Особенности организации сотовых сетей подвижной радиосвязи

Особенности организации сотовых сетей подвижной радиосвязи

1. Роль сотовой структуры в повышении эффективности использования частотного ресурса

Стремительно развивающиеся сотовые системы радиосвязи позволили решить проблем экономии радиочастотных каналов за счет многократного использования выделенного частотного ресурса на основе пространственного разнесения приемопередатчиков с совпадающими частотами. Именно сотовая топология позволила многократно увеличить емкость телекоммуникационных сетей по отношению к сетям радиальной структуры без ухудшения качества связи и расширения выделенной полосы частот. Использование сотовой структуры для организации сети подвижной радиосвязи стало возможным только после того, как были найдены способы определения текущего местоположения подвижных абонентов, обеспечения непрерывности связи при перемещении абонента из одной в другую, а также тарификации предоставляемых услуг связи.

В сотовых системах радиотелефонной связи вся обслуживаемая территория разделена н ячейки. Ячейка рассматривается в данном случае как участок поверхности Земли. Если н базовой станции используется антенна с круговой диаграммой направленности, то линия, ее ответствующая постоянному уровню сигнала, близка к окружности. Однако для проектирования сети круговые ячейки не совсем удобны, поскольку заполнение поверхности кругам приводит либо к образованию непокрытых областей, либо к перекрытию ячеек. С другой стороны, аппроксимация круга многоугольниками приводит к фигурам трех типов: равносторонним треугольникам, квадратам и правильным шестиугольникам (рис. 1). При одинаковом расстоянии от центра фигуры до ее вершины наибольшую площадь занимает правильный шестиугольник. Отсюда следует, что при обслуживании определенной площади шестиугольный план требует меньшего количества ячеек и, следовательно, меньшего числа БС Система, которая основывается на шестиугольных ячейках, экономически выгоднее, чем треугольная или квадратная при прочих равных условиях. При таком подходе приходится допускать, что вследствие изменения условий распространения радиоволн границ; ячейки могут изменяться и обслуживаться всегда будут только те мобильные объекты, которые находятся в пределах зоны действия БС в данный момент времени.

В результате разделения поверхности на правильные шестиугольники образуется периодическая структура, которая называется плоской регулярной гексагональной решеткой (рис. 2).

Рис. 2

Для определения расстояний в такой структуре удобно ввести косоугольную систему координат, в которой угол между осями ОХ и OY 60 град. В таких координатах расстояние m? жду двумя точками P1(xi, yi) и Р2(х2, У2) определяется по формуле

Например, если деление на каждой оси соответствует одному километру, то расстояние между точками P1(2, 1) и Р2(1, 3) согласно (1) равно d(P1, P2)= =1,73 км. (рис.2)

В вопросах частотного планирования ССПР важную роль играет понятие кластера.

Кластером называется совокупность ближайших сот, в которых используются различные частоты либо группы частот в пределах выделенного диапазона. Число ячеек, входящих в кластер, называется его размерностью.

Таким образом, за каждой ячейкой кластера закрепляется канал или группа каналов.

Размерность кластера определяется по формуле

где i и j - целые числа, причем i .'].

На рис.3 показаны кластеры различных размерностей. Если i=2 и j=0, то группа ячеек образует кластер размерности К=4 (рис. 3,а). Ячейки кластера пронумерованы и каждой цифре соответствует частотный канал или группа каналов. Кластеры равномерно покрывают всю территорию, образуя периодическую структуру. Поскольку при повторении кластеров повторяются и приписанные им частоты, то для покрытия территории любых размеров при ограниченных взаимных помехах достаточно иметь всего четыре частоты или четыре группы радиочастот.

Очевидно, что чем больше размерность кластера, тем меньше взаимные помехи на совпадающих частотах. На рис. 3,б, в, и г показаны конфигурации кластеров размерностей К=7

(i=2, j=l), K=12 (i=2, j=2) и К=19 (i=3, j=2). Наименьшая размерность кластера К= 1 получается при i= 1 и J=o ,

Рис. 3

Рассматривая шестиугольную соту как совокупность равносторонних треугольников со стороной, равной радиусу описанной окружности R, можно показать, что цена одного деления вдоль каждой оси, выраженная в радиусах ячейки, равна R . Координаты центральных точек ячеек с совпадающими частотами соседних кластеров равны Р1(0, 0) и

P2(i R,J R).

Отсюда согласно (1) расстояние между центрами ячеек с совпадающими частотами оавно

С учетом (2) имеем

Отношение D, представляющего собой расстояние между центрами ближайших cut с совпадающими частотами, к радиусу соты R называют относительным расстоянием повторного использования частотных каналов

В табл. 1 приведены величины расстояния между сотами с совпадающими частотами радиоканалов для кластеров различных размерностей.

Таблица 1

На рис. 4 показаны все пути прихода помех от ближайших ячеек с совпадающими частотами. Мобильные станции (МС) окружающих ячеек создают помехи приемному устройству базовой станции центральной ячейки кластера (К=7). В свою очередь, базовая стаици/ центральной ячейки выделенного утолщенной линией кластера создает помехи мобильны?,' станциям во всех ячейках с третьим номером примыкающих кластеров.

Учет всех этих помех и сведение их уровня до приемлемого значения представляют собой самостоятельные задачи, решаемые в процессе проектирования ССПР.

Рис. 4

2. Принципы организации сотовой сети подвижной радиосвязи

Территория всего города, где развертывается сеть подвижной радиосвязи, разбивается ш зоны в виде правильных шестиугольников одинакового размера радиусом R=0,5...3 км. Не практике границы ячеек определяются минимально допустимой напряженностью поля полезного сигнала, при которой сохраняется заданное качество приема.

В центре каждой соты располагается БС, которая обслуживает мобильные станции, находящиеся в пределах данной соты. Все БС при помощи соединительных линий связаны с центральной станцией (ЦС), которая выполняет функции управления и коммутации в сети подвижных средств радиосвязи, а также осуществляет выход в телефонную сеть общего пользования (рис. 5).

Мобильная станция в данной соте организует связь с БС, обслуживающей эту соту, используя одну из незанятых частот, выделенных для этой ячейки.

Если, например, в сети предполагается использовать 70 радиоканалов, то при размерности кластера К=7 для каждой из сот можно выделить по 10 каналов. В соответствии с принципом многократного повторного использования частот этих 70 каналов должно хватить для работы на всей обслуживаемой территории. Рабочие частоты для приемопередающего оборудования МС назначает по каналам управления ЦС, где хранится информация о всех свободных в данный момент частотах для каждой ячейки ССПР. Когда МС пересекает границу ячейки, что определяется по падению уровня принимаемого сигнала ниже порогового уровня, мобильному абоненту предоставляется другая свободная частота из групп частот, которые используются в новой ячейке. Эта процедура осуществляется в сети автоматически. Подобная смена частот не вызывает особых технических трудностей, поскольку на каждой МС имеется синтезатор частот, который может генерировать любые несущие частоты в пределах полосы, выделенной для подвижных средств связи.

Рис. 6 иллюстрирует смену рабочих частот при последовательном прохождении мобильной станцией ячеек Ci, Ст., Сз,... и т.д.

Процесс установления связи между МС и абонентом городской телефонной сети (ГТС) начинается с передачи по специальным каналам сигнала вызова, который поступает с МС и обслуживается соответствующей БС, которая соединяется радиорелейными либо кабельными линиями с ЦС. Последняя обеспечивает управление, контроль переговоров и коммутацию МС с абонентами ГТС через местные АТС.

Вызов мобильной станции абонентом телефонной сети общего пользования начинается прямым набором номера с выходом на местную АТС. Вызов передается по телефонной сети на ЦС, где осуществляется контроль занятости вызываемого абонента МС. Если абонент замят, то с ЦС посылается соответствующий сигнал в обратном направлении. Если абонент свободен, то посылается вызов по каналам вызова на все БС сети. Аппаратура БС той ячейки, где находится вызываемая МС, автоматически опознает свой номер и отвечает на запрос по каналу вызова.

После определения незанятого канала связи ЦС дает команду МС перейти на этот канал. В результате всех этих операций создается канал связи, по которому посылается сигнал вызова на МС.

Процессы, протекающие в ССПР при установлении соединений между абонентами, в значительной степени определяются стандартом сотовой сети, т.е. типом многостанционного доступа, структурой коммутационных центров и организацией каналов управления. Поэтому при рассмотрении соответствующих стандартов эти вопросы будут затрагиваться снова.

Следует также отметить, что радиоканалы МС во многом отличаются от каналов проводной связи. В частности, существующая городская сеть проводной связи в иерархическом положении ниже сотовой сети радиосвязи с подвижньми объектами.

3. Условия распространения радиоволн при связи с подвижными объектами

В системах радиосвязи с подвижными объектами двумя основными источниками ухудшения их характеристик являются замирания при многолучевом распространении и межканальные помехи.

Уровень сигнала на входе приемника МС зависит от условий распространения радиоволн на участке БС-МС. Характеристики сигнала зависят не только от обычных потерь при распространении, но и от рельефа местности. Влияние топографии данной территории особенно усиливается тем, что высоты подъема приемных антенн на МС обычно невелики и составляют 1,5...3 м. В целом, чем больше степень пересеченности местности, тем многообразнее ее влияние на распространение сигнала и тем чаще уровень сигнала на МС и БС снижается до крайне низких отметок.

На затухание радиосигнала на трассе распространения большое влияние оказывают также различных предметы и препятствия, имеющие искусственное происхождение.

В подвижной радиосвязи передаваемые сигналы подвержены также влиянию различных явлений, связанных с многолучевым распространением и рассеянием радиоволн на неоднородностях среды распространения. Эти явления приводят к замираниям радиосигналов. Замирания подразделяются на быстрые и медленные, отличающиеся своими статистическими характеристиками. Медленные замирания обычно обусловлены относительно небольшими изменениями рельефа местности на пути распространения радиоволн. Быстрые замирания вызваны отражениями сигналов как от неподвижных, так и от движущихся предметов. При этом часто прямой сигнал от БС отсутствует, а прием осуществляется благодаря попаданию в антенну МС многочисленных лучей, отраженных от зданий, как показано на рис. 6. Замирания этого типа называют многолучевыми замираниями.

При медленных замираниях огибающая сигнала представляет собой случайную величину с логарифмически-нормальным законом распределения

Следует отметить, что логарифм случайной величины х распределен нормально со средним значением а и дисперсией cr2.

Для исследования быстрых замираний огибающей используется рэлеевский закон

с математическим ожидаем m1 = и дисперсией М2= ст (4 - я) / 2.

Напряженность поля сигнала, излучаемого БС, уменьшается с расстоянием, если измерять ее в различных точках, расположенных вдоль радиуса от базовой станции. Подобные измерения могут проводиться при перемещении МС по улицам города, когда мобильная станция удаляется от БС.

Типичная зависимость мгновенного значения огибающей принимаемого сигнала от времени s(t) изображена на рис. 8Д В том случае, когда скорость vmc подвижного объекта остается постоянной в течение записи уровня принимаемого сигнала, можно легко перейти от временной шкалы s(t) к шкале расстояний х, положив х=Умс * t.

Антенны БС обычно имеют усиление 10...I6 дБ по отношению к полуволновому диполю и являются ненаправленными в горизонтальной плоскости. В вертикальной плоскости они имеют определенную направленность. Антенны устанавливаются на высоте 30...100 м от поверхности Земли. Антенна, устанавливаемая на МС, представляет собой четвертьволновый вибратор. Усиление этой антенны по отношению к усилению дипольной антенны равно 0 дБ. В сотовых сетях подвижной радиосвязи используются радиоволны с вертикальной поляризацией.

Сигнал несущей частоты s(t), принимаемый на МС, можно записать в виде

где s(t) - огибающая сигнала; (t) - фаза сигнала.

Величина s(t) может быть представлена в виде двух сомножителей

где m(t) - случайная величина, отражающая медленные замирания с распределением (5), а r(t) - быстрые замирания сигнала с распределением (1,6). Одна из реализации s(t) представлена на рис. 7.

Рис. 7

Если m(у) соответствует некоторой точке местности у, в которой в момент t проводится измерение характеристик сигнала, то m(t) представляет собой локальное среднее. В этом случае (7) будет иметь вид