Общие принципы сотовой связи

- Четвертая группа —  это все те, кто привык пользоваться  телефоном как средством общения. С каждым годом эта группа становится все более многочисленной. Это происходит потому, что операторы, предоставляющие услуги мобильной связи, постепенно снижают тарифы на пользование своими услугами, с одной стороны, а с другой стороны, постоянно дорожают услуги обычной телефонной связи. Все это приводит к тому, что средствами мобильной связи начинают пользоваться самые разные слои населения.

Преимущества систем мобильной  связи состоят в следующем:

- Мобильная связь освобождает  абонента от необходимости присутствовать  в строго определенном месте  при проведении сеанса связи  (по проводным телефонным линиям, с таксофонов и т. п.), что позволяет ему получать услуги связи в любой точке в пределах зон действия наземных или спутниковых сетей.

- Благодаря прогрессу  в технологии производства средств связи созданы малогабаритные универсальные абонентские терминалы (типа телефонной трубки), сопряженные с персональным микрокомпьютером и имеющие интерфейсы для подключения к сетям подвижной связи всех действующих стандартов.

Сети подвижной связи  созданы с целью максимального  удовлетворения потребностей их абонентов в услугах связи. Они должны обеспечивать связь на современном мировом уровне с возможностью выхода в телефонную сеть общего пользования. Радиотелефон и пейджер перестали быть символом престижа и стали рабочим инструментом, позволяющим более эффективно использовать рабочее время, оперативно управлять производством и постоянно контролировать ход технологических, экономических и других процессов.

Используемые системы  радиосвязи с подвижными объектами  можно разделить на следующие  классы:

- Профессиональные системы  подвижной связи

- Системы персонального  радиовызова

- Сотовые системы подвижной  связи

- Спутниковые системы  связи

 

1.3.2 Деление обслуживаемой  территории на соты

Разделить обслуживаемую  территорию на соты можно двумя способами: 1) основанным на измерении статистических характеристик распространения сигналов в системах связи, 2) основанным на измерении или расчете параметров распространения сигнала для конкретного района.

При реализации первого способа  всю обслуживаемую территорию делят  на одинаковые по форме соты, а затем с помощью закона статистической радиофизики определяют их размеры и расстояния до других зон, в пределах которых выполняются условия допустимого взаимного влияния.

Для оптимального (т. е. без  перекрытия или пропусков участков) разделения территории на соты могут  быть использованы только три геометрические фигуры: треугольник, квадрат и шестиугольник. Наиболее подходящей фигурой является шестиугольник, так как если антенну с круговой диаграммой направленности установить в его центре, то будет обеспечен доступ почти ко всей соте.

При использовании первого  способа интервал между сотами, в  которых используются одинаковые рабочие каналы, обычно получается больше требуемого для обеспечения допустимого уровня взаимных помех.

Более приемлем второй способ разделения на зоны обслуживания. В  этом случае тщательно измеряют или рассчитывают параметры системы для определения минимального количества базовых станций, обеспечивающих удовлетворительное обслуживание абонентов на всей территории, определяют оптимальное место расположения базовой станции с учетом рельефа местности, возможность использования направленных антенн, пассивных ретрансляторов и смежных центральных станций в момент пиковой нагрузки и т. д. 

 

1.3.3 Повторное  использование частот

Каждая из сот обслуживается  своим передатчиком с невысокой  выходной мощностью и ограниченным количеством каналов связи. Это позволяет без помех повторно использовать частоты каналов этого передатчика в другой, удаленной на значительное расстояние, соте. Теоретически такие передатчики можно использовать и в соседних сотах. Но на практике зоны обслуживания могут перекрываться под действием различных факторов, например, вследствие изменения условий распространения радиоволн. Поэтому в соседних сотах используются различные частоты. Пример построения сот при использовании трех частот представлен на рис. 2.4.

Группа сот с различными наборами частот называется кластером. Определяющим параметром кластера является размерность — количество используемых в соседних сотах частот. Размерность кластера, приведенного на рис. 2.4, равна трем. На практике это значение может достигать пятнадцати. F1, F2, F3-частоты базовых станций.

Основной идеей, на которой  базируется принцип сотовой связи, является повторное использование частот в несмежных сотах. Первым способом организации повторного использования частот, который применялся в аналоговых системах 1-го поколения, был способ, использующий антенны базовых станций с круговыми диаграммами направленности. Он предполагает передачу сигнала одинаковой мощности по всем направлениям, что для абонентских станций эквивалентно приему помех от всех базовых станций со всех направлений.

Базовые станции, на которых  допускается повторное использование  выделенного набора частот, удалены друг от друга на расстояние D, называемое защитным интервалом. Именно возможность повторного применения одних и тех же частот определяет высокую эффективность использования частотного спектра в сотовых системах связи.

Смежные базовые станции, использующие различные частотные  каналы, образуют группу из станций. Если каждой базовой станции выделяется набор из m каналов с шириной полосы F_K каждого, то общая ширина полосы F , занимаемая данной системой сотовой связи, составит F_c = F_K m С.

Таким образом, величина С определяет минимально возможное количество каналов в системе, и поэтому ее называют частотным параметром системы или коэффициентом повторения частот. Коэффициент Сне зависит от количества используемых каналов и увеличивается по мере уменьшения радиуса ячейки. Таким образом, при использовании сот меньших размеров можно увеличить повторяемость частот.

Применение шестиугольных  сот позволяет минимизировать ширину используемой полосы частот, поскольку такая форма обеспечивает оптимальное соотношение между значениями Си D. Кроме того, шестиугольная форма наилучшим образом вписывается в круговую диаграмму направленности антенны базовой станции, установленной в центре соты.

Остановимся более подробно на вопросе выбора размера R соты. Этот размер определяет защитный интервал D между сотами, в которых одни и те же частоты могут быть использованы повторно. Заметим, что значение защитного интервала Д кроме уже перечисленных факторов, зависит также от допустимого уровня помех и условий распространения радиоволн. Поскольку интенсивность вызовов в пределах всей зоны обслуживания примерно одинакова, то соты выбираются одного размера. Размер R определяет также количество абонентов N, способных одновременно вести переговоры на всей территории обслуживания. Следовательно, уменьшение этого размера позволяет не только повысить эффективность использования выделенной полосы частот и увеличить абонентскую емкость системы, но и уменьшить мощность передатчиков и чувствительность приемников базовых и подвижных станций. Это, в свою очередь, улучшает условия электромагнитной совместимости средств сотовой связи с другими радиоэлектронными средствами и системами.

Эффективным способом снижения уровня помех может быть использование  секторных антенн с узкими диаграммами  направленности. В секторе такой  узконаправленной антенны сигнал излучается преимущественно в одну сторону, а уровень излучения в противоположном направлении сокращается до минимума. Деление сот на секторы позволяет чаще применять частоты в сотах повторно. Общеизвестный способ повторного использования частот в организованных таким образом сотах основан на применении 3-секторных антенн для каждой базовой станции и трех соседних базовых станций с формированием ими девяти групп частот (рис. 2.6). В этом случае используются антенны с шириной диаграммы направленности 120°.

Самую высокую эффективность  использования выделенной полосы частот и, следовательно, наибольшее количество абонентов сети, работающих в этой полосе, обеспечивает разработанный фирмой Motorola (США) способ повторного использования частот, при котором задействуются две базовые станции. При реализации этого способа каждая частота используется дважды в пределах кластера, состоящего из 4 сот (рис. 2.7); базовая станция каждой из них может работать на 12-ти частотах, используя антенны с диаграммой направленности шириной 60°.        

 2 Система стандарта GSM 

2.1 Общие характеристики

В целом, система стандарта GSM рассчитана на использование в  коммерческой сфере. Она предоставляет  пользователям широкий спектр услуг  и возможность применения разнообразного оборудования для передачи речевых  сообщений и данных, сигналов вызова и аварийных сигналов, а также  возможность подключения к телефонным сетям общего пользования, сетям передачи данных и цифровым сетям с интеграцией служб.

При создании этого стандарта  и сетей сотовой связи на его  основе было принято согласованное решение о поэтапном развитии услуг, предоставляемых абонентам. Начальный этап — «Фаза 1» — фактически совпал с вводом в строй в 1991 г. первых сетей GSM. В число услуг этого этапа входят:

- Переадресация вызова (Callforwarding)

- Запрет вызова (Callbarring)

- Ожидание вызова (Callwating)

- Удержание вызова (Callholding)

- Глобальный роуминг (Globalroaming).

Переадресация вызова дает возможность перевода входящих вызовов на другой телефонный номер в тех случаях, когда номер занят или абонент не отвечает, когда телефон выключен или находится вне зоны обслуживания сети и т. п. Кроме того, возможна переадресация факсов и компьютерных данных.

Запрет вызова позволяет наложить запрет на все входящие/исходящие звонки, запрет на исходящие международные звонки, запрет на входящие звонки — за исключением внутрисетевых.

Ожидание вызова позволяет принять входящий вызов в тот момент, когда вы с кем-то разговариваете. При этом первый абонент или по-прежнему будет находиться на связи, или разговор с ним может быть завершен.

Удержание вызова — позволяет, не разрывая связь с одним абонентом, позвонить (или ответить на входящий вызов) другому абоненту.

Глобальный роуминг дает возможность при посещении любой из стран, с которой ваш оператор подписал соответствующее соглашение, пользоваться своим сотовым телефоном GSM без изменения номера.

По мере развития технологии сотовых сетей абонентам предлагались и другие услуги. Второй этап развития GSM — «Фаза 2» — завершился в 1997 году и наряду с услугами этапа «Фаза 1» предоставил абонентам такие услуги:

- Определение номера вызывающей линии (Calling Line Identification Presentation)

- Антиопределитель номера (Calling Line Identification Restriction)

- Групповой вызов (Mutti party)

- Создание закрытой группы (Closed User Group)

- Информация о стоимости  разговора

- Совет по оплате (Advice of Charge)

-Обслуживание дополнительной  линии (Alternative Line Service)

- Прием коротких текстовых  сообщений (Short Message Service)

- Система голосовых сообщений  (Voice mail)

Определение номера вызывающей линии позволяет при входящем вызове высвечивать на экране телефона номер вызывающего абонента.

Антиопределитель  номера позволяет запретить определение собственного номера при соединении с другим абонентом.

Групповой вызов позволяет организовать режим телеконференции или конфе-ренц-связи, объединяя до пяти абонентов в группу, и вести переговоры между всеми членами группы одновременно.

Создание закрытой группы (до десяти абонентов) позволяет создавать группу пользователей, члены которой могут связываться только между собой. Чаще всего к этой услуге прибегают компании, предоставляющие терминалы своим служащим для работы.

Информация о  стоимости разговора основана на использовании таймера, который определяет время занятости линии, и счетчика вызовов. Благодаря этой услуге можно проверять оставшийся на счете кредит.

Совет по оплате — позволяет по требованию пользователя производить проверку стоимости и длительности разговора в то время, когда телефон находится на связи.

Обслуживание  дополнительной линии дает возможность пользователю приобрести два номера, которые будут приписаны к одному телефону. В этом случае связь выполняется по двум линиям с предоставлением двух счетов, двух голосовых ящиков и т. п.

Прием коротких текстовых  сообщений (SMS) дает возможность приема и передачи сообщений до 160 знаков.

Система голосовых сообщении позволяет автоматически переводить входящие звонки на персональный автоответчик (голосовая почта). Пользоваться этим можно только в том случае, если у абонента активирована услуга «Переадресация вызова».

Следующий этап развития сетей  стандарта GSM, получивший название «Фаза 2+», не связан с конкретным годом  внедрения. Новые услуги и функции  стандартизируются и будут внедрены сразу после подготовки и утверждения их технических описаний. Все работы по этапу «Фаза 2+» проводились Европейским институтом стандартизации электросвязи (ETSI). Количество уже внедренных и находящихся в стадии утверждения услуг превышает 50. Среди них можно выделить следующие:

- Улучшенное программное  обеспечение SIM-карты

- Улучшенное полноскоростное  кодирование речи EFR (Enhanced Full Rate)

- Возможность взаимодействия  между системами стандартов GSM и  DECT

- Повышение скорости передачи  данных за счет пакетной передачи  данных GPRS (General Packet Radio Service) или за счет системы передачи данных по коммутируемым каналам HSCSD (High Speed Circuit Switched Data)

По сравнению с другими  широко распространенными цифровыми  стандартами GSM обеспечивает лучшие энергетические характеристики, более высокое качество, безопасность и конфиденциальность связи. Приемлемое качество принимаемых речевых сообщений в стандарте GSM обеспечивается при отношении «сигнал/шум» на входе приемника, равном 9 дБ (для стандарта D-AMPS, например, это отношение составляет около 16 дБ), а энергетические затраты в реальных каналах связи (при замирании сигналов) на 6—10 дБ ниже по сравнению со стандартом D-AMPS.