Возникновение и развитие сетей сотовой связи. Основы построения систем сотовой связи

Глава 10. Сети и системы сотовой связи.

Общие принципы организации радиосвязи. Классификация радиосистем передачи

Основные понятия и определения. Классификация диапазонов радиочастот и радиоволн. Структура радиосистем передачи

Глава 9. Общие принципы и особенности построения систем радиосвязи.

Радиосвязь – вид электросвязи, осуществляемый с помощью ра­диоволн. Под радиоволнами принято понимать электромагнитные волны, частота которых выше 30 кГц и ниже 3000 ГГц,распро­страняющиеся в среде без искусственных направляющих сред (линий). С понятием радиоволны тесно связано понятие радиочас­тоты, т.е. частоты радиоволн.

Скорость распространения электромагнитных волн в какой-либо среде равна

 

где скорость распространения света в вакууме; диэлектрическая, магнитная проницаемость среды. Для воздуха , а скорость распространения электромагнитных волн близка к скоро­сти света в вакууме, т.е. м/с.

Электромагнитные волны создаются источником периодически изменяющейся ЭДС с периодом T. Если в некоторый момент элек­тромагнитное поле (ЭМП) имело максимальное значение, то такое же значение оно будет иметь спустя время T. За это время ЭМП переместится на расстояние

 

Минимальное расстояние между двумя точками пространства, поле в котором имеет одинаковое значение, называется длиной волны. Длина волны зависит от скорости ее распространения и периода T изменения ЭДС, передающей это поле. Так как частота тока равна ,то длина волны

 

Длина волны связана с частотой колебания известным соот­ношением

 

Радиочастотный спектр – область частот, занимаемая радио­волнами. Полоса частот – область частот, ограниченная нижним и верхним пределами. Диапазон частот – полоса частот, которой присвоено условное наименование.

В соответствии с Регламентом радиосвязи весь радиочастотный спектр разделен на 12 диапазонов, которые определены как облас­ти радиочастот, равные (0,3...3) х 10^N Гц, где N - номер диапазона. Для целей радиосвязи используется девять диапазонов и, следова­тельно, N = 4...12.

Диапазон радиоволн - определенный непрерывный участок длин радиоволн, которому присвоено условное метрическое наименова­ние. Каждому диапазону радиоволн соответствует определенный диапазон радиочастот.

Классификация диапазонов радиочастот или радиоволн приведе­на в табл.

Такая классификация в первую очередь связана с осо­бенностями распространения радиоволн и их использования.

 

 

Номер диапа­зона	Диапазон длин волн	Диапазон частот
Наименование	Границы	Наименование	Границы
	Мириаметровые или сверхдлинные волны (СДВ)	10...100 км	Очень низкие частоты (ОНЧ)	3...30 кГц
	Километровые или длинные волны (ДВ)	1...10 км	Низкие частоты (НЧ)	30...300 кГц
	Гектометровые или средние волны (СВ)	100...1000 м	Средние частоты (СЧ)	300...3000 кГц
	Декаметровые или короткие волны (KB)	10...100 м	Высокие частоты (ВЧ)	3...30 МГц
	Метровые или ультрако­роткие волны (УКВ)	1...10 м	Очень высокие частоты (ОВЧ)	30...300 МГц
	Дециметровые волны (ДМВ)	10...100 см	Ультравысо­кие частоты (УВЧ)	300...3000 МГц
	Сантиметровые волны	1...10 см	Сверхвысо­кие частоты (СВЧ)	3...30 ГГц
	Миллиметровые волны	1...10 мм	Крайне высокие частоты (КВЧ)	30...300 ГГц
	Децимиллиметровые волны	0,1...1 мм	Гипервысокие частоты (ГВЧ)	300...3000 ГГц

 

Кроме того, в технике радиосвязи широкое применение находят следующие понятия:

диапазон рабочих радиочастот - полоса час­тот, в пределах которой обеспечивается работа радиостанции; сетка рабочих радиочастот (сетка частот) - множество следующих через заданные интервалы рабочих радиочастот; шаг сетки рабочих радиочастот (шаг сетки частот) - разность между соседними дискретными значениями рабочих частот, входящих в их сетку; ра­диостанция - один или несколько передатчиков и приемников или их комбинация, включая вспомогательное оборудование, необходимые для осуществления радиосвязи; присвоенная полоса радиочастот - полоса частот, в пределах которой радиостанции разрешено излуче­ние; рабочий канал - полоса частот, которая используется для пере­дачи информации (сообщения); присвоенная радиочастота - часто­та, соответствующая середине присвоенной радиостанции полосы частот; рабочая радиочастота - частота, предназначенная для ведения радиосвязи радиостанцией.

 

 

§ Обобщенная структурная схема многоканальной системы радиосвязи

Для введения других понятий и определений следует рассмот­реть обобщенную структурную схему радиосистемы передачи (РСП). Под радиосистемой передачи понимается совокупность технических средств, обеспечивающих образование типовых кана­лов и трактов, а также линейных трактов, по которым сигналы элек­тросвязи передаются посредством радиоволн в открытом простран­стве. Поскольку подавляющее большинство РСП являются много­канальными, то приведем обобщенную структурную схему многоканальной РСП (рис.), где приняты следующие обозначения:

КГО - каналообразующее и групповое оборудование, обеспечи­вающее формирование сигналов типовых каналов и трактов из множества подлежащих передаче первичных сигналов электросвя­зи на передающем конце и обратное преобразование сигналов типовых каналов и трактов в множество первичных сигналов на приемном конце.

СЛ - проводные соединительные линии, обеспечивающие под­ключение каналообразующего и группового оборудования к РСП в случае их территориальной удаленности.

 

Рис. Обобщенная структурная схема многоканальной радиосистемы связи

 

Для формирования радиосигнала и передачи его на расстояния посредством радиоволн используются различные радиосистемы связи. Радиосистема связи представляет собой комплекс радиотех­нического оборудования и других технических средств, предназначен­ных для организации радиосвязи в заданном диапазоне частот с использованием определенного механизма распространения радио­волн. Вместе со средой (трактом) распространения радиоволн радио­система связи образует линейный тракт или ствол, состоящий из оконечного оборудования ствола (ООС) и радиоствола.

ООСпер - оконечное оборудование ствола передающего конца, где формируется линейный сигнал, состоящий из информационного группового сигнала и вспомогательных сигналов (сигналов служеб­ной связи, сигналов контроля работоспособности оборудования РСП и др.), которыми модулируются высокочастотные колебания.

РСТ - радиоствол, назначением которого является передача мо­дулированных радиосигналов на расстояния с помощью радиоволн. Радиоствол называется простым, если в его состав входят лишь две оконечные станции и один тракт распространения радиоволн, и составным, если помимо двух оконечных радиостанций он содержит одну или несколько ретрансляционных станций, обеспечивающих прием, преобразование, усиление или регенерацию и повторную передачу радиосигналов. Необходимость использования составных радиостволов обусловлена рядом факторов, основными из которых являются протяженность радиолинии, ее пропускная способность и механизм распространения радиоволн.

ООСпрм - оконечное оборудование ствола приемного конца, где проводятся обратные преобразования: демодуляция высокочастот­ного радиосигнала, выделение группового (многоканального) сигна­ла и вспомогательных служебных сигналов.

 

Совокупность технических средств и среды распространения ра­диоволн, обеспечивающих передачу сигналов от источника к при­емнику информации, называется радиоканалом (каналом радиосвя­зи). Радиоканал, обеспечивающий радиосвязь в одном азимуталь­ном направлении, называется радиолинией.

Упрощенная структурная схема одноканальной радиолинии при­ведена на рис.

 

Рис. Структурная схема радиолинии

 

Функционирование радиолинии осуществляется следующим об­разом: передаваемое сообщение поступает в преобразователь (микрофон, телевизионная передающая камера, телеграфный или факсимильный аппарат и др.), который преобразует его в первич­ный электрический сигнал. Последний поступает на радиопере­дающее устройство радиостанции, которое состоит из модулятора (М), синтезатора несущих частот (СЧ) и усилителя модулированных колебаний (УМК). С помощью модулятора один из параметров несущей частоты (высокочастотного колебания) изменяется по закону первичного сигнала. С помощью антенны (А) энергия радио­частот передатчика излучается в тракт распространения радиоволн. На приемном конце радиоволны наводят ЭДС в приемной антен­не (А). Радиоприемное устройство радиостанции с помощью селективных (избирательных) цепей (СЦ) отфильтровывает сигналы от помех и сигналов других радиостанций. В детекторе (Д) происходит процесс, обратный модуляции, - выделение из модулированных колебаний исходного электрического сигнала. Далее в преобразователе этот сигнал преобразуется в сообщение, которое и поступает к абоненту.

 

Существует множество различных классификаций радиосистем передачи (РСП) в зависимости от признаков, положенных в их основу. Приведем классификацию РСП по наиболее важным при­знакам:

v по принадлежности к различным службам в соответствии с Рег­ламентом радиосвязи различают РСП фиксированной службы (радиосвязь между фиксированными пунктами), радиовещательной службы (передача сигналов для непосредственного приема населением), РСП подвижной службы (радиосвязь между движущимися друг относительно друга объектами);

v по назначению различают международные, магистральные, внутризоновые, местные РСП, военные РСП, технологические РСП (для обслуживания объектов железнодорожного транспорта, линий электропередачи, нефте- и газопроводов и т. д.), космические РСП (обеспечивающие радиосвязь между космическими аппарата­ми или между земными пунктами и космическими аппаратами);

v по диапазону используемых радиочастот или радиоволн (см. табл.);

v по виду передаваемых сигналов различают РСП аналоговых сигналов (телефонных, радиовещательных, факсимильных, телеви­зионных, сигналов телеметрии и телеуправления), РСП цифровых сигналов (телеграфных, сигналов от ЭВМ) и комбинированные РСП;

v по способу разделения каналов (канальных сигналов) различают многоканальные РСП с частотным разделением, временным, фазовым и комбинированным разделением каналов; существуют также специальные РСП с разделением канальных сигналов по форме (например, асинхронно-адресные системы с кодово-адресным разделением сигналов);

v по виду линейного сигнала различают аналоговые, цифровые и смешанные (гибридные) РСП. В аналоговых РСП на вход радиока­нала (ствола) поступает аналоговый сигнал, соответственно анало­говым является и радиосигнал; к аналоговым РСП относятся и импульсные РСП, т.е. системы с импульсной модуляцией (и вре­менным разделением каналов); в цифровых РСП на вход радио­ствола и тракт распространения поступает цифровой сигнал; в смешанных РСП линейный сигнал состоит из аналогового линейного сигнала и поднесущей, модулированной цифровым сигналом;

v по виду модуляции несущей аналоговые РСП подразделяются на системы с частотной, однополосной и амплитудной модуляциями, а цифровые РСП - на системы с амплитудной, частотной, фазо­вой и амплитудно-фазовой манипуляциями;

v по пропускной способности различают РСП с малой (менее 10 Мбит/с), средней (10…100 Мбит/с)и высокой пропускной способностью (более 100 Мбит/с);

v по характеру используемого физического процесса в тракте распространения радиоволн различают: системы радиосвязи и радиовещания на длинных, средних и коротких радиоволнах без ретрансляторов; радиорелейные системы передачи прямой видимо­сти (РРСП), где происходит распространение радиоволн в пределах прямой видимости; тропосферные радиорелейные системы пере­дачи (ТРСП), где используется дальнее тропосферное распростране­ние радиоволн засчет их рассеяния и отражения в нижней области тропосферы при взаимном расположении радиорелейных станций за пределами прямой видимости; спутниковые системы передачи (ССП), использующие прямолинейное распространение радиоволн с ретрансляцией их бортовым ретранслятором искусственного спут­ника Земли (ИСЗ), находящимся в пределах радиовидимости земных станций, между которыми осуществляется радиосвязь; ионосферные РСП на декаметровых волнах (дальнее распространение декаметровых волн засчет отражения от слоев ионосферы); космические РСП (прямолинейное распространение радиоволн в космическом пространстве и атмосфере Земли); ионосферные РСП на метровых волнах (дальнее распространение метровых волн благодаря рассея­нию их на неоднородностях ионосферы) и др.

 

Для построения многоканальных телекоммуникационных систем самое широкое распространение получили радиорелейные и спут­никовые системы передачи, использующие дециметровый, санти­метровый и миллиметровый диапазоны радиоволн. В этом же диапазоне строятся и современные системы подвижной (мобиль­ной) радиосвязи самого различного назначения.

 

Первые радиотелефоны использовали обычные фиксиро­ванные каналы, и, если один из них был занят, абонент вручную переключался на другой. С развитием техники радиотелефонные системы совершенствовались, уменьшались габариты устройств, осваивались новые частотные диапазоны, улучшалось коммута­ционное оборудование, в частности, появилась функция автома­тического выбора свободного канала (trunking). Но все это не могло решить главной проблемы - ограниченности частотного ресурса при огромной потребности в предоставлении услуг.

Выход был найден: обслуживаемая территория разбивается на небольшие участки, называемые сотами (cell). Каждая из ячеек об­служивается передатчиком с ограниченным радиусом действия и числом каналов. Это без помех позволяет повторно использовать те же самые частоты в другой ячейке, но удаленной на значительное расстояние. Теоретически их можно использовать в соседней ячей­ке. Но на практике зоны обслуживания сот могут перекрываться из-за различных факторов, например изменения условий распростра­нения радиоволн. В результате появляются взаимные помехи. По­этому в соседних ячейках используются различные частоты.

За более чем 20-летний период развития сформировались три поколения систем сотовой связи (ССС):

• первое поколение - аналоговые системы;

• второе поколение - цифровые системы сегодняшнего дня (GSM, CDMA);

• третье поколение - универсальные системы мобильной связи будущего.

 

 

Функциональная схема

 

Рис. Сотовая система подвижной радиосвязи общего пользования

 

Как следует из рис., 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).

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, но чаще базовые станции взаимодействуют с центром коммутации с использованием контроллеров базовых станций.

В цифровых системах сотовой связи (например GSM)ис­пользуется понятие «система базовой станции» (СБС), в которую входит контроллер базовой станции (КБС) и несколько базовых приемопередающих станций (БППС), как показано на рис.

 

Рис. Система базовой станции

 

Один контроллер может управлять несколькими БППС и выполняет следующие функции:

־ управляет распределением ра­диоканалов;

־ контролирует соединения и регулирует их очередность;

־ обеспечивает режим работы с прыгающей частотой, моду­ляцию и демодуляцию сигналов, кодирование и декодирование сообщений.

Три БППС, которые подключаются к одному общему КБС, могут обслуживать каждая свой 120-градусный сектор, а шесть БППС с одним КБС - шесть 60-градусных секторов.

 

При перемещении абонента между ячейками одной системы происходит передача обслуживания от одной станции к другой,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.

 

Коммутация каналов базовых станций осуществляется в центре коммутации, который подключается к телефонной сети общего пользования (ТФОП) на правах оконечной станции или УПАТС.