Сотовые системы связи

Структурная схема сети стандарта GSM

MS — подвижная станция
BTS — базовая станция
BSC — контроллер базовой станции
NMC — центр управления сетью
ТСЕ — транскодер
BSS — оборудование базовой станции (BSC+TCE+BTS)
MSC — центр коммутации подвижной связи
SSS — подсистема коммутации
HLR — регистр положения
VLR — регистр перемещения
AUC — центр аутентификации
EIR — регистр идентификации оборудования
ОМС — центр управления и обслуживания
ADC — административный центр
PDN — сети пакетной передачи
PSTN — телефонная сеть общего пользования
ISDN — цифровые сети с интеграцией служб

Оборудование сетей GSM включает в себя подвижные (радиотелефоны) и базовые станции, цифровые коммутаторы, центр управления и обслуживания, различные дополнительные системы и устройства. Функциональное сопряжение элементов системы осуществляется с помощью ряда интерфейсов. На структурной схеме (рисунок справа) показано функциональное построение и интерфейсы, принятые в стандарте GSM.

MS состоят из оборудования, которое предназначено для организации доступа абонен-тов GSM к существующим сетям связи. В рамках стандарта GSM приняты пять классов ПС: от модели 1-го класса с выходной мощностью до 20 Вт, устанавливаемой на транспортных средствах, до модели 5-го класса с максимальной выходной мощностью до 0,8 Вт. При передаче сообщений предусматривается адаптивная регулировка мощности передатчика, обеспечивающая требуемое качество связи. ПС и БС независимы друг от друга.

Каждая ПС имеет свой МИН — международный идентификационный номер (IMSI), записанный в ее памяти. Каждой ПС присваивается еще один МИН — IMEI, который используется для исключения доступа к сетям GSM с помощью похищенной станции или станции, не обладающей такими полномочиями.

Оборудование BSS состоит из контроллера базовых станций BSC и собственно приемопередающих базовых станций BTS. Один контроллер может управлять несколькими станциями. Он выполняет следующие функции: управление распределением радиоканалов; контроль соединения и регулировка их очередности; обеспечение режима работы с «прыгающей» частотой, модуляция и демодуляция сигналов, кодирование и декодирование сообщений, кодирование речи, адаптацию скорости передачи речи, данных и сигналов вызова; управление очередностью передачи сообщений персонального вызова.

Транскодер ТСЕ обеспечивает преобразование выходных сигналов канала передачи речи и данных MSC (64 кбит/с) к виду, соответствующему рекомендациям GSM по радиоинтерфейсу (13 кбит/с). Транскодер обычно располагается вместе с MSC.

Оборудование подсистемы коммутации SSS состоит из ЦК подвижной связи MSC, регистра положения HLR, регистра перемещения VLR, центра аутентификации AUC и регистра идентификации оборудования EIR.

MSC обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений ПС. Он представляет собой интерфейс между сетью подвижной связи и фиксированными сетями, такими как PSTN, PDN, ISDN, и обеспечивает маршрутизацию вызовов и функцию управления вызовами. Кроме этого, MSC выполняет функции коммутации радиоканалов, к которым относятся эстафетная передача, обеспечивающая непрерывность связи при перемещении ПС из соты в соту, и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностей. Каждый MSC обслуживает абонентов, расположенных в пределах определенной географической зоны. MSC управляет процедурами установления вызова и маршрутизации. Для PSTN он обеспечивает функции системы сигнализации SS №7, передачи вызова или другие виды интерфейсов. Также MSC формирует данные для тарификации разговоров, составляет статистические данные, поддерживает процедуры безопасности при доступе к радиоканалу.
MSC также управляет и процедурами регистрации местоположения и передачи управления в подсистеме базовых станций (BSC). Процедура передачи вызова в сотах, управляемых одним КБС, осуществляется этим BSC. Если передача вызова осуществляется между двумя сетями, управляемыми разными BSC, то первичное управление осуществляется в MSC. Также в стандарте GSM предусмотрена процедура передачи вызова между контроллерами (сетями), относящимися к разным MSC.
MSC осуществляет постоянное слежение за ПС, используя регистры: HLR (регистр положения или домашний регистр) и VLR (перемещения или гостевой регистр).

В HLR хранится та часть информации о местоположении какой-либо ПС, которая позволяет ЦК доставить вызов. Этот регистр содержит МИН подвижного абонента (IMSI), который используется для опознавания ПС в центре аутентификации (AUC), а также данные, необходимые для нормальной работы сети GSM. Перечень этих данных представлен на рисунке справа.

Фактически HLR является справочной БД о постоянно зарегистрированных в сети абонентах. В ней содержатся опознавательные адреса и номера, а также параметры подлинности абонентов, состав услуг связи, информация о маршрутизации, данные о роуминге абонента (включая данные о временном идентификационном номере абонентаТМ81 и соответствующем VLR).

К данным, находящимся в HLR, имеют доступ все MSC и VLR сети. Если в сети имеется несколько HLR, в БД содержится только одна запись об абоненте, поэтому каждый HLR представляет собой часть общей БД сети об абонентах. К HLR также могут получать доступ MSC и VLR, относящиеся к другим сетям, с целью обеспечения межсетевого роуминга.

Регистр перемещения (VLR) — это второе основное устройство, обеспечивающее контроль за передвижением ПС из соты в соту. С его помощью достигается функционирование ПС за пределами контролируемой регистром положения зоны. Когда в процессе перемещения ПС переходит из зоны действия одного КБС в зону действия другого, то она регистрируется последним, т.е. в регистр перемещения заносится новая информация. Состав временных данных, хранящихся в этих регистрах, приведен на рисунке справа. VLR содержит такие же данные, как и HLR, но эти данные находятся в VLR только до тех пор, пока абонент находится зоне, контролируемой VLR.

В сетях стандарта GSM соты группируются в географические зоны (LA), которым присваивается свой идентификационный номер LAC. Каждый VLR содержит данные об абонентах в нескольких LA. При перемещении абонента из одной зоны в другую, данные о его местоположении автоматически обновляются в VLR. Если старая и новая LA находятся в зоне действия различных VLR, то данные на старом VLR стираются после их копирования в новый VLR. Текущий адрес VLR абонента, содержащийся в HLR, также обновляется.
Также VLR обеспечивает присвоение номера «блуждающей» подвижной станции [MSRN). Когда абонент принимает входящий вызов, VLR выбирает его MSRN и передает на MSC, который осуществляет маршрутизацию этого вызова к БС, в зоне действия которой находится абонент. Кроме того, VLR распределяет номера передачи управления при передаче соединений от одного MSC к другому, управляет распределением новых TMSI и передает их в HLR, управляет процедурами установления подлинности во время обработки вызова. В целом VLR представляет собой локальную БД об абоненте для той зоны, где он находится, что позволяет исключить постоянные запросы в HLR и сократить время на обслуживание вызовов.

Для исключения несанкционированного использования ресурсов сотовой системы в нее введены механизмы аутентификации. Центр аутентификации (AUC) состоит из нескольких блоков и формирует ключи и алгоритмы аутентификации. С его помощью проверяются полномочия абонента и осуществляется его доступ к сети. AUC принимает решения о параметрах процесса аутентификации и определяет ключи шифрования на основе БД, находящейся в регистре идентификации оборудования (EIR).

Каждый подвижный абонент на время пользования сотовой системой получает стандартный модуль подлинности абонента (SIM-карту), который содержит: IMSI, свой индивидуальный ключ аутентификации (Ki), алгоритм аутентификации (A3). С помощью информации, записанной в SIM-карте, в результате обмена данными между ПС и сетью, осуществляется полный цикл аутентификации и разрешается доступ абонента к сети.

Регистр идентификации оборудования EIR содержит централизованную БД для подтверждения подлинности МИН оборудования подвижной станции (IMEI). Если сеть имеет несколько EIR, то каждый EIR управляет определенными группами номеров ПС.

Центр управления и обслуживания (ОМС) обеспечивает управление элементами сети и качеством ее работы. В функции ОМС входит: регистрация и обработка аварийных сигналов, устранение неисправностей (автоматически или посредством обслуживающего персонала), проверка состояния оборудования сети и прохождения вызова ПС, управление трафиком, сбор статистических данных, управление ПО и БД и др.

Центр управления сетью (NMC) обеспечивает техническое обслуживание и эксплуатацию на уровне всей сети, поддерживаемой центрами ОМС (которые обеспечивают управление региональными сетями). В функции NMC входит: управление трафиком в пределах всей сети GSM, диспетчерское управление сетью в аварийных ситуациях (выход из строя или перегрузка узлов), контроль состояния устройств автоматического управления в оборудовании сети, отображение состояния всей сети на дисплее операторов, управление маршрутами сигнализации и соединениями между узлами, контроль соединений между GSM и PSTN и др.

Сотовые сети стандарта CDMA

В настоящее время метод множественного доступа с кодовым разделением каналов реализован в нескольких стандартах:

• стандарт CDMA предложен и внедряется компанией Qualcomm;
• стандарт B-CDMA — компанией Inter Digital;
• FH/CDMA — компанией Tadiran Telecommunications.

Эти стандарты значительно отличаются друг от друга по способу кодирования в каналах и методу расширения спектра. Построенные на их основе системы различаются как функциональными возможностями, так и областью применения. Ниже приводится описание стандарта CDMA IS-95 (cdmaOne) как наиболее широко использовавшегося на территории России до момента вывода его из эксплуатации в связи с передачей диапазона частот 850 МГц под цифровое эфирное телевидение.
Первая версия CDMA IS-95 была разработана компанией Qualcomm в 1994 г. Аббревиатура IS (interim standard — временной стандарт) используется для учета в TIA, а цифра означает порядковый номер. Из полного названия стандарта TIA/EIA/IS-95 видно, что в его рассмотрении принимал также участие EIА, который объединяет семь крупных организаций США.
Изначально система связи cdmaOne была предназначена для работы в диапазонах час-тот 824—849 МГц (обратный канал) и 869—894 МГц (прямой канал) с дуплексным разносом 45 МГц. Общая полоса частот, занимаемая в эфире — 1.25 МГц.

Передача речи и данных по стандарту IS-95 осуществляется кадрами длительностью 20 мс. При этом скорость передачи в пределах сеанса связи может изменяться от 1.2 до 9.6 кбит/с, но в течение одного кадра она остается неизменной. Если количество ошибок в кадре превышает допустимую норму, то искаженный кадр удаляется.

В стандарте CDMA передаваемую информацию кодируют и код превращают в шумо-подобный широкополосный сигнал (ШШС) так, что его можно выделить снова, только располагая кодом на приемной стороне. При этом одновременно в широкой полосе частот можно передавать и принимать множество сигналов, которые не мешают друг другу.
Широкополосной называется система, которая передает сигнал, занимающий очень широкую полосу частот, значительно превосходящую ту минимальную ширину полосы частот, которая фактически требуется для передачи информации. В широкополосной системе исходный модулирующий сигнал (например, сигнал телефонного канала) с полосой всего несколько килогерц распределяют в полосе частот, ширина которой может быть несколько мегагерц. Это осуществляется путем двойной модуляции несущей передаваемым информационным сигналом и широкополосным кодирующим сигналом. Основной характеристикой широкополосного сигнала является его база В, определяемая как произведение ширины спектра сигнала F на его период Т: B = F * T. В результате перемножения сигнала источника псевдо-случайного шума с информационным сигналом энергия последнего распределяется в широкой полосе частот, т.е. его спектр расширяется.

Информация может быть введена в широкополосный сигнал (ШПС) несколькими способами. Наиболее известный способ заключается в наложении информации на широкополосную модулирующую кодовую последовательность перед модуляцией несущей для получения ШШС (см. рис. ниже). Узкополосный сигнал умножается на псевдослучайную последовательность (ПСП) с периодом Т, состоящую из N бит длительностью to каждый. В этом случае база ШПС численно равна количеству элементов ПСП.

Этот способ пригоден для любой широкополосной системы, в которой для расширения спектра высокочастотного сигнала применяется цифровая последовательность.
Сущность широкополосной связи состоит в расширении полосы частот сигнала, передаче ШПС и выделении из него полезного сигнала путем преобразования спектра принятого ШПС в первоначальный спектр информационного сигнала.
Перемножение принятого сигнала и сигнала такого же источника псевдослучайного шума (ПСП), который использовался в передатчике, сжимает спектр полезного сигнала и одновременно расширяет спектр фонового шума и других источников интерференционных помех. Результирующий выигрыш в отношении сигнал/шум на выходе приемника есть функция отношения ширины полос широкополосного и базового сигналов: чем больше расширение спектра, тем больше выигрыш. Во временной области — это функция отношения скорости передачи цифрового потока в радиоканале к скорости передачи базового информационного сигнала. Для стандарта IS-95 отношение составляет 128 раз, или 21 дБ. Это позволяет системе работать при уровне интерференционных помех, превышающих уровень полезного сигнала на 18 дБ, так как обработка сигнала на выходе приемника требует превышения уровня сигнала над уровнем помех всего на 3 дБ. В реальных условиях уровень помех значительно меньше. Кроме того, расширение спектра сигнала (до 1.23 МГц) можно рассматривать как применение методов частотного разнесения приема. Сигнал при распространении в радиотракте подвергается замираниям вследствие многолучевого характера распространения. В частотной области это явление можно представить как воздействие режекторного фильтра с изменяющейся шириной полосы режекции (обычно не более чем на 300 кГц). В стандарте AMPS это соответствует подавлению десяти каналов, а в системе CDMA подавляется лишь около 25% спектра сигнала, что не вызывает особых затруднений при восстановлении сигнала в приемнике.

В системах, использующих метод CDMA, изменяя синхронизацию источника псевдослучайного шума, можно использовать один и тот же участок полосы частот для работы во всех ячейках сети. Такое 100%-ное использование доступного частотного ресурса — один из основных факторов, определяющих высокую абонентскую емкость сети стандарта CDMA и упрощающих ее организацию. Системы на базе CDMA имеют динамическую абонентскую емкость. И хотя имеется 64 кода Уолша, этот теоретический предел не достигается в реальных условиях, и абонентская емкость системы ограничивается внутрисистемной интерференцией, вызванной одновременной работой подвижных и базовых станций соседних сот.
Число абонентов в системе CDMA зависит от уровня взаимных помех. Согласованные фильтры БС весьма чувствительны к эффекту «ближний-дальний» (far-near problem), когда MC, расположенная вблизи базовой, работает на большой мощности, создавая недопустимо высокий уровень помех при приеме других, «дальних» сигналов, что приводит к снижению пропускной способности системы в целом. Эта проблема существует у всех CMC, однако наибольшие искажения сигнала возникают именно в CDMA-системах, работающих в общей полосе частот, в которых используются ортогональные шумоподобные сигналы. Если бы в этих системах отсутствовала регулировка мощности, то они существенно уступали бы по характеристикам сотовым сетям на базе TDMA. Поэтому ключевой проблемой в CDMA-системах можно считать индивидуальное управление мощностью каждой станции.
Эффективная работа системы с кодовым доступом возможна лишь при условии вы-равнивания сигнала от различных абонентов на входе базовой станции. Причём, чем выше точность выравнивания, тем больше зона покрытия системы.

Системы подвижной радиосвязи третьего поколения (3G)

Дальнейшее развитие ССПС осуществляется в рамках создания проектов систем третьего поколения (3G), которые будут отличаться унифицированной системой радиодоступа.
Программа IMT-2000 (International Mobil Telecommunications-2000) по созданию нового семейства систем подвижной связи третьего поколения, охватывает технологии, наземной сотовой, спутниковой связи и беспроводного доступа.
Суть новой концепции состоит в совмещении существующих сетей с системами, базирующимся на новом семействе стандартов 3-го поколения, которое получило обозначение IFS (IMT-2000 Family of Systems).

Элементы сетей сотовой связи

Функциональная схема

Система сотовой связи строится в виде совокупности сот, покрывающих обслуживаемую территорию. Ячейки обычно схематически изображают в виде правильных шестиугольников. В центре каждой ячейки находится базовая станция (БС), обслуживающая все подвижные станции (ПС) в пределах своей ячейки. При перемещении абонента из одной ячейки в другую происходит передача его обслуживания от одной БС к другой. Все БС соединены с центром коммутации (ЦК) подвижной связи по выделенным проводным или радиоре-лейным каналам связи. С центра коммутации имеется выход на ТфОП. На рисунке справа приведена упрощенная функциональная схема, соответствующая описанной структуре системы.

Система сотовой связи может включать более одного ЦК, что может быть обусловлено эволюцией развития сети или ограниченностью емкости коммутационной системы. Например, возможна структура системы с несколькими ЦК (рисунок справа), один из которых условно можно назвать головным, шлюзовым или транзитным.

В простейшей ситуации система содержит один ЦК, при котором имеется домашний регистр, и она обслуживает относительно небольшую замкнутую территорию, с которой не граничат территории, обслуживаемые другими системами. Если система обслуживает большую территорию, то она может содержать два или более ЦК, из которых только при «головном» имеется домашний регистр, но обслуживаемая системой территория по-прежнему не граничит с территориями других систем. В обоих этих случаях при перемещении абонента между ячейками одной системы происходит передача обслуживания, а при перемещении на территорию другой системы — роуминг. Если система граничит с другой системой сотовой связи, то при перемещении абонента из одной системы в другую имеет место межсистемная передача обслуживания.

Подвижная станция

Блок-схема цифровой подвижной станции (ПС) приведена на рисунке справа. В ее состав входят: блок управления; приемопередающий блок; антенный блок.
Блок управления включает в себя микротелефонную трубку (микрофон и динамик), клавиатуру и дисплей. Клавиатура служит для набора номера телефона вызываемого абонента, а также команд, определяющих режим работы ПС. Дисплей служит для отображения различной информации, предусматриваемой устройством и режимом работы станции.
Приемопередающий блок состоит из передатчика, приемника, синтезатора частот и логического блока.

Приемник по составу соответствует передатчику, но с обратными функциями входящих в него блоков:

• демодулятор — выделяет из модулированного радиосигнала кодированный видеосигнал, несущий информацию;
• декодер канала — выделяет из входного потока управляющую информацию и направляет ее на логический блок; принятая информация проверяется на наличие ошибок, и выявленные ошибки исправляются; до последующей обработки принятая информация подвергается обратной (по отношению к кодеру) переупаковке;
• декодер речи —восстанавливает поступающий на него с кодера канала сигнал речи, переводя его в естественную форму, со свойственной ему избыточностью, но в цифровом виде;
• ЦАП — преобразует принятый цифровой сигнал речи в аналоговую форму и подает его на вход динамика;
• эквалайзер — служит для частичной компенсации искажений сигнала вследствие многолучевого распространения; по существу, он является адаптивным фильтром, настраиваемым по обучающей последовательности символов, входящей в состав передаваемой информации; блок эквалайзера не является функционально необходимым и в некоторых случаях может отсутствовать.

Логический блок — это микрокомпьютер, осуществляющий управление работой ПС. Синтезатор является источником колебаний несущей частоты, используемой для передачи информации по радиоканалу. Наличие гетеродина и преобразователя частоты обусловлено тем, что для передачи и приема используются различные участки спектра (дуплексное разделение по частоте).

Антенный блок включает в себя антенну (в простейшем случае четвертьволновой штырь) и коммутатор прием/передача. Последний для цифровой станции может представлять собой электронный коммутатор, подключающий антенну либо на выход передатчика, либо на вход приемника, так как ПС цифровой системы никогда не работает на прием и передачу одновременно.

Блок-схема подвижной станции, приведенная на рисунке выше, является упрощенной. На ней не показаны усилители, селектирующие цепи, генераторы сигналов синхрочастот и цепи их разводки, схемы контроля мощности на передачу и прием и управления ею, схема управления частотой генератора для работы на определенном частотном канале и т.п. Для обеспечения конфиденциальности передачи информации в некоторых системах возможно использование режима шифрования; в этих случаях передатчик и приемник ПС включают соответственно блоки шифратора и дешифратора сообщений. В ПС системы GSM предусмотрен специальный съемный модуль идентификации абонента (Subscriber Identity Module — SIM). Подвижная станция системы GSM включает также детектор речевой активности (Voice Activity Detector), который с целью экономного расходования энергии источника питания (уменьшения средней мощности излучения), а также снижения уровня помех, создаваемых для других станций при работающем передатчике, включает работу передатчика на излучение только на те интервалы времени, когда абонент говорит. На время паузы в работе передатчика в приемный тракт дополнительно вводится комфортный шум. В необходимых случаях в ПС могут входить отдельные терминальные устройства, например факсимильный аппарат, в том числе подключаемые через специальные адаптеры с использованием соответствующих интерфейсов.

Блок-схема аналоговой ПС проще рассмотренной цифровой за счет отсутствия блоков АЦП/ЦАП и кодеков, но сложнее за счет более громоздкого дуплексного антенного переключателя, поскольку аналоговой станции приходится одновременно работать на передачу и на прием.

В состав передатчика входят:

• АЦП —преобразует в цифровую форму сигнал с выхода микрофона и вся последующая обработка и передача сигнала речи производится в цифровой форме;
• кодер речи — осуществляет кодирование сигнала речи, т.е. преобразование сигнала, имеющего цифровую форму, по определенным законам с целью сокращения его избыточности;
• кодер канала — добавляет в цифровой сигнал, получаемый с выхода кодера речи, дополнительную (избыточную) информацию, предназначенную для защиты от ошибок при передаче сигнала по линии связи; с той же целью информация подвергается определенной переупаковке (перемежению); кроме того, кодер канала вводит в состав передаваемого сигнала информацию управления, поступающую от логического блока;
• модулятор — осуществляет перенос информации кодированного видеосигнала на несущую частоту.

Базовая станция

Блок-схема БС приведена на рисунке справа. Особенностью БС является использование разнесенного приема, для чего станция должна иметь две приемные антенны. Кроме того, БС может иметь раздельные антенны на передачу и на прием (приведенный рисунок соответствует этому случаю). Другая особенность — наличие нескольких приемников и такого же числа передатчиков, позволяющих вести одновременную работу на нескольких каналах с различными частотами.

Одноименные приемники и передатчики имеют общие перестраиваемые опорные ге-нераторы, обеспечивающие их согласованную перестройку при переходе с одного канала на другой; конкретное число N приемопередатчиков зависит от конструкции и комплектации БС. Для обеспечения одновременной работы N приемников на одну приемную и N передатчиков на одну передающую антенну, между приемной антенной и приемниками устанавливается делитель мощности на N выходов, а между передатчиками и передающей антенной — сумматор мощности на N входов.

Приемник и передатчик имеют ту же структуру, что и в ПС, за исключением того, что в них отсутствуют ЦАП и АЦП, поскольку и входной сигнал передатчика, и выходной сигнал приемника имеют цифровую форму. Возможны варианты, когда кодеки (либо только кодек речи, либо и кодек речи, и канальный кодек) конструктивно реализуются в составе ЦК, а не в составе приемопередатчиков БС, хотя функционально они остаются элементами приемопередатчиков.

Блок сопряжения с линией связи осуществляет упаковку информации, передаваемой по линии связи на ЦК, и распаковку принимаемой от него информации. Для связи БС с ЦК обычно используется радиорелейная или волоконно-оптическая линия, если они не располагаются территориально в одном месте.

Контроллер БС (компьютер) обеспечивает управление работой станции, а также кон-троль работоспособности всех входящих в нее блоков и узлов.

Для обеспечения надежности многие блоки и узлы БС резервируются (дублируются), в состав станции включаются автономные источники бесперебойного питания (аккумуляторы).

В стандарте GSM используется понятие системы базовой станции (СБС), в которую входит контроллер базовой станции (КБС) и несколько (например, до шестнадцати) базовых приемопередающих станций (БППС). В частности, три БППС, расположенные в одном месте и замыкающиеся на общий КБС, могут обслуживать каждая свой 120-градусный азимутальный сектор в пределах соты или шесть БППС с одним КБС — шесть 60-градусных секторов. В стандарте D-AMPS в аналогичном случае могут использоваться соответственно три или шесть независимых БС, каждая со своим контроллером, расположенных в одном месте и работающих каждая на свою секторную антенну.

Центр коммутации

Центр коммутации — это автоматическая телефонная станция системы сотовой связи, обеспечивающая все функции управления сетью. ЦК осуществляет постоянное слежение за ПС, организует их эстафетную передачу, в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении ПС из соты в соту и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностей.
На ЦК замыкаются потоки информации со всех БС, и через него осуществляется выход на другие сети связи — стационарную телефонную сеть, сети междугородной связи, спутниковой связи, другие сотовые сети. В состав ЦК входит несколько процессоров (контроллеров).
Коммутатор подключается к линиям связи через соответствующие контроллеры связи, осуществляющие промежуточную обработку (упаковку/распаковку, буферное хранение) потоков информации. Управление работой ЦК и системы в целом производится от центрального контроллера. Работа ЦК предполагает участие операторов, поэтому в состав центра входят соответствующие терминалы, а также средства отображения и регистрации (документирования) информации. В частности, оператором вводятся данные об абонентах и условиях их обслуживания, исходные данные по режимам работы системы, в необходимых случаях оператор выдает требующиеся по ходу работы команды.

Важными элементами системы являются БД — домашний регистр, гостевой регистр, центр аутентификации, регистр аппаратуры. Домашний регистр (местоположения — Ноте Location Register, HLR) содержит сведения обо всех абонентах, зарегистрированных в данной системе, и о видах услуг, которые могут быть им оказаны. В нем фиксируется местоположение абонента для организации его вызова и регистрируются фактически оказанные услуги. Гостевой регистр (местоположения — Visitor Location Register, VLR) содержит сведения об абонентах-гостях (роумерах), т.е. об абонентах, зарегистрированных в другой системе, но пользующихся в настоящее время услугами сотовой связи в данной системе. Центр аутентификации (Authentication Center) обеспечивает процедуры аутентификации абонентов и шифрования сообщений. Регистр аппаратуры (идентификации — Equipment Identity Register), если он существует, содержит сведения об эксплуатируемых ПС на предмет их исправности и санкционированного использования. В частности, в нем могут отмечаться украденные абонентские аппараты, а также аппараты, имеющие технические дефекты, например, являющиеся источниками помех недопустимо высокого уровня.

Как и в БС, в ЦК предусматривается резервирование основных элементов аппаратуры, включая источник питания, процессоры и базы данных. БД часто не входят в состав ЦК, а реализуются в виде отдельных элементов. Устройство ЦК может быть различным в исполнении разных компаний-изготовителей.

Интерфейсы систем сотовой связи

В каждом стандарте сотовой связи используется несколько интерфейсов, в общем слу-чае различных в разных стандартах.
Предусмотрены свои интерфейсы для связи ПС с БС, БС — с ЦК (а в стандарте GSM еще и отдельный интерфейс для связи приемопередатчика БС с КБС), центра коммутации — с домашним регистром, с гостевым регистром, с регистром аппаратуры, со стационарной телефонной сетью и другие.
Все интерфейсы подлежат стандартизации для обеспечения совместимости аппаратуры разных фирм-изготовителей, что не исключает возможности использования различных интерфейсов, определяемых разными стандартами, для одного и того же информационного стыка. В некоторых случаях используются уже существующие стандартные интерфейсы, например, соответствующие протоколам обмена в цифровых информационных сетях.
Интерфейс обмена между ПС и БС носит название эфирного интерфейса или радиоинтерфейса (air interface) и для двух основных стандартов цифровой сотовой связи (D-AMPS и GSM) обычно обозначается одинаково — Dm, хотя организован по-разному. Эфирный интерфейс обязательно используется в любой системе сотовой связи при любой ее конфигурации и в единственном возможном для своего стандарта сотовой связи варианте. Данное обстоятельство позволяет ПС любой фирмы-изготовителя успешно работать совместно с БС той же или любой другой фирмы, что удобно для компаний-операторов и необходимо для организации роуминга. Стандарты эфирного интерфейса разрабатываются весьма тщательно, чтобы обеспечить возможно более эффективное использование полосы частот, выделенной для канала радиосвязи.

Организация каналов доступа

Полосы частот сотовой связи

Одна из особенностей ССС — это жесткая ограниченность выделенных полос частот, вмещающих в себя небольшое число частотных каналов. Отсюда следует задача наиболее рационального использования имеющегося диапазона, оптимизации его использования и следовательно повышения емкости системы связи.
Другая особенность заключается в том, что используемые в сотовой связи полосы частот относятся к дециметровому диапазону. Дециметровые радиоволны распространяются в основном в пределах прямой видимости; дифракция на этих частотах выражена слабо, а молекулярного поглощения и поглощения в гидрометеорах (снег, дождь) практически нет. Однако близость подстилающей поверхности и наличие преград (зданий), особенно в условиях I города приводит к появлению отраженных сигналов, интерферирующих между собой и с I сигналом, прошедшим по прямому пути. Это явление называется многолучевым распространением сигналов.

Пути повышения емкости системы сотовой связи

Способы повышения емкости в системах сотовой связи можно разделить на четыре группы:

1. Совершенствование методов обработки сигналов (в частности, переход от аналоговой обработки к цифровой), сопровождаемый переходом к более совершенным методам множественного доступа — от FDMA к ТОМА и к CDMA, а в пределах TDMA — переход от полноскоростного кодирования речи к полускоростному.
2. Дробление ячеек, т.е. переход к меньшим ячейкам в районах с интенсивным трафиком при том же коэффициенте повторного использования частот; число БС при этом соответственно увеличивается, а мощность излучения (как для БС, так и для ПС) снижается. Тотже эффект достигается при использовании на БС секторных антенн, например с разделением ячейки на три сектора (при 120-градусных секторах) и использованием в каждом из секторов своей полосы частот. Практически ячейки с радиусом менее 300—500 м неудобны, так как чрезмерно возрастает поток передач обслуживания. Выход может быть найден в использовании многоуровневых (иерархических) схем построения сотовой сети с обслуживанием в крупных ячейках (макросотах) быстро перемещающихся абонентов (автомобилистов), а в более мелких (микросоты, пикосоты) — малоподвижных абонентов, например покупателей в пределах торгового центра.
В некоторых случаях может оказаться необходимым не дробить, а укрупнять ячейки, если трафик столь мал, что не обеспечивает достаточной загрузки БС. Если при этом радиус ячейки превышает номинальную дальность действия передатчика БС и/или ПС, то для обеспечения связи в удаленных частях ячейки приходится использовать повторители, выполняющие роль ретрансляторов.

3. Использование адаптивного назначения каналов (АСА) в методах доступа с частотным и временным разделением каналов (FDMA и ТОМА). При данном подходе частотные каналы (все или частично) находятся в оперативном распоряжении ЦК, который выделяет их для пользования отдельным ячейкам (БС) по мере поступления заявок (вызовов), т.е. в соответствии с реальной интенсивностью трафика, но при соблюдении необходимого территориально-частотного разноса. Такой адаптивный алгоритм сложнее, но он может обеспечить повышение емкости системы за счет гибкого отслеживания флуктуации трафика. Алгоритмы адаптивного назначения каналов используются в беспроводном телефоне, но в сотовой связи широкого распространения не получили. Адаптивным по существу является назначение физических каналов в методе CDMA, что позволяет в некоторых пределах перераспределять нагрузку между разными ячейками.

4. Расширение выделяемой полосы частот. Но в условиях жестких ограничений на доступные полосы частот данный подход не является перспективным.
Принцип построения и частотное планирование ССПС

В соответствии с принципами построения ССПС, территория обслуживания с радиусом Rо условно разделяется на соты, имеющие радиус описанной окружности R. Идеальная форма соты — круг, однако для простоты расчета полей и взаимных влияний за основу взят правильный шестигранник. Реально, из-за рельефа местности, строений и других факторов, сота имеет форму неправильного круга.

Подвижные абоненты, находящиеся в сотах, обслуживаются BTS, которые представляют свободный частотный канал, каждой MS при поступление вызова от нее. Все BTS с помощью коммутационной системы могут соединяться друг с другом, а также имеют выход в обычную ТЛФ сеть. Коммутационная система может быть либо сосредоточенной в виде ЦС, либо распределенной, что позволяет снизить первоначальные затраты на этот вид обслуживания. В последнем случае узлы коммутации устанавливаются на BTS. Каждой BTS, оснащенный приемопередающей аппаратурой, предоставляется набор частотных каналов, причем на всех BTS, которые разделены защитным интервалом D, одни и те же каналы используются повторно — это основной принцип ССПС, который определяет высокую частотную эффективность системы — т.е. при ограниченной общей полосе частот получается охватить системой сколь угодно большую зону обслуживания и существенно повысить емкость системы. Смежные BTS, использующие различные частотные каналы, образуют группу из С станций.

Величина С является частотным параметром системы (кластер), так как определяет минимально возможное число каналов ССПС. Если на каждой BTS набор состоит из L каналов с шириной полосы F_k, то общая ширина полосы ССПС в направлении передачи составит F_c=F_klC. Количество BTS (L) на территории обслуживания радиусом Ro приближенно определяется как

L = 1,21 (R_о / R)²
Тогда число активных абонентов на всей территории обслуживания определяется как N=Ll, а эффективность использования спектра частот как

G = N / F_c = L / F_kС = 1,21 R_o² / F_kCR²
т.е. она не зависит от числа каналов в наборе l и возрастает с уменьшением радиуса соты R. Отсюда следует, что чем меньше радиус R соты, тем чаще можно повторять частоты, т.е. их одновременное использование. Кроме того, следует выбирать меньшее значение частотного параметра С.
При шестиугольной форме сот, имеет место оптимальное соотношение между величиной С и защитным интервалом D (интервал между ячейками с повторяющимися частотами).

C = ( D / R )²/3
Кроме того, шестиугольная форма сот обеспечивает наилучшую аппроксимацию круговой зоны в системе с ограниченной мощностью передатчика MS и возможностью систематизировать распределение частотных каналов.
Рассмотренная схема двухмерного покрытия территории несколько отличается от схемы линейного расположения сот одной длиной цепью. Линейное расположение представляет наибольшей интерес при построении систем радиального направления, например, вдоль автомагистралей. При этом минимально необходимое число частотных каналов определяется как С = D / 2R.
Опыт эксплуатации и расчеты показывают, что уменьшение R и отношения D/R в ССПС позволяют достичь высокой пропускной способности и частотной эффективности. Однако, чрезмерное уменьшение радиуса соты вызывает резкое увеличение числа пересечений условных границ сот при передвижении абонентов. В связи с этим возрастает поток данных, требующих обработки, что может привести к перегрузке подсистем управления и коммутации и, как следствие, отказу системы. Кроме того, при малых значениях R могут иметь место отклонения от точного расположения антенны BTS в условиях реальной местности. Расчеты показывают, что при R = 1,6 км смещение антенны BTS на четверть радиуса относительно геометрического центра приведет к снижению отношения сигнал/помеха на входе приемника BTS на 10 %.
Величина D/R определяется заданным уровнем взаимных помех, при малых значениях D/R требуется принимать специальные меры, направленные на сохранение высокой помехоустойчивости приема.
Одним из методов повышения помехоустойчивого приема является использование направленных антенн. Например, в системе AMPS (США) применение трех — 120°-антенн, вместо ненаправленных при заданном отношении сигнал/помеха на входе приемника позволяет снизить частотный параметр до значения С = 7 (против С = 12, для ненаправленных антенн).
Одним из способов распределения каналов является метод сдвоенной структуры. Согласно наиболее простому правилу этого метода, BTS выделяется набор каналов, имеющих номера: k, k + l, k+lС, где k — номер BTS в группе станций, использующих разные наборы, т.е. k = 1,2 … С. Например, при l = 7 в сотах, обозначенных цифрой 3, используются каналы 3,10,17,24 … и т.д.
В системе с направленными антеннами подавление межканальных помех будет еще более эффективным за счет соответствующей пространственной ориентации антенны смежных каналов.
Другие методы подобного частотного планирования (фиксированного), дают примерно тот же результат по обеспечению уровня межсимвольных помех.
Помимо фиксированного метода распределения частотных каналов, известен динамический способ распределения, основное значение которого — повышать эффективность использования каналов и снизить вероятность блокировки вызова, когда каналы данной соты все заняты. При этом тем BTS, на которых все каналы заняты, на время сеанса связи предоставляются каналы из соседних сот.
Можно так же использовать гибридные методы распределения каналов. В таких системах каждой BTS выделяется фиксированный набор каналов, а так же некоторое число динамически распределенных каналов. При этом построении вероятность блокировки вызова зависит как от имеющейся нагрузки на канал, так и от выбранного соотношения между числом фиксированных и динамических каналов.
Важным достоинством динамического и гибридного распределения является то, что они позволяют осуществить выравнивание ТЛФ нагрузки на один канал, если ее плотность не постоянна. При фиксированном распределении это достигается уменьшением радиуса соты, а так же путем увеличения числа каналов на BTS в местах с высоким трафиком. По такому принципу осуществляется первоначальный запуск системы, т.е. сначала вводится несколько BTS с крупными ячейками, а затем путем постепенного дробления сотовой решетки система входит в режим максимальной пропускной способности.
При проектировании ССПС важное значение имеет не только изучение вопросов частотного планирования и распределения каналов, но и исследование распространения УКВ в городских и пригородных зонах. Проведенные многочисленные экспериментальные исследования распространения УКВ в условиях городской и сельской местности, где возможны многократные отражения (многолучевость), показали, что затухание радиоволн существенным образом зависит лишь от высоты h антенны BTS и уменьшается с увеличением последней. Кроме того, мощность сигнала в зависимости от расстояния между антеннами изменяется примерно одинаково.
ССПС присущи также внутрисистемные помехи, обусловленные, с одной стороны, взаимными помехами сот с совмещенными каналами, а с другой — наличием межканальных помех. Уровень взаимных помех определяется выбранными параметрами сети С и D, которые при заданной пропускной способности и выделенной полосе частот позволяют определить число мешающих станций. Если общее число BTS не велико, т.е. L не существенно превышает величину С, то в системе может быть всего одна или несколько мешающих станций.
Существуют различные методики расчета внутрисистемных взаимных помех. Результаты расчетов по ним приблизительно одинаковы. Анализ таких расчетов показывает, что для увеличения помехоустойчивости и более эффективного использования спектра целесообразно устанавливать на BTS направленные 120° -антенны. В этом случае каждая BTS имеет трехсекторную антенну, которая располагается в одном из углов шестиугольной соты, таким образом, охватывает одновременно три соты. Так как на каждую ячейку приходится три сектора от трех BTS, то общее число BTS равно числу сот системы. Для худшего случая, когда MS расположена в одном из углов шестиугольной соты, при С = 1, отношение сигнал/помеха на входе приемника возрастает до величины 1,7 дБ. В общем случае показывается, что направленное излучение является эффективной мерой снижения уровня взаимных помех в ССПС.

Распределение каналов в сотовых системах

До сих пор мы проектировали систему с учетом требуемой емкости и уровня обслуживания. Следующий шаг — выделение сотам или их секторам конкретных каналов (несущих частот).

Рассмотрим правила распределения каналов среди сот и секторов. Непосредственное влияние на выбор оказывают межканальные помехи (interchannel interference). Этот тип помех возникает между сигналами, излучаемыми в одной и той же соте (секторе) на разных несущих частотах. Необходимо минимизировать искажения. Этого можно достичь соответствующим подбором частот каналов в каждой соте. Межканальные помехи также тесно связаны с перемещением подвижных станций в границах одной соты и различными расстояниями от подвижных станций до общей базовой станции эффект "ближний-дальний". Из-за неидеальности фильтров, выделяющих отдельные каналы, может возникнуть следующая ситуация: боковые лепестки спектра сигнала из канала, используемого подвижной станцией, расположенной вблизи базовой станции, попадают в полосу пропускания фильтра, выделяющего соседний канал с близкой несущей частотой, используемой удаленной подвижной станцией. Аналогичная ситуация может возникнуть и при передаче в обратном направлении (от базовой станции к подвижной).
К примеру, если передающая подвижная станция находится от базовой станции на удалении, в 40 раз превышающем расстояние от подвижной станции-источника искажений, использующей соседний канал в той же самой соте, то отношение мощности полезного сигнала к мощности помехи, измеренное перед входом приемного фильтра в приемнике базовой станции составит — 64 дБ. Если не принять других мер для выхода из такой неблагоприятной ситуации, то это отношение придется улучшать при помощи приемного фильтра с крутым срезом и как можно большего разделения частот каналов. Пусть полоса пропускания приемного фильтра имеет ширину B Гц и крутизну 24 дБ на октаву. Тогда на краях полосы пропускания фильтра, находящихся на расстоянии B/2 Гц от середины канала, сигнал затухает на 24 дБ. Затухание порядка 64 дБ достигается при разносе частот, превышающем ширину полосы одного канала в 3,18 раза, на практике — в 4 раза. На практике соседние каналы в одной соте разделены полосой в 4*B Гц.

Помимо описанного распределения канальных частот в сотах, максимизирующего частотный разнос каналов в данной соте и учитывающего несущие частоты соседних сот, существуют и другие способы уменьшения влияния межканальных помех:
— сложный синтез передающих и приемных фильтров, которые эффективно ослабляют боковые лепестки — спектра передаваемых и принимаемых сигналов. Это позволяет повысить избирательность приемника
— прецизионное регулирование мощности сигналов, передаваемых базовыми и подвижными станциями по каждому каналу

Первый способ предполагает увеличения стоимости и усложнения приемопередатчика.

Второй способ имеет особое практическое значение. Необходимо обеспечить, чтобы поступающие на базовую станцию сигналы с различных подвижных станций одной соты имели примерно одинаковую допустимо низкую мощность, которая обеспечит требуемую вероятность появления ошибок. Все действующие ССПС применяют контроль мощности подвижных станций. Это наиболее важно для функционирования систем CDMA, в которых регулирование мощности в большой степени определяет фактическую емкость системы.

До сих пор мы обсуждали распределение несущих каналов только с точки зрения минимизации межканальных помех. Если такое распределение производится единожды и в последующем не меняется, то оно называется фиксированным распределением каналов. Напомним, что в традиционной аналоговой сотовой системе канал — это частотный интервал, в центре которого находится несущая частота. В системах TDMA/FDMA распределение каналов представляет собой выделение определенного временного интервала на конкретной несущей частоте. В системах CDMA/FDMA канал — это определенный расширяющий код, используемый на данной частоте.

Фиксированное распределение каналов — простейший метод распределения ресурсов системы. В действительности он может быть менее удобен, чем в простейшем случае гексагональных сот с интенсивностью трафика, равномерно распределенного по всей зоне охвата системы. Сложности возникают из-за необходимости учитывать реальное или ожидаемое распределение трафика и разные размеры сот и секторов. При фиксированном распределении каналов установление нового соединения в данной соте возможно только в том случае, если в ней есть незанятые каналы. В случае временного отсутствия доступных каналов абонент страдает от блокировки 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 оказаться неэффективным решением, приводящим к большой вероятности блокировки в часы наибольшей нагрузки. Существуют более сложные методы распределения каналов, которые учитывают динамическое изменение потребности в каналах.

Метод простого заимствования каналов представляет собой улучшенный вариант основной стратегии фиксированного распределения, к которой добавлено немного динамики. Если все каналы, выделенные соте, заняты, то свободный можно позаимствовать в соседней соте, при условии, что этот канал не интерферирует с уже используемыми. С момента заимствования канала данной сотой, ряду окружающих сот запрещается использовать заимствованный канал во избежание меж- и внутриканальных помех. 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 информирует о них соответствующие базовые станции. Благодаря применению такой стратегии вероятность блокировки уменьшается до определенного порогового уровня, определяемого интенсивностью трафика. Если текущая интенсивность трафика превышает этот уровень, то степень использования каналов начинает уменьшаться, поскольку заимствование одного канала приводит к его блокировке примерно 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 достигается при помощи метода заимствования с упорядочиванием. При этом методе количество каналов, входящих в каждую категорию, динамически меняется в зависимости от объема трафика. Вероятность заимствования присваивается каждому каналу, подлежащему заимствованию. Каналы сортируются в порядке убывания этой вероятности. Значения вероятностей обновляются на основании данных о количестве заимствований каналов.

В методе динамического распределения каналов отсутствуют каналы, постоянно закрепленные за сотами, Каналы выделяются конкретному соединению или последовательно нескольким соединениям. Решение о выделении 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 минимизации стоимостной функции. Эта функция зависит от вероятности блокировки, частоты использования потенциально выделяемого канала, расстояния до соты, в текущий момент использующей тот же самый канал, и т.д. В процессе выделения канала центр коммутации также учитывает измерения 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 обслуживания трафика средней интенсивности. Центр коммутации управляет остальными каналами, которые могут быть выделены соте, испытывающей нехватку постоянных каналов для обслуживания высокого текущего трафика. В стратегии гибкого распределения каналов с планированием выделение дополнительных каналов планируется заранее с учетом времени суток и расположения соты, Распределение каналов изменяется в заранее установленные моменты, предшествующие критическому возрастанию интенсивности трафика. В стратегии гибкого распределения каналов с прогнозированием интенсивность трафика измеряется в режиме реального времени, и центр коммутации подвижной связи может перераспределять каналы в любой момент времени.

Приведенные методы распределения каналов дают всего лишь общее представление о многообразии способов распределения каналов. Сравнив две основные группы методов — фиксированного и динамического распределения каналов, мы можем утверждать о существовании компромисса между достижимым качеством обслуживания (подразумеваемым здесь в основном как вероятность блокировки соединений), сложностью реализации и эффективностью использования выделенного спектра. Результаты моделирования и анализа свидетельствуют, что при малой интенсивности трафика динамическое распределение каналов дает лучший результат, чем фиксированное. Однако фиксированное распределение 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 невозможно осуществить в случае динамического распределения, которое имеет статистический характер, обусловленный статистической природой звонков и запросов на выделение канала.

Особенности построении цифровых ССПС

Цифровые ССПС позволяют применять при организации сотовых сетей новые более эффективные модели повторного использования частот, чем в аналоговых сетях. В результате без увеличения общей полосы частот системы связи, значительно возрастает число каналов на соту. В первую очередь сказанное относится к стандарту GSM. Вид модуляции, способы кодирования и формирования сигналов в каналах связи, принятое в GSM, обеспечивают прием сигналов с отношением сигнал /помеха 9 дБ, в то время как в аналоговых системах показатель равен 17 — 18 дБ. Поэтому передатчики базовых станций (BTS), работающие на совпадающих частотах могут размещаться в более близко расположенных сотах без потери качеств приема. Первыми моделями повторного использования частот, которые применялись в аналоговых ССПС, были модели с круговыми диаграммами направленности (DH) антенн базовых станций. В сетях цифровых ССПС для сот с круговой DH антенн, применяют модель повторного использования частот, включающую 7 или 9 сот. Модель повторного использования частот для 7 сот приведена на рисунке справа.

В этой модели предполагается применение антенн с круговой DH, что соответствует излучению сигнала BTS во все направления одинаковой мощности. В свою очередь для абонентских станций, это эквивалентно приему помех со всех направлений. Для снижения помех по совпадающим частотным каналам используют секторные антенны. В секторе направленной антенны сигнал излучается в одну сторону, а уровень излучения в противоположном направлении сокращается до минимума. Секторизация сот позволяет чаще повторять частоты в сотах при одновременном снижении уровня помех. Общеизвестная модель повторного использования частот в секторизированных сотах включает три соты и три BTS. При этом используется три 120-градусные антенны на BTS с формированием девяти групп частот.

Самую высокую эффективность использования полосы частот, то есть наибольшее число абонентов сети в выделенной полосе, обеспечивает разработанная фирмой Motorola (США) модель повторного использования частот, включающая две BTS. Согласно схеме распределения каналов, каждая частота используется дважды в пределах модели, состоящей из четырех BTS. Благодаря этому каждая из четырех BTS в пределах действия шести 60-градусных антенн может работать на 12-ти группах частот.

Например, в сети GSM с общей полосой 7,2 МГц (36 частот), модель повторного использования частот с двумя BTS позволяет на одной BTS одновременно работать на 18 частотах (в модели с тремя BTS таких частот 12). Емкость сети возрастает на 50%, однако для обеспечения прежнего значения вероятность блокировки канала связи необходимо снижение этого показателя до 40%.
Существующая структура сот и схемы повторного использования частот разрабатывались при условии, что местоположение подвижного абонента заранее и непредсказуемо. В настоящее время развивается новое направление в подвижной связи, основанное на использование интеллектуальных антенных систем, автоматически перестраивающих свои диаграммы направленности на источник излучения сигнала по командам сигнальных процессоров.
В настоящее время развивается два способа построения интеллектуальных антенных систем, основанных на коммутировании лучей и адаптации диаграммы направленности. Оба способа основаны на увеличение коэффициента усиления антенны в направлении на абонентскую станцию, причем только адаптивные антенны обеспечивают максимальный коэффициент усиления и минимальный уровень канальных помех.
Интеллектуальная антенная система состоит из нескольких антенн, объединенных электронной схемой с фазовыми и амплитудными анализаторами. В результате анализа принимаемых сигналов, поступающие на различные элементы антенны, вычисляется направление оптимального приема. Сигнальный процессор в реальном масштабе времени формирует суммарную диаграмму направленности антенны на источник излучения с учетом частоты принимаемого сигнала и некоторых других параметров.
Практическая реализация интеллектуальных антенн систем представляется весьма перспективной для сотовой связи независимо от стандарта GSM, DECT и т.д. Их применение на практике не будет требовать уменьшать размеры сот при возрастании нагрузки. Увеличение емкости сети сотовой связи может в этом случае обеспечиваться внедрением новых аппаратных средств и соответствующего программного обеспечения. Одним из таких способов является переход к микросотовой структуре сетей.
Принятие цифровых стандартов (GSM, DECT и т.д.) позволяет перейти от макросотовой к микросотовой структуре сетей. При радиусе несколько сотен метров их емкость может быть увеличена в 5—10 раз по сравнению с макросотами. Кроме того, возможно применение абонентских радиостанций существующих стандартов цифровых ССПС наряду с портативными радиостанциями, служащими основой для создания систем персональной связи (PCS).
Микросотовая структура ССПС органически сочетается с макросотами. Микросоты строятся на основе BTS небольшой мощности, обслуживающих участки улиц, помещения в зданиях (магазины, аэропорты, вокзалы и т.д.). Микросотовая структура может рассматриваться как развитие оборудования макросотовой базовой станции, с управлением единым контролером и с взаимным соединением при помощи линий со скоростью 64 кбит/с. Микросоты берут на себя нагрузку от медленно перемещающихся абонентов, например, пешеходов и неподвижных автомобилей.
Принципы построения создаваемых микросотовых сетей подвижной связи отличается от существующих для макросотовых сетей. Отличия относятся к отсутствию частотного планирования и "Эстафетная передача" (handover), в обычном понимании.
Частотное планирование в микросотах практически невозможно применять, так как трудно спрогнозировать условия распространения радиоволн и дать оценку уровня сотовых помех. Кроме того, эффективность использования спектра частот, при фиксированном распределение каналов, низка. Поэтому в микросотовых сетях связи используется автоматическое адаптивное распределение каналов (АРК) связи. Такое распределение, например, реализовано в Европейском стандарте DECT на цифровые системы беспроводных телефонов общего пользования. Одним из важных достоинств АРК является увеличение емкости сети связи, т.к. в этом случае отсутствуют потери эффективности использования соединительных линий, а возможность повторного задействования канала зависит от среднего уровня помех, а не от максимального.
С уменьшением размеров сот, в микросотовых сетях в процессе обычного телефонного соединения число переключений между BTS возрастает, и для обеспечения непрерывности связи необходимо новые быстродействующие алгоритмы переключения (handover). Цифровые ССПС применяют алгоритмы принудительного переключения, являющиеся классом распределенных алгоритмов, работающих значительно быстрее, чем централизованные алгоритмы аналоговых ССПС. В микросотовой структуре измерение уровня радиоканала, необходимый для переключений, осуществляет мобильная станция, которая передает результаты измерений на BTS. Центр коммутации мобильной связи не задействуется до тех пор, пока не будет выполнено фактическое переключение. Микросотовая структура сети впервые была реализована в системах беспроводных телефонов (Cordless telephones) общего пользования (стандарт PHS). В настоящее время она используется при реализации сетей в рамках концепции персональной связи (PCN), создаваемые в Европе на основе стандартов DCS-1800, предусматривающим соответствие радиоинтерфейса стандарта GSM. При реализации персональной связи в структуру сетей вводятся пикосоты с радиусом 10—60 м, предназначенные для обслуживания абонентов в городских районах с большой плотностью населения и в закрытых зонах (офисы, жилые помещения, подземные гаражи и т.д.). Пикосота, это еще один значительный вклад в повышении емкости ССПС.

Методы множественного доступа

Понятие множественного доступа связано с организацией совместного использования ограниченного участка спектра многими пользователями. В системах сотовой связи существует три варианта множественного доступа: с частотным, с временным и с кодовым разделением каналов.

Множественный доступ с частотным разделением FDMA
В методе FDMA каждому пользователю на время сеанса связи выделяется своя полоса частот Д/(частотный канал). Метод FDMA используется во всех аналоговых системах сотовой связи, при этом полоса частот А/составляет 10—30 кГц. Основной недостаток метода FDMA — недостаточно эффективное использование полосы частот. Эффективность заметно повышается при переходе к более совершенному методу TDMA, что позволяет соответственно повысить емкость системы сотовой связи.

Множественный доступ с временным разделением ТDМА
В методе TDMA каждый частотный канал разделяется во времени между несколькими пользователями, т.е. по очереди предоставляется нескольким пользователям на определенные промежутки времени.
Практическая реализация метода TDMA требует преобразования сигналов в цифровую форму и «сжатия» информации во времени. Цифровая обработка сигналов и схема TDMA используются в стандартах D-AMPS, GSM. В стандарте D-AMPS: при сохранении той же полосы частотного канала Д/= 30 кГц, что и в аналоговом стандарте AMPS, число ФК возрастает втрое и более чем втрое возрастает емкость системы
Однако метод TDMA не реализует всех возможностей по эффективности использования спектра; дополнительные резервы открываются при использовании иерархических структур и адаптивного распределения каналов. Преимущество в этом отношении имеет метод CDMA.

Множественный доступ с кодовым разделением CDMA
В методе СDМА большая группа пользователей (например, от 30 до 50), одновременно использует общую относительно широкую полосу частот (не менее 1 МГц). Каналы трафика при таком способе разделения среды создаются присвоением каждому пользователю отдельного кода, который распространяется по всей ширине полосы. В данном случае не существует временного разделения, и все абоненты постоянно используют всю ширину канала. Вещание абонентов накладывается друг на друга, но поскольку их коды отличаются, они могут быть легко дифференцированы. Как и ТDМА, метод СDМА может быть реализован только в цифровой форме.
Основные принципы метода — расширение спектра за счет модуляции ПСП в сочетании с кодовым разделением физических каналов — определяют и общие достоинства метода СDМА: высокую помехоустойчивость, хорошую приспособленность к условиям многолучевого распространения, высокую емкость системы.
В CDMA регулировка уровней сигналов, применение секторных антенн на БС и использование принципа «речевой активности» (станция излучает лишь тогда, когда абонент говорит, и не излучает в паузах речи), оперативное изменение числа задействованных каналов связи в пределах имеющегося ресурса позволяет практически реализовать предельно малое допустимое отношение сигнал/помеха, т.е. получить предельно большие пропускную способность и емкость системы. Это технические особенности CDMA обеспечивают высокие характеристики метода. С другой стороны, их реализация достаточно сложна.
В методе нет частотного планирования, во всех сотах используется одна и та же полоса частот. Если, в терминах разработки Qualcomm, под СDМА отведена полоса более широкая, чем минимально необходимые 1,23 МГц, то каждый из поддиапазонов в 1,23 МГц используется во всех сотах с однотипной организацией работы во всех поддиапазонах. При этом в качестве коэффициента эффективности повторного использования частот указывается величина порядка 2/3, т.е. вследствие помех от других сот число используемых в каждой ячейке каналов снижается в 1,5 раза по сравнению с одной изолированной ячейкой (эти коэффициенты аналогичны соответственно 1/7 и 7 в 7-ячеечном кластере методов FDMA и ТDМА).В методе CDMA реализуется «мягкая передача обслуживания». Когда ПС приближается к границе соты, т.е. сигналы от двух БС (рабочей соты и одной из смежных) становятся соизмеримыми по уровню, по команде с ЦК через БС смежной соты организуется второй канал связи с той же ПС; при этом первый канал (в «старой» ячейке) продолжает работать, т.е. ПС принимает сигналы одновременно от двух БС, используя технические возможности рейк-приемника. Так продолжается до тех пор, пока ПС не удалится от границы сот, т.е. пока сигнал от второй БС не станет существенно сильнее сигнала от первой. После этого канал связи через первую БС закрывается, и процесс передачи обслуживания завершается.
Метод CDMA требует точной синхронизации БС системы. Это может быть реализовано, например, при помощи спутниковой геодезической системы GPS, но в результате ССС оказывается не автономной.
В методе CDMA нет защитных интервалов (бланков), как в методе TDMA, а большое число знаков в используемых кодовых последовательностях облегчает сохранение конфиденциальности передаваемой информации. Высокая помехоустойчивость CDMA и распределение энергии по широкой полосе частот допускают совместную с CDMA работу некоторого числа узкополосных каналов связи в пределах той же широкой полосы при относительно небольшом уровне взаимных помех.
Метод CDMA обладает сравнительно высокой помехоустойчивостью и хорошо работает в условиях многолучевого распространения. Кроме того, он отличается высокой скрытностью, не использует частотного планирования, допускает «мягкую передачу обслуживания», но все это требует обязательного использования достаточно сложных технических решений: аккуратной регулировки уровня сигналов, применения секторных антенн и отработки «речевой активности», точной синхронизации БС, причем последнее может быть связано с потерей автономности системы.
В качестве оценки емкости системы, в терминах эквивалентного числа физических каналов на ячейку, иногда приводят коэффициент увеличения порядка 20 в сравнении с методом FDMA стандарта AMPS. Если учесть, что переход от FDMA к TDMA увеличивает число физических каналов в три раза, а при полускоростном кодировании в шесть раз, получается, что переход от TDMA к CDMA может обеспечить примерно трехкратное увеличение числа каналов.
Однако фактически возможно более сильное влияние помех в CDMA, чем принималось в расчетах, а также в некоторых ситуациях может возникнуть необходимость более плотного расположения БС. Эти факторы ведут к снижению емкости системы. Кроме того, метод TDMA имеет дополнительные возможности: скачки по частоте (предусмотренные, в частности, стандартом GSM), которые, в сочетании с прерывистым излучением (отработкой «речевой активности») и оперативной регулировкой мощности излучения, смягчают влияние релеевских замираний и снижают средний уровень помех, т.е. позволяют реализовать большие значения коэффициента повторного использования частот. К той же цели ведет и использование адаптивного распределения каналов, в том числе в сотовых сетях иерархической структуры; в отношении построения последних TDMA имеет преимущества по сравнению с CDMA. В результате методы CDMA и TDMA оказываются примерно сопоставимыми по обеспечиваемой ими емкости.

Многолучевое распространение

Многолучевое распространение

Используемые в системах сотовой связи дециметровые радиоволны слабо огибают препятствия, т.е. рас-пространяются в основном по прямой, но испытывают многочисленные отражения от окружающих объектов и подстилающей поверхности. Одним из следствий такого многолучевого распространения является более быстрое, чем в свободном пространстве, убывание интенсивности принимаемого сигнала с расстоянием. Другое следствие — замирания и искажения результирующего сигнала.

На рисунке справа представлена зависимость напряженности поля от расстояния между БС и ПС. По мере удаления ПС от БС напряженность поля убывает, и данная зависимость не является плавной. Кроме того, если изменить частоту или скорость движения ПС, зависимость значительно изменится, но характер ее останется прежним. Изменение среднего значения напряженности поля в зависимости от расстояния ПС от БС называют затуханием, а всплески — замираниями.

В общем виде затухание, при отсутствии помех, может быть выражено в следующем виде


где:
Рпр — мощность сигнала, принимаемого ПС;
Рпер — мощность сигнала, передаваемого БС;
d — расстояние от БС до ПС;
λ — частота сигнала;
с — скорость света.

Как видно из приведенной зависимости, величина затухания пропорциональна квадрату частоты сигнала и квадрату расстояния ПС от БС. Учитывая это, во избежание потерь информации необходимо иметь. требуемую чувствительность приемных устройств в каждый момент времени, а также своевременно осуществлять переключение ПС из зоны действия одной БС в зону действия другой БС.

Картина многолучевого распространения схематически изображена на рисунке справа. Фактически область существенных отражений ограничивается обычно сравнительно небольшим участком в окрестности ПС — порядка нескольких сотен длин волн, т.е. нескольких десятков или сотен метров. При движении ПС эта область перемещается вместе с ней таким образом, что ПС все время остается вблизи центра области.При сложении нескольких сигналов, прошедших по разным путям и имеющих в точке приема в общем случае различные фазы, результирующий сигнал может быть как выше среднего уровня, так и заметно ниже, причем замирания сигнала, образующиеся при взаимной компенсации сигналов вследствие неблагоприятного сочетания их фаз и амплитуд, могут быть достаточно глубокими. Искажения результирующего сигнала (или межсимвольная интерференция) имеет место в том случае, когда более или менее синфазные составляющие сигналы с соизмеримыми амплитудами настолько отличаются по разности хода, что символы одного сигнала накладываются на соседние символы другого.

Колебания уровня (замирания) принимаемого сигнала имеют две составляющие — быструю и медленную.

Быстрые замирания, являющиеся прямым следствием многолучевого распространения, описываются релеевским законом распределения, и потому иногда называются релеев-скими замираниями. Замирания из-за многолучевости обусловлены сигналами, отраженными от внешних объектов. В результате этого приемник ПС принимает несколько однотипных сигналов, но сдвинутых по фазе, что приводит к ослаблению основного сигнала. При этом возможен случай, когда основной сигнал и отраженный равны по мощности, но находятся в противофазе, и это приведет к тому, что результирующий сигнал будет равен нулю, т. е. произойдет прерывание связи.

Диапазон изменений уровня сигнала при быстрых замираниях может достигать 40 дБ, из которых примерно 10 дБ — превышение над средним уровнем и 30 дБ — провалы ниже среднего уровня, причем более глубокие провалы встречаются реже, чем менее глубокие.

При неподвижном абонентском аппарате интенсивность принимаемого сигнала не меняется. При перемещении ПС периодичность флуктуации в пространстве составляет около полуволны, т.е. порядка 10—15 см в линейной мере. Период флуктуации во времени зависит от скорости перемещения ПС: например, при скорости 50 км/ч период флуктуации составляет около 10 мс, а при 100 км/ч — около 5 мс. Частота замираний глубиной 30—10 дБ при скорости порядка 50 км/ч составляет 5—50 провалов в секунду соответственно, а средняя длительность замираний ниже уровня 30—10 дБ при той же скорости — порядка 0,2—2 мс.

Медленные замирания обусловлены эффектом тени, который вызывается препятствиями (здания, горы и т. д.), нарушающими прямую радиовидимость между БС и ПС. Медленные замирания подчиняются логарифмически нормальному закону распределения. Интенсивность медленных флуктуации не превышает 5-10 дБ, а их периодичность соответствует перемещению ПС на десятки метров. Фактически медленные замирания представляют собой изменение среднего уровня сигнала при перемещении ПС, на которые накладываются быстрые замирания вследствие многолучевого распространения.

Основное неудобство в сотовой связи доставляют быстрые замирания, поскольку они бывают достаточно глубокими, и при этом отношение сигнал/шум падает настолько сильно, что полезная информация может существенно искажаться шумами, вплоть до полной ее потери. Для борьбы с быстрыми замираниями используются два основных метода: разнесенный прием, т.е. одновременное использование двух или более приемных антенн; работа с расширением спектра: использование скачков по частоте, а также метода CDMA.

Межсимвольная интерференция может иметь место при значительных разностях хода между различными лучами в условиях многолучевого распространения. Практически разности хода в городских условиях могут достигать единиц микросекунд.

В методе CDMA, при использовании широкополосных сигналов и рейк-приемников, наиболее сильные сигналы выравниваются по задержке и после этого складываются, так что проблема межсимвольной интерференции в значительной мере снимается. В относительно узкополосных ССС, использующих метод TDMA, для борьбы с межсимвольными искажениями применяются эквалайзеры — адаптивные фильтры, устанавливаемые в приемном тракте ЦОС, которые позволяют компенсировать межсимвольные искажения. Для борьбы с последствиями многолучевого распространения, а именно для устранения ошибок, обусловленных как замираниями сигналов, так и межсимвольной интерференцией, используется помехоустойчивое канальное кодирование: блочное и сверточное кодирование, а также перемежение.

Разнесенный прием

Идея разнесенного приема (РП) заключается в совместном использовании нескольких сигналов, различающихся (разнесенных) по какому-либо параметру или координате, причем разнесение должно выбираться таким образом, чтобы вероятность одновременных замираний всех используемых сигналов была много меньше, чем какого-либо одного из них. Т.е. эффективность разнесенного приема тем выше, чем менее коррелированы замирания в составляющих сигналах.

Возможны пять вариантов РП: с разнесением во времени, при этом используются сигналы, сдвинутые во времени один относительно другого; метод легко реализуем лишь в цифровой форме, и улучшение качества приема происходит за счет пропускной способности канала связи; с разнесением по частоте, при этом используются сигналы, передаваемые на нескольких частотах, т.е. происходит расширение используемой полосы частот; с разнесением по углу, или по направлению, при этом прием производится на несколько антенн с рассогласованными (не полностью перекрывающимися) диаграммами направленности; в этом случае сигналы с выходов разных антенн коррелированы тем слабее, чем меньше перекрытие диаграмм направленности, но одновременно падает и эффективность приема (интенсивность принимаемого сигнала), по крайней мере для всех антенн, кроме одной; с разнесением по поляризации, когда, например, две антенны принимают сигналы двух взаимно ортогональных поляризаций; практического значения этот вариант не имеет, поскольку в диапазоне СВЧ замирания на разных поляризациях сильно коррелированы; с разносом в пространстве, т.е. с приемом сигналов на несколько пространственно разнесенных антенн; это единственный метод, находящий практическое применение. Для метода РП необходимы как минимум две приемные антенны, установленные с не-которым смещением одна относительно другой. Выигрыш от РП тем больше, чем больше число используемых антенн, однако при этом возрастает и сложность технического решения. Практическое применение находит система с двумя приемными антеннами, и в основном в БС. В ПС широкого распространения РП не получил.

Важными характеристиками системы РП являются расстояние между антеннами и способ совместного использования сигналов с выходов двух антенн. С ростом расстояния между антеннами корреляция между флуктуациями уровня принимаемых ими сигналов падает, т.е. чем больше разнос антенн, тем выше эффективность РП. Но при этом возрастает и сложность технической реализации, так что практически разнос берется минимально возможным, при котором РП уже достаточно эффективен. Реально разнос обычно составляет около десятка длин волн, т.е. порядка нескольких метров.

При объединении сигналов с выходов двух антенн возможно как использование одного (более сильного) из двух сигналов, так и суммирование обоих сигналов — додетекторное (когерентное) или последетекторное — с равными весами или со взвешиванием, обеспечивающим получение максимума отношения сигнал/шум. В случае двух приемных антенн различие в эффективности этих способов относительно невелико, и на практике обычно применяется наиболее простой из них — выбор максимального из двух сигналов с коммутацией выхода соответствующего приемника на вход тракта последующей обработки.

Скачки по частоте

Идея метода скачков по частоте состоит в том, что несущая частота для каждого ФК периодически изменяется, т.е. каждый ФК периодически переводится на новый частотный канал. Поскольку релеевские замирания являются частотно-селективными, то, если при работе на некоторой частоте имело место замирание, при изменении рабочей частоты на 100—300 кГц замирания с большой вероятностью не будет. Следовательно, при достаточно частых изменениях частоты существенно снижается вероятность длительных замираний, и соответственно в сочетании с перемежением снижается вероятность групповых ошибок, а с одиночными ошибками можно успешно бороться при помощи помехоустойчивого канального кодирования.

Различают медленные и быстрые скачки по частоте. При медленных скачках период изменения частоты много больше длительности символа передаваемого сообщения, а при быстрых скачках — много меньше длительности символа.

Изменение частоты в пределах доступного диапазона может быть как регулярным (циклическим), так и нерегулярным (псевдослучайным), причем в последнем случае может быть выбран любой из имеющихся в наборе вариантов псевдослучайности. Режим работы со скачками по частоте не является обязательным и назначается по команде с центра коммутации.

В практике сотовой связи применение скачков по частоте предусмотрено стандартом GSM — используются медленные скачки с переключением частоты в каждом очередном кадре. Если учесть, что в кадре каждому ФК соответствует один слот, то для любого из ФК такая частота скачков эквивалентна смене частотных каналов с частотой слотов. Принцип использования медленных скачков по частоте в стандарте GSM изображен на рисунке справа.

Принцип формирования медленных скачков по частоте состоит в том, что сообщение, передаваемое в выделенном абоненту временном интервале TDMA-кадра 0,577 мс, в каждом последующем кадре передается (принимается) на новой фиксированной частоте. В соответствии со структурой кадров время для перестройки частоты составляет около 1 мс.

В процессе скачков по частоте постоянно сохраняется разнос 45 МГц между каналами приема и передачи. Всем активным абонентам, находящимся в одной соте, ставятся в соответствие непересекающиеся последовательности переключения частот, что исключает взаимные помехи при приеме сообщений абонентами. Параметры последовательности переключения частот (частотно-временная матрица и начальная частота) назначаются для каждой ПС в процессе установления канала связи.

Процесс обслуживания вызовов

Алгоритмы функционирования систем сотовой связи

Алгоритмы функционирования различных стандартов систем сотовой связи в основном схожи.

Когда радиотелефон находится в режиме ожидания, его приемное устройство постоянно сканирует либо все каналы системы, либо только управляющие. Для вызова абонента всеми БС сотовой системы связи по каналу управления (КУ) передается сигнал вызова. Мобильный телефон вызываемого абонента при получении этого сигнала отвечает по одному из свободных КУ. БС, принявшие ответный сигнал, передают информацию о его параметрах в ЦК, который переключает разговор на ту БС, где зафиксирован максимальный уровень сигнала радиотелефона вызываемого абонента.

Во время набора номера радиотелефон занимает один из свободных каналов, уровень сигнала БС в котором в данный момент максимален. По мере удаления абонента от БС или в связи с ухудшением условий распространения радиоволн уровень сигнала уменьшается, что ведет к ухудшению качества связи. Улучшение качества разговора достигается путем автоматического переключения абонента на другой канал связи. Специальная процедура, называемая передачей управления вызовом или эстафетной передачей (handover или handoff), позволяет переключить разговор на свободный канал другой БС, в зоне действия которой оказался в это время абонент. Аналогичные действия предпринимаются при снижении качества связи из-за влияния помех или при возникновении неисправностей коммутационного оборудования. Для контроля таких ситуаций БС снабжена специальным приемником, периодически измеряющим уровень сигнала мобильного телефона разговаривающего абонента и сравнивающим его с допустимым пределом. Если уровень сигнала меньше этого предела, то информация об этом автоматически передается в ЦК по служебному каналу связи. ЦК выдает команду об измерении уровня сигнала радиотелефона абонента на ближайшие к нему БС. После получения информации от БС об уровне этого сигнала ЦК переключает радиотелефон на ту из них, где уровень сигнала оказался наибольшим.

Иногда возникает ситуация, когда поток заявок на обслуживание, поступающий от абонентов сотовой сети, превышает количество каналов, имеющихся на всех близко расположенных БС. Это происходит, если все каналы станций заняты обслуживанием абонентов и поступает очередная заявка на обслуживание от МА. В этом случае как временная мера (до освобождения одного из каналов) используется принцип эстафетной передачи внутри соты. При этом происходит поочередное переключение каналов в пределах одной и той же базовой станции для обеспечения связью всех абонентов.

Инициализация и установление связи

Работа ПС в пределах одной соты своей системы (без передачи обслуживания) заключается в следующем. В работе ПС можно выделить четыре этапа, которым соответствуют четыре режима работы: включение и инициализация; режим ожидания; режим установления связи (вызова); режим ведения связи (телефонного разговора).

После включения ПС, т.е. после замыкания цепи питания, производится инициализация — начальный запуск. В течение этого этапа происходит настройка ПС на работу в составе системы — по сигналам, регулярно передаваемым БС по соответствующим КУ, после чего ПС переходит в режим ожидания. Конкретное содержание этапа инициализации зависит от используемого стандарта сотовой связи.

В режиме ожидания, ПС отслеживает: изменения информации системы — эти изменения могут быть связаны как с изменениями режима работы системы, так и с перемещениями самой подвижной станции (например, с переходом ее в другую ячейку); команды системы — например, команду подтвердить свою работоспособность; получение вызова со стороны системы; инициализацию вызова со стороны собственного абонента.

Кроме того, ПС может периодически, например раз в 10—15 минут, подтверждать свою работоспособность, передавая соответствующие сигналы на БС (подтверждение «регистрации» или уточнение местоположения). В ЦК для каждой из включенных ПС фиксируется ячейка, в которой она «зарегистрирована», что облегчает организацию процедуры вызова МА. Если ПС не подтверждает свою работоспособность в течение определенного промежутка времени, ЦК считает ее выключенной, и поступающий на ее номер вызов не передается.

Процедура установления связи заключается в следующем. Если со стороны системы поступает вызов номера МА, ЦК направляет этот вызов на БС той соты, в которой «зарегистрирована» ПС, или на несколько БС в окрестности этой соты — с учетом возможного пeремещения абонента за время, прошедшее с момента последней «регистрации», а БС передают его по соответствующим каналам вызова. ПС, находящаяся в режиме ожидания, полу чает вызов и отвечает на него через свою БС, передавая одновременно данные, необходимые для проведения процедуры аутентификации. При положительном результате аутентифика-ции назначается КТ, и ПС сообщается номер соответствующего частотного канала. ПС настраивается на выделенный канал и совместно с ЕС выполняет необходимые действия по подготовке сеанса связи. На этом этапе ПС настраивается на заданный номер слота в кадре, уточняет задержку во времени, подстраивает уровень излучаемой мощности и т.п. Выбор временной задержки производится с целью временного согласования слотов в кадре (на прием в БС) при организации связи с ПС, находящимися на разных дальностях от БС. При этом временная задержка передаваемой ПС пачки регулируется по командам БС.

Затем БС выдает сообщение о подаче сигнала вызова (звонка), которое подтверждается ПС, и вызывающий абонент получает возможность услышать сигнал вызова. Когда вызываемый абонент отвечает на вызов («снимает трубку»), ПС выдает запрос на завершение соединения. С завершением соединения начинается собственно сеанс связи — абоненты ведут разговор.

В процессе разговора ПС производит обработку передаваемых и принимаемых сигналов речи, а также передаваемых одновременно с речью сигналов управления. По окончании разговора происходит обмен служебными сообщениями между ПС и БС (запрос или команда на отключение с подтверждением), после чего передатчик ПС выключается и станция переходит в режим ожидания.

Если вызов инициируется со стороны ПС, т.е. абонент набирает номер вызываемого абонента, убеждается в правильности набора по отображению на дисплее и нажимает соответствующую кнопку («вызов») на панели управления, то ПС передает через свою БС сообщение с указанием вызываемого номера и данными для аутентификации МА. После аутентификации БС назначает КТ, и последующие шаги по подготовке сеанса связи производятся таким же образом, как и при поступлении вызова со стороны системы.

Если МА разговаривает с другим МА, то процедура установления связи и проведения сеанса связи происходит практически таким же образом. Если при этом оба МА относятся к одной и той же сотовой системе, то связь между ними устанавливается через ЦК системы без выхода в стационарную телефонную сеть.

Аутентификация и идентификация

Процедуры аутентификации и идентификации выполняются при каждом установлении связи. Аутентификация — процедура подтверждения подлинности (действительности, законности, наличия прав на пользование услугами сотовой связи) абонента системы сотовой связи. Идентификация — процедура отождествления ПС, т.е. процедура установления принадлежности к одной из групп, обладающих определенными признаками. Эта процедура используется для выявления утерянных, украденных или неисправных аппаратов.

В аналоговых системах сотовой связи первого поколения процедура аутентификации имела простейший вид: ПС передавала свой уникальный идентификатор (электронный серийный номер — Electronic Serial Number, ESN), и если он отыскивался среди зарегистрированных в домашнем регистре, то процедура аутентификации считалась успешно выполненной. Такой способ аутентификации оставлял большие возможности для фрода, поэтому со временем и в аналоговых системах, и в сотовых системах связи второго поколения с использованием дополнительных возможностей цифровых методов передачи информации процедура аутентификации была значительно усовершенствована.

Идея процедуры аутентификации в цифровой системе сотовой связи заключается в шифровании некоторых паролей-идентификаторов с использованием квазислучайных чисел, периодически передаваемых на ПС с ЦК, и индивидуального для каждой ПС алгоритма шифрования. Такое шифрование, с использованием одних и тех же исходных данных и алгоритмов, производится как на ПС, так и в ЦК (или в центре аутентификации), и аутентификация считается закончившейся успешно, если оба результата совпадают.

Передача обслуживания (хэнд-овер)

Базовая станция, находящаяся примерно в центре соты, обслуживает все ПС в пределах своей соты. При перемещении ПС из одной соты в другую, ее обслуживание соответственно передается от БС первой соты к БС второй. Этот процесс называется передачей обслуживания — ПО (эстафетной передачей). Процедура передачи обслуживания имеет место только в том случае, когда ПС пересекает границу сот во время сеанса связи и связь при этом не прерывается. Если ПС перемещается из одной соты в другую, находясь в режиме ожидания, она просто отслеживает эти перемещения по информации системы, передаваемой по КУ, и в нужный момент перестраивается на более сильный сигнал другой БС.
Технически процедура ПО осуществляется следующим образом. Необходимость в ПО возникает, когда качество канала связи, оцениваемое по уровню сигнала и/или частоте битовой ошибки, падает ниже допустимого предела.

В стандарте GSM указанные параметры постоянно измеряются ПС как для своей соты, так и для ряда смежных (до 16 сот), и результаты измерений передаются на БС.

В стандарте D-AMPS подвижная станция измеряет эти характеристики только для рабочей соты, но при ухудшении качества связи она сообщает об этом через БС на ЦК, и по команде последнего аналогичные измерения выполняются ПС в соседних сотах. По результатам этих измерений ЦК выбирает ячейку, в которую должно быть передано обслуживание.

Организация ПО основывается на измерениях, выполняемых на ПС во временных слотах, свободных от передачи и приема информации. Кроме того, могут использоваться и результаты измерений, выполняемых на БС. В этом заключается отличие от процедуры ПО в аналоговых системах сотовой связи, где аналогичные измерения выполнялись только на БС.
Обязательным условием ПО из одной соты в другую является более высокое качество канала связи во второй ячейке по сравнению с первой. Иначе говоря, обслуживание передается из соты с худшим качеством канала связи в ячейку с лучшим качеством, причем указанное различие должно быть не менее некоторой наперед заданной величины. Если не требовать выполнения этого условия, а передавать обслуживание, например, уже при одинаковом качестве канала связи в двух сотах, то в некоторых случаях (в частности, при перемещении ПС примерно вдоль границы сот) возможна многократная ПО из первой соты во вторую и обратно, приводящая к значительной загрузке системы и снижению качества связи.
Приняв решение о ПО и выбрав новую ячейку, ЦК сообщает об этом БС новой соты, а ПС через БС старой соты выдает необходимые команды с указанием нового частотного канала, номера рабочего слота и т.п. ПС перестраивается на новый канал и настраивается на совместную работу с новой БС, выполняя примерно те же шаги, что и при подготовке сеанса связи, после чего связь продолжается через БС новой соты. При этом перерыв в телефонном разговоре не превышает долей секунды и остается незаметным для абонента.

Роуминг

Роуминг — это функция, или процедура предоставления услуг сотовой связи абоненту одного оператора в системе другого оператора. При перемещении абонента в другую сеть ее ЦК запрашивает информацию в первоначальной сети и при наличии подтверждения полномочий абонента регистрирует его. Данные о местоположении абонента постоянно обновляются в ЦК первоначальной сети, и все поступающие туда вызовы автоматически переадресовываются в ту сеть, где в данный момент находится абонент. Для организации роуминга системы сотовой связи должны быть одного стандарта, а ЦК подвижной святи этого стандарта должны быть соединены специальными каналами связи для обмена данными о местонахождении абонента. Для обеспечения роуминга необходимо выполнение трех условий: наличие в требуемых регионах системы сотовой связи, совместимой со стандартом компании, у которой был приобретен радиотелефон; наличие соответствующих организационных и экономических соглашений о роуминговом обслуживании абонентов; наличие каналов связи между системами, обеспечивающих передачу звуковой и другой информации для роуминговых абонентов.

Различают три вида роуминга: автоматический; полуавтоматический, когда абоненту для пользования данной услугой в каком-либо регионе необходимо предварительно поставить об этом в известность своего оператора; ручной, т.е. обмен одного радиотелефона на другой, подключенный к системе сотовой связи другого оператора.

При автоматическом роуминге упрощенная схема организации роуминга заключается в следующем. Абонент сотовой сети, оказавшийся на территории «чужой» системы, допускающей реализацию роуминга, инициирует вызов обычным образом, как если бы он находился на территории «своей» системы.

ЦК, убедившись, что в его домашнем регистре (ДР) этот абонент не значится, воспринимает его как роумера и заносит в гостевой регистр (ГР). Одновременно (или с некоторой задержкой) он запрашивает в ДР «родной» системы роумера относящиеся к нему сведения, необходимые для организации обслуживания (оговоренные виды услуг, пароли, шифры), и сообщает, в какой системе роумер находится в настоящее время; последняя информация фиксируется в ДР «родной» системы роумера. После этого роумер пользуется сотовой связью, как дома: исходящие от него вызовы обслуживаются обычным образом, с той только разницей, что относящиеся к нему сведения фиксируются не в ДР, а в ГР; поступающие на его номер вызовы переадресуются «домашней» системой на ту систему, где роумер гостит. По возвращении роумера домой в ДР «родной» системы стирается адрес той системы, где роумер находился, а в ГР той системы, в свою очередь, стираются сведения о роумере.

Заметное развитие роуминг получил в аналоговых стандартах AMPS и NMT, но появление цифровых стандартов потребовало пересмотра многих из использовавшихся там решений. Решение задачи роуминга в цифровом стандарте D-AMPS опирается на отдельный стандарт IS-41, определяющий межсистемные операции.

В стандарте GSM процедура роуминга заложена как обязательный элемент. Кроме того, в стандарте GSM имеется возможность роуминга с SIM-картами с перестановкой SIM-карт между аппаратами различных вариантов стандарта GSM (GSM-900, GSM-1800 и GSM-1900), поскольку во всех трех вариантах стандарта GSM используются унифицированные SIM-карты. Процедура роуминга в стандарте GSM становится еще более удобной с появлением двухрежимных, а в дальнейшем — и трехрежимных абонентских терминалов (GSM-900 / GSM-1800 / GSM-1900).

Сигнализация в сотовых сетях

Сигнализация в сетях GSM

В сетях GSM для обмена информацией в процессе обслуживания вызовов между элементами сети, а также для взаимодействия с другими сетями электросвязи приняты две основные системы сигнализации: ОКС №7 МККТТ (SS №7) и LAP-D. Использование этих двух систем сигнализации обусловлено тем, что для организации межстанционной сигнализации электронных АТС стационарных ТфОП уже значительное время используется система сигнализации ОКС №7, и она также принята для обеспечения сигнализации в цифровых сетях ISDN. Кроме того, в сети GSM необходимо осуществлять сигнализацию в конфигурации «точка-многоточие». А протокол LAP-D специально создан для этих целей, и он широко используется в сети ISDN. Таким образом, использование этих систем сигнализации делает GSM совместимой с ТфОП и ISDN.

Система сигнализации ОКС №7 ориентирована на цифровую телефонную сеть. В качестве ФК передачи используется цифровой канал со скоростью передачи 64 кбит/с. Передача сигнальных сообщений производится в виде сигнальных единиц, которые следуют из пункта передачи (пункта сигнализации — Signaling Point) в пункт приема, и может происходить через один или несколько транзитных пунктов сигнализации STP.
Система ОКС №7 разработана с учетом ее согласования с эталонной моделью взаимодействия открытых систем (ВОС). Функционально модель ОКС также имеет уровневую структуру, но уровни модели ОКС №7 не идентичны уровням эталонной модели ВОС.

Услуги в сотовых сетях

Службы сотовой связи

Помимо обычной двухсторонней радиотелефонной связи с МА сотовой сети и абонентами стационарной телефонной сети (включая междугородную и международную телефонную связь) системы сотовой связи могут предложить абонентам ряд услуг, в том числе передачу факсимильных сообщений и компьютерных данных, переадресацию вызова и автодозвон, автоматическую регистрацию продолжительности телефонных разговоров, голосовую почту и др.

Стандарт GSM содержит два класса служб: основные службы (службы передачи — bearer services) и телеслужбы (teleservices).

Службы передачи предоставляют следующие услуги:

• асинхронный обмен данными с коммутируемыми ТфОП со скоростями 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600 бит/с;
• синхронный обмен данными с коммутируемыми ТфОП, коммутируемыми СПД общего пользования и ISDN со скоростями 1200, 2400, 4800, 9600 бит/с;
• асинхронный пакетный обмен данными с СПД общего пользования с ПК (доступ через ассемблер/дисассемблер) со скоростями 300-9600 бит/с;
• синхронный пакетный обмен данными с СПД общего пользования с ПК со скоростями 2400-9600 бит/с.

Функции передачи могут быть прозрачными и непрозрачными. В первых защита от ошибок обеспечивается только за счет текущей коррекции ошибок (коррекции ошибок на проходе — forward error correction). Во вторых предусматривается дополнительная защита в виде автоматического перезапроса (ARQ).

Телеслужбы предоставляют следующие услуги:

• передача информации речи и тональной сигнализации в полосе речи;
• передача коротких сообщений (буквенно-цифровые сообщения — до 160 символов в сторону подвижного абонента);
• доступ к системе обработки сообщений (например, передача сообщения от СПР на ПС сотовой связи);
• передача факсимильных сообщений.

Для передачи и приема факсимильных сообщений и компьютерных данных, кроме мобильного абонентского аппарата, требуется использование мобильного факсимильного аппарата или переносного компьютера с соответствующими блоками сопряжения.

Услуга передачи и приема коротких сообщений (SMS) заключается в следующем. Короткое сообщение (обычно до 80—160 символов) может быть получено во время ведения разговора, в режиме ожидания или при выключенном абонентском аппарате. В последнем случае сообщение записывается в память вычислительных средств ЦК, и абонент извещается о получении сообщения сразу же после включения аппарата. Сообщение может быть прочитано сразу после получения или позднее; прочитанное сообщение может быть стерто или сохранено в памяти аппарата для повторного прочтения. Для чтения сообщение отображается на дисплее аппарата. Если нужно передать короткое сообщение, текст его набирается при помощи клавиш аппарата и отображается на дисплее. Затем сообщение либо отправляется по указанному отправителем номеру телефона, либо сохраняется в памяти для отправки в другое время. Таким образом, фактически обеспечивается совмещение сотового телефона с пейджером. Существует вариант этой услуги, как передача коротких сообщений в режиме вещания, т.е. передача одновременно группе абонентов.

Также стандартизирован широкий спектр дополнительных услуг, таких как переадресация вызова, ожидание вызова, удержание вызова, конференцсвязь и др. Дополнительные функции могут предоставляться только одновременно с основными.

Служба передачи ориентирована только на транспортировку информации между соответствующими стыками пользователь-сеть и задача совместимости протоколов связи оконечных устройств (терминальной аппаратуры) возлагается на пользователей этих устройств. Телеслужбы ориентированы на непосредственное соединение пользователь-пользователь и включают функцию связи оконечных устройств.

Дополнительные услуги сотовой связи

К дополнительным услугам можно отнести следующие:

• Услуга переадресации вызова (call forwarding) позволяет абоненту направить вызов, поступающий на номер его телефона, на другой номер, заранее определенный самим абонентом. Переадресация может быть безусловной, когда переадресуются все поступающие вызовы, или условной, если номер абонента занят или абонент не отвечает («не снимает трубку») в течение определенного промежутка времени, или если абонент недоступен (его аппарат выключен или находится вне зоны действия сети). Рассматриваемая услуга, как и большая часть описываемых ниже, реализуется ЦК. Входящий вызов может быть переадресован на любой номер телефона, например на домашний стационарный телефон абонента, или на «почтовый ящик» голосовой почты.
• Услуга удержания вызова (call hold) позволяет абоненту прервать текущий разговор, не разрывая линию связи. В паузе абонент может принять вновь поступивший (входящий) вызов или позвонить другому абоненту (исходящий вызов), а затем вернуться к прерванному разговору.
• Услуга ожидания вызова (call waiting) позволяет абоненту в ходе разговора по телефону получить сигнал о поступлении еще одного входящего вызова. В таком случае абоненту предоставляется три варианта действий: отказаться от второго вызова; закончить первый разговор, и перейти ко второму; прервать первый разговор, воспользовавшись услугой удержания вызова, ответить на второй вызов, а по его окончании вернуться к прерванному первому. В первом случае вызывающий абонент получает в ответ сигнал «занято», а во втором и третьем его вызов ожидает, пока не получит соединения.
• Услуга конференцсвязи (conference call) позволяет вести разговор по телефону одно временно нескольким (от трех до шести) абонентам. При этом организатор конференцсвязи, т.е. абонент, который «собрал» группу собеседников, имеет возможность временно или окончательно отключить от общего разговора любого из участников, или закончить сеанс конференцсвязи в целом.
• Услуга запрета (или ограничения) определенных категорий вызовов (call barring) позволяет абоненту исключить, например, все входящие вызовы, или все исходящие вызовы, или все исходящие международные вызовы. При этом для установки или снятия запрета используется индивидуальный пароль абонента, исключающий возможность несанкционированного управления запретом со стороны посторонних лиц.
• Услуга закрытой группы пользователей (closed user group) позволяет организовать корпоративную связь между членами определенной группы абонентов, причем члены закрытой группы могут общаться между собой без ограничений, а возможность общения с «внешним миром» по входящей и/или исходящей связи предоставляется лишь отдельным членам группы.
• Услуга автоматического определения вызывающего номера, а также запрета определения номера; запрет накладывается со стороны вызывающего абонента и имеет более высокий приоритет, чем определение номера. Возможность автоматического определения номера в сочетании с возможностью сохранения номера в памяти абонентского аппарата позволяет абоненту спустя некоторое время узнать, с каких номеров он получал вызовы, в том числе какие из них остались без ответа.
• Услуга голосовой почты позволяет оставить на персональном автоответчике абонента голосовое сообщение, если абонент не может принять его в момент передачи, например если абонентский аппарат выключен или находится вне зоны действия сети или если абонент не отвечает. Адресат получает извещение о поступившем сообщении и прослушивает его в удобное для себя время. Полученное сообщение абонент может стереть или сохранить, чтобы иметь возможность прослушать его еще раз. Абоненту предоставляется возможность записать индивидуальное приветствие, которое звучит при подключении вызывающего абонента к персональному автоответчику.
• Оперативная информация о стоимости оказываемых или оказанных услуг («совет об оплате»).
• Предоставление открытой линии связи «сеть/пользователь» для реализации функций, определяемых оператором и др.

Очень важна и удобна услуга роуминга, позволяющая пользоваться сотовой связью не только в «своей» сети, но и в других сетях, технически совместимых с «домашней», при наличии соответствующих роуминговых соглашений.

В любой конкретной сети могут быть реализованы не все перечисленные услуги — это зависит от стандарта и варианта используемого аппаратурно-программного комплекса, равно как в некоторых сетях могут быть услуги, не попавшие в приведенный выше перечень.
Пакетная коммутация в сетях подвижной связи

Внедрение пакетной коммутации в сотовых сетях

В современные телекоммуникационные системы быстрыми темпами внедряются сетевые технологии предоставления абонентам новых услуг по высококачественной ПД. Быстро развиваются методы передачи информации с коммутацией пакетов PS (Packet Switching) и использованием протоколов TCP/IP.
Операторы сотовых сетей, имеющие оборудование с коммутацией каналов CS, вынуждены внедрять новые PS-технологии, чтобы удовлетворить возросшие потребности МА в услугах.
Главное требование потребителя — мобильность или возможность установления соединения по CS-сетям при любых перемещениях в зоне покрытия — теперь дополняется требованием высокоскоростной пакетной передачи/приема данных с IP-адресацией. Это позволяет получить, во-первых, услуги от Интернет-провайдеров ISP, а во-вторых, возможность удаленного доступа к локальным сетям — Интранет по каналам Интернет.
Действующее оборудование сотовых сетей на основе CS дает возможность абонентам получать доступ в Интернет, но зачастую не удовлетворяет их запросам на эту услугу ввиду следующих обстоятельств. Во-первых, скорость передачи данных для МА в сетях GSM ограничена величиной 9,6 кбит/с и достигает максимума 14,4 кбит/с. В перспективе она может достигнуть 48 и даже 64 кбит/с. Однако этого недостаточно: уже сейчас требуются скорости передачи порядка 100—200 кбит/с и даже сверхскорости — 1—2 Мбит/с. Во-вторых, для передачи или приема данных нужен постоянно выделенный канал в сетях CS, который может использоваться лишь одним абонентом, что является неэффективным.

В качестве решения операторам сотовых сетей GSM предлагается дополнить существующие сети GSM новым оборудованием, работающим по технологии GPRS. GPRS — это технология, позволяющая работать в режиме PS и требующая установки нового сетевого оборудования и ПО. Обслуживание МА, пользующихся только телефонными услугами сети GSM, происходит по-прежнему независимо от наличия сети GPRS. Стандарт GPRS определяет, как должна быть построена новая дополнительная PS-сеть передачи данных с IP-адресацией и как она взаимодействует с существующими элементами старой CS-сети.
Введение в эксплуатацию системы GPRS позволит операторам оказывать дополнительные услуги абонентам по подключению к ISP (поставщикам услуг Интернет); обеспечить доступ МА через сети TCP/IP к ЛВС, а также работать по сетям PDN.
Технология GPRS, базирующаяся на принципах ТОМА, позволяет MА работать в многослотовом режиме по радиоинтерфейсу, т.е. занимать несколько временных интервалов -слотов TS (time slot) на одной несущей в рамках одного TDMA-кадра (в перспективе до восьми TS). Это приводит к увеличению скорости передачи в число раз, соответствующее количеству задействованных слотов. Кроме того, один и тот же ФК радиоинтерфейса или группу ФК (до восьми) могут одновременно использовать до 32 разных абонентов. Здесь под «одновременной» понимается работа абонентов в режиме передачи/приема информации по очереди, с соответствующей задержкой ожидания, на одних и тех же частотах, в одних и тех же временных интервалах. Этот принцип позволяет существенно экономить канальный ресурс сотовой сети и обслуживать большее число МА.
Введение технологии GPRS качественно изменяет статус мобильного абонента, который теперь может работать одновременно в двух режимах — телефонного разговора и передачи/приема данных.

Система GSM-GPRS

SMS-GMSC — шлюзовой MSC к службе SMS
MSC — центр коммутации подвижной связи SMSC (центр передачи коротких сообщений)
HLR — регистр положения MS (мобильная станция)
VLR — регистр перемещения ТЕ (терминальное оборудование)
EIR — регистр идентификации оборудования МТ (мобильный терминал)
SGSN — узел по обеспечению услуг GPRS PDN (сети пакетной передачи)
GGSN — шлюзовой узел SGSN PLMN (сеть подвижной связи общего пользования)
SMS — служба передачи коротких сообщений