9.1. Характеристика сетей подвижной связи

9.2. Сотовые системы подвижной связи (ССПС)

9.2.1. Классификация ССПС

9.2.2. Структура ССПС

9.2.3. Процессы установления соединений

9.2.4. Методы множественного доступа

9.2.5. Принцип повторного использования частот

9.1. Характеристика сетей подвижной связи

В последние годы наблюдается резкий рост числа пользователей сетей подвижной (мобильной) связи как у нас в стране, так и за рубежом. В ряде случаев такие сети целесообразно создавать не только для обеспечения связи между подвижными объектами, где таким сетям нет альтернативы, но и для организации связи между стационарными объектами. Достоинства беспроводных сетей перечислены в таблице 9.1 [27].

Таблица 9.1 – Сравнение проводных и беспроводных сетей

Во многих случаях окупаемость беспроводных сетей составляет 1-2 года. В то же время срок окупаемости проводных значительно выше. Проводные сети экономически нецелесообразны на местно­стях с малой плотностью населения, например в случае, когда требуется обеспечить телефонную связь с удаленным от райцентра населенным пунктом.

В настоящее время доминирующее положение на рынке подвижной радиосвязи занимают:

·     профессиональные (частные) системы подвижной связи;

·     системы персонального вызова;

·     системы беспроводных телефонов;

·     системы сотовой связи общего пользования.

Первые системы подвижной радиосвязи создавались и развивались в интересах государственных организаций, коммерческих структур, скорой помощи, милиции и т.п. В принятой за рубежом классификации эти системы относятся к так называемым профессиональным системам подвижной радиосвязи PMR (Professional Mobile Radio).

В профессиональных системах подвижной радиосвязи наиболее эффективное использование выделенного частотного ресурса обеспечивается в системах со свободным доступом абонентов к общему частотному ресурсу, получивших название транкинговых (от англ. trunk - магистраль, шина). Когда транкинговый радиоабонент осуществляет вызов, система назначает ему один из имеющихся свободных каналов.

Различают транкинговые системы:

·     С последовательным (сканирующим) поиском свободного канала связи, который характеризуется значительным временем установления канала связи и может быть рекомендован при небольшом количестве каналов (до 5-8).

·     С выделенным каналом управления.

Системы персонального радиовызова (СПРВ) гармонично сопрягаются с системами радиосвязи и передачи данных. Персональный радиовызов (пейджинг) – услуга электросвязи, обеспечивающая беспроводную одностороннюю передачу информации в пределах обслуживаемой зоны. По своему назначению СПРВ можно разделить: на частные (ведомственные) и общего пользования.

·     Частные СПРВ, которые  обеспечивают передачу сообщений в локальных зонах или на ограниченной территории в интересах отдельных групп пользователей. Как правило, передача сообщений в таких СПРВ осуществляется с пультов управления диспетчерами без взаимодействия с ТфОП;

·     Системы персонального радиовызова общего пользования, через которые с помощью ТфОП происходит передача в радиоканале сообщений ограниченного объема.

Основными компонентами коммерческого успеха этих систем являются: широкая зона обслуживания в масштабах страны с возможностью межнационального взаимодействия; низкие тарифы и арендная плата; простота передачи сообщений и удобство пользования; малые габариты приемников СПРВ и длительный срок непрерывной работы с одним источником.

Системы беспроводных телефонов были первоначально ориентированы на резидентное использование, т.е. в условиях офисов и квартир. Позже они стали развиваться как системы общего пользования, обеспечивающие поддержку услуг общего доступа.

9.2. Сотовые системы подвижной связи (ССПС)

9.2.1. Классификация ССПС

Сотовые сети подвижной связи предназначены для использования в системах массового обслуживания и ориентированы на коммерческого потребителя, но по сравнению с другими мобильными системами предлагают большой набор услуг.

ССПС можно классифицировать по следующим признакам:

1) По форме представления сигнала в разговорном канале РК:

·     аналоговые:

-       NMT (Nordic Mobile Telephone System);

-       AMPS (Advanced Mobile Phone System);

·     цифровые:

-       GSM (Global System for System Communications)

-       DAMPS (Digital Advanced Mobile Phone System)

2) По диапазону частот.

В системах сотовой подвижной связи используются радиосигналы дециметрового диапазона (таблица 9.2).

Таблица 9.2 – Классификация ССПС по диапазону частот

3) По виду множественного доступа:

·     FDMA (Frequency Division Multiple Access) - ССПС, в которых реализуется множественный доступ с частотным разделением каналов (МДЧР);

· TDMA (Time Division Multiple Access) - которых реализуется множественный доступ с временныйразделением каналов (МДВР);

·     CDMA (Code Division Multiple Access) – ССПС, которых реализуется множественный доступ с кодовым разделением каналов (МДКР).

9.2.2. Структура ССПС

Система сотовой связи строится в виде совокупности ячеек или сот, покрывающих обслуживаемую территорию. Соты никогда не бывают строгой геометрической формы. Реальные границы имеют вид неправильных кривых, зависящих от условий распространения и затухания радиоволн, т. е. от рельефа местности, характера и плотности растительности и застройки и т. п. Обобщенная модель ССПС показана на рисунке 9.1.

В обобщенной модели ССПС можно выделить четыре основных компонента:

1) Подсистема мобильных станций MS состоит из оборудования, обеспечивающего доступ абонентов в систему. Абонентские станции содержат съемный модуль идентификации абонентов SIM (Subscribe Identity Module), который содержит опознавательный код MS, который в соответствии с рекомендацией МСЭ-Т содержит:

-         код страны (3 цифры);

-         код сети СПС (2-3 цифры);

-         номер абонента в сети оператора (10 цифр).

Рисунок 9.1 – Обобщенная модель ССПС

2) Подсистема базовых станций BS состоит из приемо-передающих станций BTS и контроллеров базовых станций BSС.

3) Подсистема коммутации МSС, которая обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений:

-         MS – MS;

-         MS – ТфОП;

-         ТфОП – MS.

При пересечении MS границ соты центр коммутации выполняет процедуру «передачи обслуживания» или «эстафетной передачи», при которой MS переключаются на канал другой базовой станции. Помимо коммутационных задач центр коммутации отслеживает местонахождение абонентов, а также проверяет подлинность абонентов и их прав на обслуживание.

4) Центр управления ОМС, является центральным элементом ССПС, который обеспечивает управление другими компонентами системы и контроль качества функционирования.

Обслуживание вызова связано с использованием нескольких видов баз данных, при помощи которых отслеживается местонахождение абонентов и информационная безопасность:

· съемный модуль идентификации абонентов SIM (Subscribe Identity Module), который содержит опознавательный код MS, который в соответствии с рекомендацией МСЭ-Т содержит:

-         код страны (3 цифры);

-         код сети СПС (2-3 цифры);

-         - номер абонента в сети оператора (10 цифр);

· домашний или основной регистр HRL (Home Location Register), который содержит базы данных об абонентах, зарегистрированных в данном центре коммутации;

· гостевой регистр VLR (Visited Location Register), предназначенный для фиксации данных об абонентах, посетивших зону обслуживаний центра коммутации (временные абоненты);

· центр аутентификации AVC (Authentication Center), выполняющий проверки полномочий подвижного абонента и осуществления доступа к сети;

· центр идентификации оборудования EIR (Equipment Identity Register), осуществляет обнаружение неисправных устройств и украденных MS.

Аутентификация – процедура подтверждения подлинности (действительности, законности) абонента, сообщения, устройства, массивов данных. Назначение аутентификации – установление подлинности абонента. Претендующего на услуги связи. Самым распространенным методом аутентификации является использование паролей, в качестве которых используются PIN-коды (Personal Identification Number), служащие для активизации MS. Трехкратный неправильный ввод пароля блокирует SIM-карту и работа данной MS запрещается.

Идентификация – процедура установления принадлежности оборудования одной из групп, обладающих определенными свойствами или признаками. Каждая мобильная станция имеет идентификатор оборудования IMET (International Mobile Station Identity). Идентификатор MS содержит: коды изготовителя и места сборки MS, электронный серийный номер. В регистре идентификации оборудования имеются несколько видов списков:

-         MS, имеющие право пользоваться сетью;

-         MS, имеющие неурегулированные вопросы с сетью (требуют ремонта, имеют задолженности по оплате);

-         утерянные или украденные MS.

9.2.3. Процессы установления соединений

На сети устанавливаются следующие виды соединений:

-         MS – MS;

-         MS – ТфОП;

-         ТфОП – MS.

В качестве примера установления соединения на рисунке 9.2 рассмотрено соединение MS – ТфОП.

MS настроена на частоту вызывного радиоканала (РКВ), в качестве которого может использоваться любой свободный канал.

До передачи сигнала вызова вызывающий абонент набирает номер, который фиксируется в запоминающем устройстве MS. Затем абонент выдает в РКВ сигнал вызова, нажатием специальной кнопки. Сигнал вызова, через базовую станцию транслируется в центр коммутации, который фиксирует номер вызывающего абонента и производит его аутентификацию.

Центр коммутации закрепляет за абонентом свободный разговорный канал (РКР) и сообщает его номер базовой станции вместе с командой на переключение абонента с РКВ на РКР. После выполнения этой команды базовая станция выдает MS команду на передачу адресной информации и вводит в РКР сигнал для контроля местонахождения (пилот-сигнал, f=4 кГц).

MS после получения команды выдает адресную информацию, которая через базовую передается в центр коммутации, где происходит ее анализ и выбор требуемого направления. Центр коммутации выдает на встречную станцию адресную информацию для поиска линии вызываемого абонента. Если линия вызываемого абонента свободна, то обеспечивается подача вызывающему абоненту сигнал КПВ. После ответа вызываемого абонента устанавливается разговорное состояние.

Рисунок 9.2 – Диаграмма последовательности установления соединения MS – ТфОП

9.2.4. Методы множественного доступа

Множественный доступ (multiple access) – организация совместного использования ограниченного участка спектра многими пользователями. Технология множественного доступа – способ распределения ресурса между каналами.

Основными методами множественного доступа являются:

1) С частотным разделением каналов FDMA (Frequency Division Multiple Access. В системах с FDMA каждому пользователю на время сеанса связи выделяется канал с полосой частот Df_k в пределах общего частотного диапазона системы Df_p (рисунок 9.3). Возможное число каналов для FDMA-систем определяется по формуле:

,                                                      (9.1)

Рисунок 9.3 – Метод частотного разделения каналов FDMA

Метод FDMA используется во всех аналоговых системах сотовой связи (системах первого поколения) - при этом полоса Df составляет 10...30 кГц. Недостаток FDMA - недостаточно эффективное использование полосы частот.

2) С временным разделением каналовTDMA (Time Division Multiple Access). В системах с TDMA каждому пользователю предоставляется канал с полосой Df_k  в течении временного интервала Т_k, являющегося частью общего ресурса системы (цикла или кадра системы). В качестве примера на рисунке 9.4 показано разделение частотного канала между тремя пользователями.

Рисунок 9.4 – Метод временного разделения каналов ТDMA

Здесь рассматривается случай не одного, а нескольких частотных каналов, каждый из которых делится во времени между несколькими пользователями. Следовательно, этот метод использует сочетание метода FDMA с TDMA. Именно такой метод находит практическое применение в цифровых системах сотовой связи. Практическая реализация метода TDMA требует преобразования сигналов в цифровую форму и «сжатия» информации во времени. Цифровая обработка сигналов и метод TDMA используются в стандартах сотовой связи второго поколения D-AMPS, GSM и др. Например, в стандарте D-AMPS при сохранении той же полосы частотного канала Df 10…30 кГц, что и в аналоговом стандарте AMPS, число физических каналов в нем возрастает втрое.

3) С кодовым разделением каналовCDMA (Code Division Multiple Access). В системах CDMA группа пользователей (64, 128) имеет доступ к широкой полосе частот (1,25 МГц). Принцип CDMA основан на использовании широкополосных сигналов (ШПС), полоса которых значительно превышает полосу частот, необходимую для обычной передачи сообщений. Сообщения пользователей преобразуются по индивидуальным алгоритмам, что дает возможность их передачи в общем для данной группы пользователей диапазоне частот.

9.2.5. Принцип повторного использования частот

ССПС относятся к системам связи с пространственно-разнесенным повторным использованием частот. Идея повторного применения частот заключается в том, что в смежных областях радиопокрытия используются разные полосы разрешенного частотного диапазона, тогда как в сотах, достаточно удаленных друг от друга, допускается передача в одних и тех же частотных каналах.

Возможность подобного частотно-территориального планирования объясняется быстрым пространственным затуханием волн дециметрового диапазона, применяемых в ССПС.

Повторное использование частот позволяет многократно увеличить абонентскую емкость системы без расширения выделенного частотного диапазона.

Группа сот, в пределах которой отсутствует повторное использование частот называется кластером.

Для двух базовых станций может быть установлен один и тот же частотный диапазон, если они удалены друг от друга на расстояние, называемое защитным интервалом. Соотношение между защитным интервалом и количеством сот в кластере зависит от формы сот, которая определяется способом размещения антенн на базовых станциях и их видом. Оптимальным считается соотношение:

, (9.2)

где D – защитный интервал;

R – радиус соты (радиус окружности, описанной вокруг правильного шестиугольника);

С – количество элементов в кластере.

Защитный интервал определяется по формуле:

, (9.3)

Коэффициент повторного использования частот определяется по формуле:

, (9.4)

Соотношение называется коэффициентом уменьшения соканальных помех.

Количество элементов в калстере (размер кластера) влияет на величину соканальных помех. При небольшом количестве элементов (например, 3) соты с одинаковыми частотами повторяются часто, поэтому снижена соканальная помехозащищенность. В этом отношении выгодны кластеры с большим числом элементов (на практике до 21). С другой стороны, увеличение элементов в кластере приводит к пропорциональному уменьшению полосы частот, которая может быть использована в соте, а, следовательно, и к уменьшению числа обслуживаемых абонентов.

Вопросы для самоконтроля

1. Каковы достоинства беспроводных сетей?

2. На какие виды делятся системы подвижной связи?

3. На какие виды делятся ССПС по форме представления сигнала в разговорном канале?

4. На какие виды делятся ССПС по диапазону частот?

5. На какие виды делятся ССПС по виду множественного доступа?

6. Из каких подсистем состоит ССПС?

7. Какие функции выполняют подсистемы ССПС?

8. Какие базы данных используются при обслуживании вызова в ССПС?

9. Что такое аутентификация?

10. Что такое идентификация?

11. Перечислить основные этапы процесса установления соединения в ССПС.

12. Что такое множественный доступ?

13. В чем сущность множественного доступа с частотным разделением каналов FDMA?

14. В чем сущность множественного доступа с временным разделением каналов TDMA?

15. В чем сущность множественного доступа с кодовым разделением каналов CDMA?

16. В чем сущность принципа повторного использования частот?

17. Чем вызвана необходимость применения повторного использования частот?

18. Что такое кластер?

19. Что такое защитный интервал?

20. Как определяется величина защитного интервала?