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

Подождите немного. Документ загружается.

Второй способ имеет особое практическое значение. Необходимо

обеспечить, чтобы поступающие на базовую станцию сигналы с различ-

ных подвижных станций одной соты имели примерно одинаковую допус-

тимо низкую мощность, которая обеспечит требуемое отношение P

или

вероятность появления ошибок. Все действующие ССПС применяют кон-

троль мощности подвижных станций. Это наиболее важно для функциони-

рования систем CDMA, в которых регулирование мощности в большой

степени определяет фактическую емкость системы.

В табл. 3.3 представлен пример распределения каналов в системе

GSM с топологией, изображенной на рис. 3.10 б в предположении, что в

распоряжении одного оператора находятся все 124 несущих [2]. В действи-

тельности, спектр GSM разделяется между несколькими операторами, и

для каждого из них надо подготовить аналогичную таблицу, содержащую

набор несущих частот.

Таблица 3.3

Распределение частот несущих для оператора системы GSM

1А 2А ЗА 4А 1В 2В 3В 4В 1С 2С ЗС 4С

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48

49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72

73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84

85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96

97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108

109 ПО 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120

121 122 123 124

Правила заполнения таблицы 3.3 следующие: двенадцать различных сек-

торов, включенных в таблицу, начинаются с обозначения 1А (j = 1) и заканчи-

ваются на 4С (j = 12), при этом 7-й сектор (j = 1,2..., 12)

124

использует несущие

с номерами j + 12k, (k = 0,1..., n), где п – наибольшее целое число, для кото-

рого (124 – 12n)/12 < 1.

До сих пор обсуждались распределение несущих (каналов) только с

точки зрения минимизации межканальных помех. Если такое распределе-

ние производится единожды и в последующем не меняется, то оно называет-

ся фиксированным распределением каналов. В традиционной аналоговой со-

В случае системы GSM, если количество сот в кластере N = 4, а в каждой соте по три сектора,

то общее количество разных секторов составляет 12.

товой системе канал – это частотный интервал, в центре которого находится

несущая частота. В системах TDMA/FDMA распределение каналов пред-

ставляет собой выделение определенного временного интервала на кон-

кретной несущей частоте. В системах CDMA/FDMA канал – это определен-

ный расширяющий код, используемый на данной частоте.

Фиксированное распределение каналов – простейший метод распреде-

ления ресурсов системы. В действительности он может быть менее удо-

бен, чем в простейшем случае гексагональных сот с интенсивностью тра-

фика, равномерно распределенного по всей зоне охвата системы. Сложно-

сти возникают из-за необходимости учитывать реальное или ожидаемое

распределение трафика и разные размеры сот и секторов. При фиксирован-

ном распределении каналов установление нового соединения в данной со-

те возможно только в том случае, если в ней есть незанятые каналы. В слу-

чае временного отсутствия доступных каналов абонент страдает от блоки-

ровки соединения. В этот момент в соседних сотах могут быть свободные

каналы. Количество запросов может сильно меняться в зависимости от дня

недели, времени суток или от конкретного события.

Таким образом, фиксированное распределение каналов может оказать-

ся неэффективным решением, приводящим к большой вероятности блоки-

ровки в часы наибольшей нагрузки.

Существуют более сложные методы распределения каналов [1,2], кото-

рые учитывают динамическое изменение потребности в каналах.

На рис. 3.14 представлена классификация стратегий распределения ка-

налов.

Рис. 3.14. Классификация основных методов распределения каналов

Методы распределения каналов

Фиксированное (статисти-

ческое)

Гибкое

Основное фиксированное

Простое заимствование

Гибридное

Заимствование с упорядочиванием

Динамическое

С планированием С прогнозировани-

ем

С оптимизацией

при каждом соединении

Метод простого заимствования каналов представляет собой улучшен-

ный вариант основной стратегии фиксированного распределения, к кото-

рой добавлено немного динамики. Если все каналы, выделенные соте, за-

няты, то свободный можно позаимствовать в соседней соте, при условии,

что этот канал не интерферирует с уже используемыми. С момента заимст-

вования канала данной сотой, ряду окружающих сот запрещается исполь-

зовать заимствованный канал во избежание меж- и внутриканальных по-

мех. Процессом заимствования управляет центр коммутации подвижной

связи. Он блокирует заимствованные каналы в сотах, расположенных через

одну или две соты от заимствующей соты. Центр коммутации ведет базу

данных свободных, заимствованных и блокированных каналов и информи-

рует о них соответствующие базовые станции.

Благодаря применению такой стратегии вероятность блокировки

уменьшается до определенного порогового уровня, определяемого интен-

сивностью трафика. Если текущая интенсивность трафика превышает этот

уровень, то степень использования каналов начинает уменьшаться, по-

скольку заимствование одного канала приводит к его блокировке пример-

но в пяти других сотах.

Гибридное распределение каналов устраняет недостатки предыдущего

метода. В этом методе каналы в каждой соте делятся на две категории:

 в первую категорию входят каналы, используемые только в данной

соте;

 ко второй относятся каналы, которые могут быть заимствованы.

Соотношение количества каналов в обеих категориях определяется на

основе ожидаемого трафика. Каждый канал отмечен по принадлежности к

той или иной категории.

Дальнейшее повышение коэффициента использования канала достига-

ется при помощи метода заимствования с упорядочиванием. При этом мето-

де количество каналов, входящих в каждую категорию, динамически меня-

ется в зависимости от объема трафика. Вероятность заимствования при-

сваивается каждому каналу, подлежащему заимствованию. Каналы сорти-

руются в порядке убывания этой вероятности. Значения вероятностей об-

новляются на основании данных о количестве заимствований каналов.

В методе динамического распределения каналов отсутствуют каналы,

постоянно закрепленные за сотами. Каналы выделяются конкретному со-

единению или последовательно нескольким соединениям. Решение о выде-

лении канала принимается либо центром коммутации, либо подвижной

станцией. В первом случае речь идет о централизованном управлении; во

втором – о распределенном управлении процессом выделения каналов.

Центр коммутации выбирает конкретный канал, пользуясь критерием ми-

нимизации стоимостной функции. Эта функция зависит от вероятности бло-

кировки, частоты использования потенциально выделяемого канала, рас-

стояния до соты, в текущий момент использующей тот же самый канал, и

т. д. В процессе выделения канала центр коммутации также учитывает из-

мерения уровня сигнала, принимаемого с подвижной станции.

Метод гибкого распределения каналов сочетает в себе преимущества

фиксированного и динамического распределений. Каждая сота постоянно

имеет в своем распоряжении набор каналов, достаточный для обслужива-

ния трафика средней интенсивности. Центр коммутации управляет осталь-

ными каналами, которые могут быть выделены соте, испытывающей не-

хватку постоянных каналов для обслуживания высокого текущего трафика.

В стратегии гибкого распределения каналов с планированием выделе-

ние дополнительных каналов планируется заранее с учетом времени суток и

расположения соты. Распределение каналов изменяется в заранее установ-

ленные моменты, предшествующие критическому возрастанию интенсивно-

сти трафика.

В стратегии гибкого распределения каналов с прогнозированием интен-

сивность трафика измеряется в режиме реального времени, и центр комму-

тации подвижной связи может перераспределять каналы в любой момент

времени.

Приведенные методы распределения каналов дают всего лишь общее

представление о многообразии способов распределения каналов, представ-

ленных в специальной литературе. Сравнив две основные группы методов –

фиксированного и динамического распределения каналов, можно утвер-

ждать о существовании компромисса между достижимым качеством обслу-

живания (подразумеваемым здесь в основном как вероятность блокировки

соединений), сложностью реализации и эффективностью использования вы-

деленного спектра. Результаты моделирования и анализа свидетельствуют,

что при малой интенсивности трафика динамическое распределение каналов

дает лучший результат, чем фиксированное. Однако фиксированное распре-

деление показало свое превосходство в условиях больших объемов трафика

и равномерного распределения подвижных станций по зоне охвата системы.

При фиксированном распределении каналы выделяются таким образом,

чтобы обеспечить их максимально многократное использование. Это невоз-

можно осуществить в случае динамического распределения, которое имеет

статистический характер, обусловленный статистической природой звонков

и запросов на выделение канала.

3.5. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЕМКОСТИ И КАЧЕСТВА

ОБСЛУЖИВАНИЯ СИСТЕМЫ СОТОВОЙ СВЯЗИ

Емкость системы сотовой связи, определяемая числом абонентов, ко-

торых она способная обслужить без нарушения параметров качества, яв-

ляется важнейшей характеристикой коммерческой радиосети, поэтому

при проектировании и развитии системы сотовой связи в подавляющем

большинстве случаев значительная часть усилий направляется именно на

достижение наибольшей емкости. Фактически и сама система сотовой

связи, основанная на принципе использования повторяющихся частот,

появилась в ответ на потребность общества в построении эффективной

системы массового обслуживания при использовании жестко ограничен-

ной полосы частот.

Существует несколько основных способов повышения емкости сис-

темы сотовой связи [10,12,13].

Первый – повторное использование частот уже упоминался в этом

разделе и подробно рассматривался выше.

Второй способ представляет собой совершенствование методов обра-

ботки сигналов, в частности переход от аналоговой обработки к цифро-

вой. При этом происходит переход к более совершенным методам множе-

ственного или, иначе, многостанционного доступа – от FDMA (частотного

разделения каналов связи) к TDMA (временному разделению каналов свя-

зи), а затем к CDMA (кодовому разделению каналов связи).

Третьим способом является использование секторных антенн для

разделения зоны обслуживания внутри соты на три или более сектора и

использование в каждом секторе своей полосы частот. Этот способ факти-

чески дает те же результаты, что и простое повторное использование час-

тот.

Четвертый способ заключается в дроблении ячеек, т. е. к переходу к

меньшим по размерам ячейкам в районах с более интенсивным трафиком,

при сохранении коэффициента повторного использования частот Число

базовых станций при этом увеличивается, однако снижается мощность из-

лучения как базовых, так и мобильных станций. Дробление соты, как пра-

вило, выполняется путем создания сот меньшего размера в определенной

части ее зоны покрытия. Радиусы меньших сот принимаются равными по-

ловине радиуса исходной соты, а их площади, соответственно, становятся

меньше в четыре раза. Большие соты используются в районах с неболь-

шим трафиком, а меньшие – в зонах с более интенсивным трафиком – рис.

3.15 [10,12].

На рис. 3.16 представлен пример дроб-

ления секторизованных сот. Новая сота

помещается точно посередине между обо-

значенными цифрой 1 исходными сотами с

секторами A, B и C и имеет вдвое меньший

радиус. Секторизация сохраняется. Разме-

щение новой соты в указанном месте не

изменяет величины коэффициента внутри-

канальных помех Q = R/r, так как и рас-

стояние между сотами одного типа, и их

радиусы уменьшаются вдвое [2].

Введение новой соты позволяет сни-

зить мощность базовой станции до уровня,

обеспечивающего мощность принимаемого

на границе меньшей соты сигнала и равного мощности сигнала на границе

исходной соты. Это верно и для подвижных станций. Мощность сигнала

, принимаемого на расстоянии r от базовой станции, связана с мощно-

стью передаваемого сигнала выражением



 rkPP

(3.34)

где P

Т1

– мощность сигналов, передаваемых в основной соте; k – коэффициент

пропорциональности.

Если предположить, что на границах меньшей и основной сот с ра-

диусами r/2 и r соответственно принимается сигнал одинаковой мощно-

сти, то можно прийти к выводу, что мощности сигналов, передаваемых в

основной соте P

Т1

и в меньшей соте P

Т2

, связаны выражением

















12 TT

PP .

(3.35)

Тогда при  = 4 из (3.35) следует, что излучаемая в меньшей соте

мощность на 12 дБ меньше мощности, передаваемой в большей соте.

В 1991 году Ли (англ. W. C. Y. Lee) предложил другое решение про-

блемы увеличения емкости системы – так называемую концепцию микро-

сотовых зон. В этом решении устранены некоторые недостатки разделе-

ния сот на секторы, такие, как необходимость частой передачи соединения

из одного сектора в другой и уменьшение транковой эффективности. При

использовании трехсекторных антенн исходные соты разделяются на три

зоны. На границе каждой зоны размещаются зоновые приемники и пере-

Рис. 3.15.

Использование ячеек

с меньшим размером

в районах с интенсивным

траф

ком

датчики. Они соединены с селектором зоны и общей частью базовой

станции данной соты оптоволоконными или радиорелейными каналами.

Расположенная в данной

соте подвижная станция

соединяется с самым силь-

ным зоновым передатчи-

ком и приемником. Все зо-

ны одной соты используют

общий пул каналов. Пере-

мещение подвижной стан-

ции в другую зону не при-

водит к смене выделенного

канала. Этот канал «пере-

носится» подвижной стан-

цией в новую зону. Как

следствие, отсутствует

процедура смены канала,

требующая больших затрат

времени и ресурсов.

Однако основное пре-

имущество концепции

микросотовых зон – это

уменьшение внутрика-

нальных помех за счет ис-

пользования зоновых передатчиков, мощность которых меньше мощности

секторных передатчиков, расположенных в центре сот.

Т. о., появляется возможность увеличить емкость системы за счет

уменьшения количества сот в кластере без потери транковой эффективно-

сти (поскольку во всех зонах одной соты используются одни и те же кана-

лы). Ли показал, что для американской ССПС первого поколения AMPS,

требующей P

= 18 дБ, применение концепции микросотовых зон по-

зволяет уменьшить количество сот в кластере с 7 до 4; это приводит к уве-

личению емкости системы сотовой связи в 2,33 раза и дает

= 20 дБ в самом худшем случае, т. е. приносит дополнительный вы-

игрыш в 2 дБ.

Однако, практический опыт эксплуатации микросотовых систем связи

показывает, что ячейки с радиусом менее 300...500 метром неудобны из-за

чрезмерного возрастания потока обслуживания. Выходом из этой ситуа-

ции является в переходе к многоуровневым (иерархическим) структурам,

Рис. 3.16. Пример дробления сот с

сохранением разделения на секторы

позволяющим обслуживать в крупных ячейках (макросотах) быстро пе-

ремещающихся абонентов, а в более мелких (микросотах, пикосотах) ма-

лоподвижных. При этом в качестве пикосот могут рассматриваться терри-

тории торговых центров, выставочных комплексов и т. п. В районах с низ-

ким уровнем трафика ячейки приходиться укрупнять (переход к макросо-

там) для того чтобы оптимизировать загрузку базовой станции (т. е. сде-

лать обслуживание абонентов экономически выгодным). В случае превы-

шения номинального размера ячейки – дальности передатчика базовой

и/или мобильной станции – для обеспечения связи в удаленных участках

макросоты используются повторители (репитеры), выполняющие роль

ретрансляторов.

В качестве пятого способа можно рассмотреть использование адап-

тивного назначения каналов ACA (Adaptive Channel Allocation) в методах

FDMA и TDMA. В действующих системах сотовой связи все частотные

каналы (частотный ресурс системы) распределяются между ячейками рав-

номерно или в соответствии с априорной информацией об интенсивности

трафика.

Однако возможен и другой подход: выделение частотных каналов ба-

зовым станциям по мере поступления заявок (вызовов), т. е. в соответст-

вии с реальной интенсивностью трафика, но при соблюдении необходи-

мого территориального разноса несущих частот. Предполагается, что для

использования адаптивных алгоритмов все или частично все частотные

каналы находятся в оперативном распоряжении центра коммутации.

Адаптивные алгоритмы сложны, поэтому в настоящее время используют-

ся в беспроводных телефонах, например, в популярном в настоящее время

стандарте DECT (Digital European Cordless Telecommunications – в бук-

вальном переводе цифровая европейская беспроводная электросвязь).

Существует и шестой способ повышения емкости системы сотовой

связи – расширение выделяемой полосы частот. Однако при большом ко-

личестве стандартов сотовой связи и немалом количестве операторов, по-

добный способ оказывается бесперспективным и малополезным.

Емкость сотовой является далеко не единственным важным марке-

тинговым показателем. Для привлечения пользователей операторы сото-

вой связи важную роль отводят повышению качества функционирования

сети.

Качество функционирования систем сотовой связи может быть уве-

личено за счет применения специальных видов сот [1].

Типовая сота включает многоканальную базовую радиостанцию с ан-

тенной, имеющей круговую диаграмму направленности, или группу ан-

тенн, имеющих секторные диаграммы направленности. В результате гео-

метрия обслуживаемой территории близка к круговой или вытянута в от-

дельных направлениях.

Кроме типовых существуют специальные виды сот, которые форми-

руются с учетом особенностей топологии местности, на которой развер-

нута сеть связи, специфических характеристик мобильных абонентов,

ожидаемого количества абонентов и т. д. Например абоненты, находящие-

ся в быстро движущихся автомобилях, проходят соту (особенно микросо-

ту) очень быстро, в течение нескольких секунд. Постоянные требования

на передачу управления приводят к перегрузке мобильного центра комму-

тации и возможным перерывам в связи.

«Зонтичная» сота является одним из вариантов соты, обеспечиваю-

щей эффективное обслуживание быстро движущихся мобильных абонен-

тов – рис. 3.17. Эта сота имеет очень большое покрытие, приближаясь по

структуре к транкинговому покрытию. Зонтич-

ная зона, расположенная вдоль скоростных

трасс, обеспечивает достаточно долгое нахож-

дение в соте самых скоростных автомобилей.

Для того, чтобы сота не была перегружена

большим количеством обычных абонентов, зон-

тичная сота вводится поверх обычных. Величи-

на скорости передвижения абонента определяет-

ся базовой станцией по доплеровскому сдвигу

несущей частоты принимаемого сигнала. При

большой скорости перемещения абонент переводится из обычной соты в

зонтичную и, наоборот, при уменьшении скорости возвращается в обыч-

ную соту.

Сота-ретранслятор пред-

назначена для поддержания ра-

диоканалов на выделенную,

удаленную соту, как это показа-

но на рис. 3.18. Удаленные соты

развертываются в местах массо-

вого отдыха, коттеджных посел-

ках и т. д. Количество каналов в

этих удаленных сотах может

быть значительным, тогда как по

трассе от большого города до

этих выделенных территорий

Рис. 3.17.

Зонтичная сота

Рис. 3.18.

Сота-ретранслятор

100

мало населения. Вследствие этого развертывание сот даже с небольшим

числом каналов по всей длине трассы или прокладка фиксированных линий

связи экономически невыгодно. Значительно проще и дешевле установить

по трассе ряд мощных приемопередатчиков, назначение которых –

ретрансляция радиоканалов между удаленной сотой и городской сетью свя-

зи. Разумеется, это не исключает возможности поддержки ретрансляторами

небольшого количества локальных каналов связи.

Одночастотные ретрансляторы предназначены для обеспечения не-

прерывной радиосвязи при длительном нахождении мобильного абонента

вне зоны уверенной работы базовых радиостанций типовых сот, напри-

мер, в областях глубокой устойчивой тени. Такой ретранслятор представ-

ляет собой многоканальный двунаправленный усилитель, который одновре-

менно принимает и передает на одной и той же частоте (частотах). Типич-

ным примером использования одночастотного ретранслятора является

обслуживание абонентов, находящихся в глубокой речной долине,

тоннеле или шахте – рис. 3.19.

Верхняя антенна

ретранслятора принимает

обычный сигнал от ближай-

шей базовой радиостанции

на частоте f

. Верхняя и

нижняя антенны соединены

между собой высокочастот-

ным кабелем, при этом диа-

граммы направленности

верхней и нижней антенн не

пересекаются. В результате

излучение нижней антенны

на частоте приема f

, не соз-

дает помех приемнику, рас-

положенному вблизи верхней антенны. Аналогично нижняя антенна при-

нимает сигнал от мобильных абонентов на дуплексной частоте f

, усили-

вает этот сигнал и по высокочастотному кабелю передает его на верх-

нюю антенну для излучения на соседнюю базовую радиостанцию. Как и в

предыдущем случае, при значительном разделении диаграмм направлен-

ности верхней и нижней антенн излучение верхней антенны на частоте

не создает помех для приема сигнала на той же частоте f

нижней ан-

тенной.

Рис. 3.19.

Одночастотный ретранслятор