Печаткин А.В. Системы мобильной связи (часть 1) Принципы организации, функционирования и частотного планирования систем мобильной связи

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

Рыбинская государственная авиационная

технологическая академия имени П. А. Соловьева

А. В. Печаткин

СИСТЕМЫ

МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ

Часть 1

Принципы организации, функционирования

и частотного планирования систем мобильной связи

Рыбинск 2008

УДК 621.396

Системы мобильной связи. Часть 1. Принципы организации, функциониро-

вания и частотного планирования систем мобильной связи: Учебное посо-

бие по дисциплине «Системы мобильной связи» для студентов заочной

формы обучения / Сост. А. В. Печаткин; РГАТА. – Рыбинск, 2008. – 122 с.

СОСТАВИТЕЛЬ

кандидат технических наук А.В. Печаткин

РЕЦЕНЗЕНТЫ

кафедра радиолокации и радиотехнических систем Ярославского высшего

зенитного ракетного училища ПВО (военный институт)

руководитель проекта ОАО «КБ «ЛУЧ» В.Г. Тимофеев

Рассмотрены основные методы и технические решения организации и частот-

ного планирования современных систем мобильной связи, особенности распро-

странения сигналов в условиях средне- и сильно пересеченной местности, ос-

новные модели анализа потерь распространения радиосигналов. Приведена ин-

формация и обобщенные структурные схемы пейджинговых, транкинговых

систем, систем спутниковой и сотовой связи, системы бесшнуровой телефонии.

Рассмотрены вопросы использования технологии интеллектуальных антенн в

мобильных системах связи.

Для студентов специальности 210201 ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ

РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ, специализации ПРОЕКТИРОВАНИЕ И

ТЕХНОЛОГИЯ АППАРАТУРЫ СРЕДСТВ СВЯЗИ, обучающихся по заочной

форме. Будет полезна студентам очной и очно-заочной форм обучения данной

специальности.

ОБСУЖДЕНО

на заседании кафедры радиоэлектронных и телекоммуникационных систем

(РТС)

Рекомендовано методическим советом РГАТА

Зав. РИО М. А. Салкова

Компьютерная верстка – Е. В. Шлеина

Лицензия ИД № 06341 от 26.11.01

Подписано в печать ________

Формат 6084 1/16 Уч.-изд. л. 7,625. Тираж 80. Заказ _____

Множительная лаборатория РГАТА 152934, Рыбинск, ул. Пушкина, 53

 А. В. Печаткин, 2008

 РГАТА, 2008

СОДЕРЖАНИЕ

1. Понятие системы связи подвижной службы общего пользования...........5

1.1. Транкинговые (пучковые) мобильные радиосистемы............................8

1.2. Территориальные (сотовые) системы ......................................................9

1.3. Линейные ССПС.....................................................................................12

1.4. Глобальные ССПС ..................................................................................13

1.5. Системы персонального радиовызова ...................................................14

1.6. Особенности радиоканалов мобильной связи.......................................17

2. Радиоканалы мобильных систем радиосвязи ..........................................19

2.1. Распространение сигнала в свободном пространстве ..........................21

2.2. Затухание, дифракция и отражение радиоволн при работе

устройств наземной мобильной связи...................................................25

2.3. Влияние многолучевости на распространение сигнала .......................32

2.4. Энергетические соотношения в типовых радиоканалах наземной

мобильной связи .....................................................................................41

2.5. Моделирование потерь распространения сигнала................................46

2.5.1. Расчет дальности связи по методике МККР................................54

2.5.2. Модель Ли......................................................................................58

2.5.3. Модель Окамуры ...........................................................................60

2.5.4. Модель Хата...................................................................................61

2.5.5. Модель COST231-Хата .................................................................63

2.5.6. Модель COST231-Уолфиш-Икегами............................................63

2.5.7. Примеры оценки потерь с использованием различных

моделей распространения сигнала...............................................64

3. Формирование зон обслуживания и частотное планирование в

системах мобильной связи........................................................................66

3.1. Общие вопросы проектирования телекоммуникационных ячеек........66

3.2. Типовые методы формирования зон обслуживания .............................71

3.2.1. Статистический способ формирования сот.................................72

3.2.2. Среднепересеченная местность....................................................73

3.2.3. Сильнопересеченная местность ...................................................74

3.2.4. Детерминированный способ.........................................................78

3.3. Упрошенное планирование классической системы сотовой

связи.........................................................................................................79

3.4. Распределение каналов в сотах ...........................................................89

3.5. Методы повышения емкости и качества обслуживания системы

сотовой связи...........................................................................................95

4. Оценка качества обслуживания в системе.............................................102

4.1. Система с ограничением времени ожидания и времени

обслуживания........................................................................................107

4.2. Система с отказами или потереянными вызовами..............................108

4.3. Система с ожиданиями .........................................................................108

4.4. Оценка емкости систем сотовой связи................................................. 110

5. Основы использования технологии интеллектуальных антенн ........... 113

Заключение...................................................................................................118

Список использованных и рекомендуемых источников............................121

1. ПОНЯТИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ ПОДВИЖНОЙ СЛУЖБЫ

ОБЩЕГО ПОЛЬЗОВАНИЯ

Профессиональными системами мобильной или подвижной радиосвя-

зи PMR (Professional Mobile Radio) называются телекоммуникационные

системы, использующие в качестве каналов связи радиоканал и преду-

сматривающие использование нестационарных (носимых) пользователь-

ских терминалов. Как правило, они имеют радиальную или радиально-

зоновую (сотовую) структуру сети и могут использовать как симплексные

(односторонние), так и дуплексные каналы (двухсторонние) каналы связи.

При этом предполагается, что сама система может использовать для своих

служебных нужд и управления коммутируемые и выделенные проводные

линии электросвязи и оборудование стационарных систем телефонной

связи общего пользования – PSTN (англ. Public Switched Telephone

Network). В связи с большим количеством различных по функционально-

му составу и назначению систем мобильной связи в международной трак-

товке для обобщенной классификации используется термин «система свя-

зи подвижной службы (ССПС)».

Система связи подвижной службы общего пользования является

двухуровневой составной телекоммуникационной сетью, включающей

систему мобильной радиосвязи PMR (первый уровень) и телефонную сеть

общего пользования – PSTN (второй уровень). Двухуровневая телекомму-

никационная сеть обеспечивает функции коммутации и распределения

информации в каждой из составных частей – рис. 1.1.

Участки «1» составной сети являются радиолиниями, образованными

между мобильными станциями (MS) и базовыми станциями (BS). Участки

«2» сети представляют многоканальные соединительные линии между BS

и центром коммутации подвижной службы (ЦКПС). Участки «3» сети яв-

ляются магистральными соединительными линиями (МСЛ) между радио-

уровнем и фиксированной сетью PSTN. Множество базовых станций, раз-

мещаемых по всей зоне обслуживания системы, позволяет обеспечивать

устойчивую радиосвязь любого мобильного абонента радиоуровня, в ка-

кой бы точке зоны обслуживания он не находился, с другим мобильным

абонентом или с абонентом фиксированной сети PSTN через ЦКПС. Та-

ким образом, ЦКПС выполняет роль автоматического радиокросса, обес-

печивающего коммутацию между собой различных мобильных станций в

зоне обслуживания, коммутацию MS с абонентскими телефонными аппа-

ратами сети, а также выход на ЦКПС других зон обслуживания.

Рис. 1.1. Составная двухуровневая телекоммуникационная сеть

Увеличение плотности размещения базовых станций BS в зоне об-

служивания позволяет сократить протяженность линий мобильной радио-

связи между MS и BS. Это, однако, не гарантирует предоставление и по-

лучение высококачественной радиосвязи в течение длительного времени

из-за экранирования антенн MS и BS при работе в движении, особенно в

условиях сильнопересеченной местности и воздействия помех.

Участки «1» составной сети (первичный пучок линий) могут рассмат-

риваться как линии с кратковременным занятием. Такие линии в процессе

установления связи могут вести себя как исправные, но из-за переходов в

состояния плохого качества они не могут использоваться для дальнейшего

обслуживания разговоров. Переходы линий радиосвязи в различные со-

стояния и эквивалентны потерям вызовов.

Участки «2» составной сети могут строиться на основе линий радио-

релейной связи (РРС), волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) и ка-

бельных линий связи (КЛС). Процессы коммутации и распределения ка-

налов связи на участках «1» и «2» могут рассматриваться как процессы

Магистральные

соединительные линии

ЦКПС

АТС

ЦКПС

Соединительные

линии

Уровень

PSTN



Радиоуровень

Радиолинии

установления транзитной связи между мобильными станциями MS и

ЦКПС через базовые станции BS.

Участки «3» составной сети формируются на основе выделенных ка-

налов фиксированной сети PSTN. Процессы распределения каналов в ма-

гистральных соединительных линиях рассматриваются как предоставле-

ние свободных линий связи для обслуживания транзитных разговоров

между абонентами MS и абонентами сети PSTN в требуемые моменты

времени.

Т. о., каналы ССПС являются составными каналами, объединяющими

радиоуровень (PMR) и уровень фиксированной сети (PSTN) телекомму-

никационной системы.

В настоящее время в различных странах мира применяются различ-

ные виды ССПС, которые обеспечивают информационные потребности

экономики этих стран. Деление ССПС на виды определяется структурным

построением радиоуровня – рис. 1.2.

Рис. 1.2. Классификация систем связи подвижной службы

В основе разделения региональных СПСС лежат способы организа-

ции радиосвязи. Глобальные СПСС различаются способом соединения

различных зон обслуживания. Системы персонального радиовызова де-

лятся на группы по способу организации радиовызовов.

1.1. ТРАНКИНГОВЫЕ (ПУЧКОВЫЕ) МОБИЛЬНЫЕ

РАДИОСИСТЕМЫ

Подобные системы называют также профессиональными системами

связи подвижных абонентов с абонентами телефонных сетей общего поль-

зования PAMR (англ. Public Access Mobile Radio). Транкинговые радио-

системы строятся на основе использования базовых радиоретрансляцион-

ных управляющих пунктов (сайтов), размещаемых в определенных точках

территорий с целью обеспечения электромагнитного покрытия зоны об-

служивания – рис. 1.3.

Рис. 1.3. Организация радиосвязи в транкинговых системах

Максимальные расстояния связи (радиусы) между сайтом и мобиль-

ной станцией MS должны обеспечивать уверенную связь в зоне обслужи-

вания. Сайтовый ретранслятор по заявке MS представляет ей голосовой

канал (рабочую частоту). Заявки на радиосвязь могут поступать одновре-

менно от нескольких MS, поэтому сайтовый ретранслятор включает не-

сколько свободнодоступных радиоканалов (рабочих частот), составляю-

щих канальную базу (англ. trunk – пучок) системы.

Основным принципом организации связи в транкинговых системах

является создание радиосетей или разговорных групп.

Разговорные группы формируются по принципу общей заинтересо-

ванности пользователей в поступающей информации. Т. о, разговор одной

пары абонентов могут слышать все абоненты этой радиосети, имеющие

соответствующий доступ. Это позволяет существенно сократить расход

рабочих частот и достичь наиболее полного использования выделенного

диапазона.

ЦКПС

к PSTN

радионаправление

Принцип транкинговой связи очень удобен в ведомственных системах

– воинские подразделения, пожарная служба, скорая помощь, милиция,

служба спасения и т. д. При нарушении связи в разговорных группах

вследствие воздействия помехи разговорный канал автоматически заменя-

ется на новый. Это обуславливает необходимость введения быстрой элек-

тронной перестройки MS. Для вызова требуемого абонента используются

специальные адресные сигналы (цифровые последовательности), которые

передаются по управляющему каналу.

Транкинговые системы строятся на основе как аналоговых

(MPT 1317, MPT 1327, MPT 1343, MPT 1347), так и цифровых стандартов

(ETS 300.392, ETS 300.394), более известных под аббревиатурой общеев-

ропейского стандарта TETRA (англ. Trans European Trunken Radio). Стан-

дарты этой серии обеспечивают передачу речевых сообщений в цифровой

форме, используя временное разделение каналов. Передача осуществляет-

ся со скоростью до 28,8 кбит/с. Стандарты предусматривают опознавание

абонента и организацию прямой связи между абонентами без участия ба-

зовой станции.

Различают системы с последовательным (сканирующим) поиском

свободного канала и системы с выделенным каналом управления.

Основным недостатком сканирующих транкинговых систем является

значительное время установления связи и, в связи с этим, малое количест-

во каналов (обычно до 10).

Достоинствами транкинговой радиосвязи является охват больших

зон обслуживания путем формирования многосайтовых систем.

К недостаткам транкинговой связи относится не систематическая

связь с абонентами из-за наличия теневых участков в зоне электромагнит-

ного покрытия.

1.2. ТЕРРИТОРИАЛЬНЫЕ (СОТОВЫЕ) СИСТЕМЫ

Территориальные (сотовые) системы являются результатом дальней-

шего развития транкинговых сетей и, прежде всего, с точки зрения ком-

мерческого использования. Основное внимание при проектировании уде-

ляется обеспечению индивидуального вызова любого подвижного абонен-

та системы на выделенной рабочей частоте. Основным принципом орга-

низации связи в сотовых системах является создание радионаправлений с

ретрансляцией сигналов. Радионаправления формируются между двумя

любыми MS зоны обслуживания, а также между любой MS и телефонным

аппаратом абонента стационарной телефонной сети связи.

Основным способом улучшения качества радиоканалов является уст-

ранение теневых зон путем деление всей зоны обслуживания на более

мелкие субзоны за счет введения множества базовых станций.

Для централизованного управления системой все BS субзон соединя-

ются с помощью соединительных линий со специальной диспетчерской

станцией – центром коммутации подвижной службы. Каждая BS обслу-

живает свою территорию, поэтому такие системы называются террито-

риальными. Зона обслуживания системы представляет мозаичную карти-

ну, составленную из субзон и напоминает сотовую структуру, поэтому

территориальные мобильные системы часто называются сотовыми сис-

темами. Наращивание количества сот позволяет теоретически неограни-

ченно расширять площадь зоны обслуживания, причем качество радиока-

налов будет высоким независимо от расположения MS в любой точке зо-

ны.

Базовая станция представляет собой многоканальный приемопередат-

чик и служит своеобразным интерфейсом между сотовым телефоном и

центром коммутации подвижной связи, где роль проводов обычной теле-

фонной сети выполняют радиоволны. Число каналов базовой станции

обычно кратно 8, например, 8, 16, 32 и т. д. Один из каналов является

управляющим (control channel). В некоторых ситуациях он может назы-

ваться также каналом вызова (calling channel). На этом канале происходит

непосредственное установление соединения при вызове подвижного або-

нента сети, а сам разговор начинается только после того, как будет найден

свободный в данный момент канал и произойдет переключение на него.

Все эти процессы происходят очень быстро и незаметно для абонента, ко-

торый лишь набирает нужный ему телефонный номер и разговаривает, как

по обычному телефону. Любой из каналов сотовой связи представляет со-

бой пару частот для дуплексной связи, т. е. частоты базовой и подвижной

станций разнесены. Это делается для улучшения фильтрации сигналов и

исключения взаимного влияния передатчика на приемник одного и того

же устройства при их одновременной работе.

Как уже отмечалось выше, все базовые станции соединены с центром

коммутации подвижной связи (коммутатором) выделенными проводными

или радиорелейными каналами связи – рис. 1.4.

Центр коммутации мобильной связи (MSC) представляет собой авто-

матическую телефонную станцию системы сотовой связи, обеспечиваю-

щую все функции управления сетью. Он осуществляет постоянное слеже-

ние за подвижными станциями, организуя эстафетную передачу, в про-

цессе которой достигается непрерывность связи при перемещении або-