развитие сотовых сетей стандарта GSM. В России в 1997 г. на основе технологии CDMA начали создаваться сети абонентского доступа. В настоящее время в России в основном применяются зарубежные ССПС четырех стандартов (цифры обозначают диапазон рабочих частот):
• аналоговые NMT-450 и NMT-900 (Nordic Mobile Telephone — Скандинавская система подвижной телефонной связи, диапазоны 450 и 900 МГц);
• аналоговая AMPS (Advanced Mobile Phone System — Перспективная подвижная телефонная система, диапазон 800 МГц);
• цифровые GSM-900, GSM-1800 и два его варианта — DCS-1800 (Digital Cellular System) и PCS-1900 (Personal Communication Service); GSM — от названия группы Groupe Special Mobile — Глобальная система подвижной связи; в 1991 г. аббревиатура GSM приобрела иную трактовку — Global Standart for Mobile Communications — Глобальный стандарт для подвижной связи;
• цифровая D-AMPS {D — digital — цифровая — IS-54; диапазоны 900, 1800 и 1900 МГц) и сеть CDMA фирмы Qualcomm (диапазоны 800 и 1 900 МГц).
Система CDMA по сравнению с GSM обеспечивает более высокое качество связи, меньшие энергетические затраты, но сложна в построении. Первые две цифровые системы подвижной радиосвязи базируются на комбинировании метода многостанционного доступа с частотным разделением каналов с методом многостанционного доступа с временным разделением каналов при частотном дуплексном разносе прямых и обратных каналов радиосвязи, последняя система (CDMA) — на многостанционном доступе с кодовым разделением каналов. Стандарт NMT-450 нашел широкое распространение в Северной и Центральной Европе (Швеции, Финляндии, Бельгии, Российской Федерации, Австрии, Венгрии, Турции и других странах), однако в последние годы его дальнейшее внедрение практически заморожено. Все эти системы подвижной связи используют модели сот с радиусом действия от 0,1 до 35 км.