Особенности и классификация систем подвижной радиосвязи (СПРС)

СПРС предназначены для связи между движущимся абонентом и абонентом ТФОП или между двумя движущимися абонентами.

Принципы организации СПРС:

- полносвязная система;

- «принцип звезды».

i j i ТФОП

ЦС

k l j

i – l j – k k

i – ЦС – j i – ЦС - k

Полносвязная система Принцип звезды

По способу использования каналов связи различают системы:

- с жестко закрепленными за группой абонентов каналами;

- с полнодоступным пучком каналов.

a d a g

b e b h

c f c i

d … j

g j e k

h k f l

i l

Жесткое закрепление Пучок каналов – транкинговый принцип

При одинаковых условиях (Р_отк=10%, t_{зан.канала}=2,5 мин/час) в первом случае обслуживается 60 – 70 абонентов, во втором – 420 абонентов, однако, необходимо определять метод доступа.

Транкинговый принцип положен в основу всех коммерческих систем радиосвязи.

Наиболее распространенным средством подвижной связи являются радиально-зоновые (транкинговые) системы и сотовые системы.

Транкинговая система представляет собой типичную «звезду».

Сотовая система имеет структуру:

БС – базовая станция; ЦКПС – центр коммутации подвижной связи; ТФОП – телефонная сеть общего пользования.

Транкинговые системы.

Достоинством транкинговых систем является простота управления сетью. Развитие получили в 60 – 70 гг.

Отечественная транкинговая система – «Алтай» – была введена в 1965 году. Ее модификация существует и сейчас («Алтай 3М»). Есть также более новые системы: «Волемот», «Старт».

Недостатком систем является низкая пропускная способность (число абонентов невелико) из-за невозможности повторного использования одних и тех же каналов (частотных) на обслуживаемой территории (50 км при дополнительном усилении).

Сотовые системы (ССПС).

Основным недостатком ССПС является повышенная сложность систем из-за проблемы обслуживания абонента при его переходе из соты в соту – эстафетной передачи (handover, handoff).

Достоинством является много большая пропускная способность за счет возможности повторного использования одних и тех же каналов (частот) в различных сотах (потенциальный выигрыш: при Р_блок=5%, t_{зан.канала}=1,5мин/час для обслуживания 10000 абонентов на территории Москвы в транкинговой системе необходимо иметь 250 каналов (Df_к=25кГц, F=2 х 6,25 МГц), а в сотовой системе при 25 ячейках необходимо иметь всего 10 каналов). В реальности, чтобы избежать перекрестных помех между сотами их объединяют в кластеры – группы ячеек в зоне обслуживания с различными наборами каналов (частот). Широко используется кластер в виде «ромашки»:

Величина D определяется исходя из перекрестных помех между сотами с одинаковым набором частот. При этом оперируют не абсолютным значением D, а соотношением D/R_c, где R_c – радиус соты. Из соотношения находят необходимую мощность передатчика.

Вышеизложенное достоинство явилось причиной того, что для коммерческой подвижной связи используется именно сотовый принцип. Транкинговые системы существуют и развиваются, но, главным образом, применяются для так называемой корпоративной связи.

Важным достоинством ССПС является возможность постепенного развертывания этих систем на обслуживаемой территории во времени и в пространстве, что позволяет использовать доходы, полученные при начале эксплуатации системы для ее развития. Основой этого служит принцип расщепления ячеек:

При пространственном подходе учитывается территориальная загрузка сети (максимальная - в деловом центре, минимальная - в «спальных» районах и пригородах). В зависимости от этого меняется коэффициент расщепления ячеек и R_c.

Еще одним достоинством ССПС является роуминг – автоматический поиск и обслуживание абонентских станций (АС), пришедших с других территорий (других ЦКПС).

Стандарты сотовой связи.

Стандарт – совокупность услуг, предоставляемых ССПС и эксплуатационно-технических характеристик аппаратуры ССПС.

В настоящее время в мире существует 9 стандартов ССПС 1-го поколения и 4 – 2-го поколения.

К 1-му поколению относятся аналоговые стандарты, где основная услуга – передача речи, причем в аналоговой форме при ЧМ и частотном разделении каналов. Стандарты 1-го поколения разрабатывались независимо в разных странах и предназначались для использования каждой страной своего стандарта. Основные стандарты 1-го поколения: NMT-450 (Скандинавские страны) и AMPS (США).

Стандарты 2-го поколения – цифровые, то есть речь передается в цифровом виде, кроме того могут передаваться данные с невысокой скоростью (до 9600 бит/сек), используют временное разделение каналов, ФМ и ее варианты, предусмотрен режим роуминга. Стандарты: GSM-900 (Паневропейский) (GSM-1800) с разделением каналов TDMA-FDMA; D-AMPS (Америка) (DCS-180, IS-54, IS-136) с разделением каналов TDMA-FDMA; IS-95 (Америка, Южная Корея, Китай, Гонконг) с разделением каналов CDMA; японский стандарт.

В России в 90 – 91 гг. GSM-900 был признан федеральным стандартом, однако, из-за дороговизны и отсутствия частотного диапазона разрешено бы-ло использовать NMT-450. В качестве регионального был разрешен AMPS.

3-е поколение (ближайшее будущее) будет являться цифровыми стандартами персональной подвижной радиосвязи, что подразумевает все-объемлющий охват «где угодно, что угодно, когда угодно». Должны обеспе-чивать возможность высокоскоростной передачи данных (Multimedia) – 144 кбит/сек для объектов с высокой подвижностью, 2 Мбит/сек для объектов с низкой подвижностью. Стандарты: UMTS (сочетается с наземной структурой ISDN, B-ISDN), FPLMTS (полностью базируется на радиоканалах).

В настоящее время считается, что единого, общего для всех, стандарта 3-го поколения не будет, а будет совокупность различных стандартов, определяющих рекомендуемые направления развития уже существующих наиболее передовых стандартов.

Решать задачу создания ССПС 3-го поколения целесообразно, использую принцип конвергенции стандартов (взаимопроникновения) – совместимости по цепям управления.

Структура стандарта 3-го поколения:

пС

мкаС мкС

- радиосвязи;

- могут быть как радиосвязями, так и использовать наземную структуру;

- используется наземная структура.

ИСЗ – искусственный спутник Земли;

- абонентская станция;

пС - пикосота, D=60…100 м, связь с малоподвижными абонентами внутри здания, большая скорость передачи данных абоненту;

мкС - микросота, D=100…1000 м, связь с медленно перемещающимся абонентом;

мкаС - макросота, D<5…6 км, связь с движущимся абонентом, эстафетная передача;

ГС - гиперсота, D=1,5…2,0 тыс. км, связь с удаленным абонентом, подвижным или неподвижным.

Для такой системы необходима полоса частот не менее 230 МГц, поэтому для системы 3-го поколения на всемирной основе были выделены следующие полосы частот: 1885 – 2025 МГц, 2110 – 2200 МГц, включая полосы 1980 – 2010 МГц и 2170 – 2200 Мгц для спутниковой составляющей системы.

Пейджинговые системы.

Пейджинговые системы – системы индивидуального радиовызова.

Первый вариант – системы, работавшие на одной частоте, использовали код POCSAG со скоростью 1200 бит/сек, передавали 126000 тональных вызовов в час. Принцип построения – сотовый, с синхронным разделением.

На данный момент – стандарт ERMES, 16 частотных каналов по 25кГц.

Перспектива – двухсторонняя связь (обратно – с низкой скоростью, короткие сообщения).

Абонентский радиодоступ WLL (RLL).

Возможность доступа к существующим сетям на другой основе, т.е. на АТС ТФОП ставится базовая станция. Используется сотовый принцип, кодовое разделение.

Подход к проектированию ССПС.

ССПС – информационная сеть, содержащая как радиоканалы, так и проводные каналы, а также звено управления в виде ЦКПС.

Любая сеть считается нормально функционирующей, если возможен обмен информацией между любой парой абонентов этой сети.

Сети различают по их конфигурации:

1. Полносвязная сеть

К=1/2У(У-1), где

К – количество связей,

У – количество узлов.

При этом в полносвязной сети У-2 ребра являются избыточными, поэтому по такой схеме ССПС не строится.

2. Древовидная сеть

Любая пара узлов связана не более чем одним ребром, используется в ССПС.

Специфика работы сети ССПС определяется особенностями радиоканала (равнодоступность, внутрисистемная помеха, внешние помехи).

При характеристике сети в целом вводят понятие матрицы ее показателей качества.

С=½½С_ij½½ - матрица пропускных способностей;

Р₀=½½Р_0ij½½ - матрица ошибок.

При этом за конкретный показатель качества сети в целом принимают наихудшее значение этого показателя для одного из участков.

Сеть характеризуется принципом организации сквозного тракта между ее узлами:

1. Собственно тракт, выделяемый для передачи между узлами сетей на все время активности этих узлов (метод коммутации каналов) – системы 1-го и 2-го поколения.

2. Поэтапная передача сообщений с запоминанием на промежуточных узлах.

1. i j k l

2. i j k l

2.а Метод передачи сообщение целиком (метод коммутации сообщений).

2.б Метод передачи сообщений по частям (метод коммутации потоков) – наиболее перспективный с точки зрения пропускной способности, однако требует более сложного управления сетью.

Пакетная передача позволяет повысить пропускную способность системы за счет использования канала сразунесколькими абонентами (передача сообщений в паузах речи), а также уменьшение среднего времени до получателя при высокой активности абонентов.

Разделение сетей на иерархические уровни.

Любая сеть состоит из многих разнородных звеньев, поэтому для удобства ее проектирования ее разбивают на 7 уровней, границы между которыми устанавливают так, чтобы взаимодействие между уровнями было минимальным.

Правило взаимодействия называется межуровневым интерфейсом, а правило взаимодействия элементов одного уровня – протоколом.

Уровни:

- физический;

- канальный;

- сетевой;

- транспортный;

- сеансовый;

- представительный;

- прикладной.

Первые три уровня практически полностью характеризуют ССПС. Четвертый и пятый отвечают за роуминг и т.п. Последние уровни характеризуют абонентов (представление информации).

Физический уровень.

Задача – обеспечение возможностей передачи сообщения по каналу связи с заданным качеством.

Наиболее важное звено – радиоканал.

Этапы:

1. Разбиение территории на соты.

Здесь важно правильно выбрать значение R₀ и D с учетом требований высокой пропускной способности и ограничений по быстродействию системы управления сетью и по энергетическим возможностям аппаратуры, предназначеной для передачи по радиоканалу.

Оптимальный вариант – поэтапное введение системы с постепенным расщеплением больших сот на малые.

Пример: ССПС с частотным разделением каналов (FDMA).

Каждая сота должна обслуживать l_max абонентов. Для этого требуется F_соты=l_maxF_a. Для всей системы – F=k l_maxF_a, где k – коэффициент повторного использования частот k»1/3(D/R₀)²; общее число абонентов N=l_maxL, где L – число сот на территории обслуживания, L»1,21(R/R₀)²; частотная эффективность сотовой системы g=N/F»3,6(R/R₀)²/(F_a(D/R₀)².

Таким образом g увеличивается в случаях:

а) (D/R₀) уменьшается – уменьшение размера кластера, т.е. увеличение перекрестных помех; снижение Р_с/Р_ш – достигается помехоустойчивым кодированием.

б) F_a уменьшается – использование 4ФМ, использование ММС – модуляции с минимальным сдвигом – концентрация энергии в узком участке спектра + Гауссовское сглаживание.

в) R/R₀ повышается – снижение размеров соты (сейчас R_{0 opt} » 1,6 км) – пока нет.

В реальности приходится учитывать рельеф местности и характер застройки территории, т.к. эти факторы являются причинами зон затемнения или участков с глубокими интерференционными замираниями. Поэтому при энергетическом расчете системы сначала рассчитывают радиус сот для некоторого усредненного рельефа по формулам, соответствующим распространению УКВ радиоволн над шероховатой поверхностью, которые позволяют получить среднестатический результат. Затем для участков с усложненным рельефом производят специальный усложненный расчет (детерминированный расчет). После этого с помощью подвижной измерительной аппаратуры для зон со сложным рельефом определяют реальные границы сот и указывают точки, где должны стоять дополнительные станции.

2. Выбор диапазона рабочих частот

D-AMPS UMTS (IMF 2000)

NMT-450 AMPS, IS-95 GSM GSM, DCS - 1800