108989 (Сотовые сети связи)

Сотовые сети связи.

Введение

В настоящее время во многих капиталистических станах, а также в ряде развивающихся стран ведется интенсивное внедрение сотовых сетей связи (ССС) общего пользования. Такие сети предназначены для обеспечения подвижных и стационарных объектов телефонной связью и передачей данных. В ССС подвижными объектами являются либо наземные транспортные средства, либо непосредственно человек, находящийся в движении и имеющий портативную абонентскую станцию (подвижный абонент). Возможность передачи данных подвижному абоненту резко расширяет его возможности, поскольку кроме телефонных сообщений он может принимать телексные и факсимильные сообщения, различного рода графическую информацию (планы местности, графики движения и т.п.), медицинскую информацию и многое другое. Особое значение ССС приобретают в связи с активным внедрением во все сферы человеческой деятельности персональных компьютеров, разнообразных баз данных, сетей ЭВМ. Доступ к ним через ССС позволит подвижному абоненту оперативно и надежно получить необходимую информацию. Соответственно возрастет и роль систем связи, повысятся требования к качеству передачи информации, пропускной способности, надежности работы.

Увеличение объема информации потребует сокращения времени доставки и получения абонентом необходимой информации. Именно поэтому уже сейчас наблюдается устойчивый рост мобильных средств радиосвязи (автомобильных и портативных радиотелефонов), которые дают возможность сотруднику той или иной службы вне рабочего места оперативно решать производственные вопросы. Радиотелефон перестал быть символом престижа и стал рабочим инструментом, который позволяет более эффективно использовать рабочее время, оперативно управлять производством и постоянно контролировать ход технологических процессов, что обеспечивает дополнительные доходы при использовании радиотелефона в производстве.

Внедрение ССС во многие отрасли народного хозяйства позволит резко повысить производительность труда на подвижных объектах, добиться экономии материально-трудовых ресурсов, обеспечить автоматизированный контроль технологических процессов, создать надежную систему управления транспортными средствами или мобильными роботами, распределенными на большой территории и входящими в состав гибких автоматизированных систем управления.

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

ведомственные (или частные) системы подвижной связи (ВСПС);

сотовые системы подвижной связи (ССПС);

системы персонального радиовызова (СПРВ).

Исторически впервые в эксплуатации появились ВСПС, так как в условиях ограничений на использование радиосвязи возможность ее применения для связи с подвижными абонентами предоставлялась государственным, ведомственным или крупным частным организациям (полиция, пожарная охрана, такси и т. п.). Для вызова подвижного абонента (внутри ограниченной зоны обслуживания) стали использоваться СПРВ. Появившиеся совсем недавно ССПС являются принципиально новым видом систем связи, так как они построены в соответствии с сотовым принципом распределения частот по территории обслуживания (территориально-частотное планирование) и предназначены для обеспечения радиосвязью большого числа подвижных абонентов с выходом на телефонную сеть общего пользования (ТФОП). Если ВСПС создавались (и создаются) в интересах узкого круга абонентов, то ССПС за рубежом стали использоваться в интересах широких кругов населения.

Свое название ССС получили в соответствии с сотовым принципом организации связи, согласно которому зона обслуживания (территория города или региона) делится на большое число малых рабочих зон или сот в виде шестиугольников. В центре каждой рабочей зоны расположена базовая станция (БС), осуществляющая связь по радиоканалам с многими абонентскими станциями (АС), установленными на подвижных объектах, находящихся в ее рабочей зоне. Базовые станции соединены проводными телефонными линиями связи с центральной станцией (ЦС) данного региона, которая обеспечивает соединение подвижных абонентов с любыми абонентами телефонной сети общего пользования (ТФОП) с помощью коммутационных устройств. При перемещении подвижного абонента из одной зоны в другую производится автоматическое переключение канала радиосвязи на новую базовую станцию, тем самым осуществляется эстафетная передача подвижного абонента от передающей к последующей (соседней) базовой станции. Управление и контроль за работой базовых и абонентских станций осуществляется ЦС, в памяти ЭВМ которой сосредоточены как статические, так и динамические данные о подвижных объектах и состоянии сети в целом.

В отличие от централизованных в сотовых сетях подвижной связи радиосвязь базовой станции с абонентской станцией осуществляется в пределах малой рабочей зоны, что позволяет многократно использовать одни и те же частоты в зоне обслуживания. Число абонентов в ССС определяется пропускной способностью и числом БС, равным числу рабочих зон, которое возрастает по квадратическому закону с уменьшением радиуса рабочей зоны R при постоянном радиусе зоны обслуживания R0. Если десять лет назад радиус рабочей зоны в ССС был равен 5-15 км, то в настоящее время он равен 200 м. Так уменьшение радиуса рабочей зоны с 30 до 0,5 км позволит увеличить в 3600 раз число подвижных абонентов, оснащенных радиосвязью и имеющих возможность выхода на ТФОП. Следовательно, эффективность использования спектра радиочастот в ССС во много раз выше, чем в централизованных системах подвижной связи, что позволит в перспективе обеспечить управление большим числом наземных подвижных объектов.

С уменьшением радиуса рабочей зоны появляется возможность уменьшить мощность передатчиков и чувствительность приемников, что значительно улучшит электромагнитную совместимость (ЭМС) абонентов в ССС и ЭМС между ССС и другими системами, использующими определенные спектры радиочастот, а также позволит снизить стоимость и габаритные размеры абонентской станции, обеспечить доступ к базам данных и ЭВМ.

Отмеченные преимущества позволяют уже в настоящее время повысить оперативность управления и контроля в работе подведомственных предприятий и организаций, улучшить качество технологических процессов в системах с большим числом транспортных средств.

Стремительный рост объемов передаваемой информации требует значительного сокращения времени доставки и обработки абонентом необходимой информации. Это одна из причин быстрого роста мобильных средств связи на базе ССС.

Внедрение ССС означает появление принципиально нового вида связи - массовой радиотелесвязи, т.е. нового вида услуг. Уже сейчас абонентский терминал ССС - сотовый радиотелефон (СРТ) признается многими зарубежными экспертами первичным терминалом, которым абонент пользуется как в стационарном состоянии (дома, на службе), так и в движении. Широкое внедрение портативных СРТ в перспективе позволит обеспечить каждого человека персональным телефоном со своим индивидуальным номером.

Создание систем массовой радиотелесвязи с большим числом подвижных абонентов, большой пропускной способностью и высоким качеством приема сообщений возможно только при использовании сотового принципа построения системы связи. Этим и объясняется повышенный интерес к ССПС.

Действующие в настоящее время зарубежные ССС по сравнению с централизованными сетями имеют следующие преимущества:

- большое число абонентов;

- высокое качество передачи телефонных сообщений и данных;

- возможность связи с ЭВМ и базами данных;

- высокая эффективность использования спектра радиочастот и лучшая электромагнитная совместимость с другими радиотехническими системами.

Использование ССС широким кругом потребителей в отраслях транспорта, связи, энергетики, строительства, сферы обслуживания, ремонта и др. приносит существенный экономический эффект. По оценкам экспертов США ежегодные доходы от внедрения и эксплуатации ССС в США достигают 2 млрд. дол.

Зарубежные эксперты отмечают возможность создания ССС без значительных начальных капитальных затрат. Сначала ССС создаются с крупными рабочими зонами (радиус зон порядка 10 км) и относительно небольшим числом абонентов. По мере поступления доходов и роста числа заявок на СРТ размеры зон уменьшаются и увеличивается число абонентов. При этом постоянно наращивается объем типового оборудования базовых станций, АТС и центральной станции за счет доходов от использования ССС действующими абонентами. Поэтому первоначальные капитальные затраты могут быть значительно меньше полных затрат, приходящихся на максимальное число абонентов.

Раздел I. Общие сведения о системах радиосвязи с

подвижными объектами (ПО).

1.1. Классификация.

По назначению системы связи с ПО могут быть разделены на: - ведомственные (специализированные) радиотелефонные системы; - радиотелефонные системы общего пользования.

Созданные первыми, ведомственные системы применяются в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте и в строительстве, такси, скорой помощи, а также в различных аварийных службах. Эти системы предназначены для оперативного управления процессами производственной деятельности. Различают диспетчерские радиотелефонные системы, используемые для связи руководителя работ с абонентами ПО, а также для связи абонентов между собой и с радиосистемами передачи данных. Последние находят применение в автоматизированных системах управления производством, технологическими процессами и в таких системах, в которых от подвижного абонента (ПА) или к нему необходимо передавать с высокой скоростью большой объем информации.

Однако в силу разобщенности ведомственных сетей, неэффективного использования ими спектра частот, ограниченности количества обслуживаемых подвижных абонентов, сложности унификации аппаратуры связи и управления, а также ряда других причин применение ведомственных систем носит ограниченный характер.

Однако ведомственные системы радиосвязи с подвижными объектами несмотря на отмеченные недостатки могут просуществовать еще длительное время, что объясняется их практичностью и ориентацией на те условия и специфику работ, для которых они создавались и отрабатывались. Таким образом, становится актуальной задача преобразования и модификации этих систем в целях их объединения в единую сеть подвижной радиосвязи согласно концепции построения сети радиосвязи с подвижными объектами общего пользования.

Одним из вариантов решения такой задачи может быть способ организации единого автоматизированного управления ведомственными и другими локальными системами радиоподвижной связи, объединяемыми в сеть радиосвязи с подвижными объектами общего пользования.

Радиотелефонные системы общего пользования в настоящее время составляют основной вид связи с ПО. Они позволяют наиболее полно и эффективно использовать выделенный частотный спектр и, объединяя своих потребителей в одну группу, дают им возможность общего доступа к системе связи независимо от ведомственной принадлежности (по принципу городской телефонной сети). Указанное преимущество систем обеспечивает широкий комплекс услуг: автоматическое соединение абонентов между собой и с абонентами городской телефонной сети, а также других городов и государств с использованием междугородных и международных линий, передачу речи и данных, а в ближайшем будущем телексных и факсимильных сообщений, цветных графических изображений, информации из банков данных и т.п.

Радиотелефонные системы общего пользования делятся на два вида:

- системы с большими зонами обслуживания (БЗО - радиальные системы);

- системы с малыми зонами обслуживания (МЗО - сотовые системы связи).

Системы с большой зоной обслуживания основаны на использовании одной центральной радиостанции, обслуживающей зону большого радиуса (от 50 до 100 км). Мощность передатчика этой станции выбирается в зависимости от заданной напряженности поля на границах обслуживаемой территории и заключена в пределах от 100 до 250 Вт, а антенна располагается в наиболее высокой точке зоны обслуживания. Широкому внедрению таких систем препятствует ряд присущих им недостатков, прежде всего невозможность существенного увеличения количества обслуживаемых абонентов. Также, для систем БЗО необходимо:

- исключать влияние мощных передатчиков на приемники центральных станций, так как на центральных станциях (УКВ-диапазон) они используются совместно;

- исключать влияние мощных передатчиков центральных станций соседних зон на работу центральной станции данной зоны;

- контролировать качество связи внутри каждой зоны для подвижных абонентов, находящихся на различных удалениях от центральной станции данной зоны;

- тщательно планировать частотную обстановку в выделенном диапазоне;

- обеспечивать равнодоступность каналов связи со стороны подвижных объектов.

Тем более, увеличение числа каналов на ограниченной территории обслуживания вызывает необходимость соответствующего увеличения числа центральных станций (ЦС), работающих с достаточно большой мощностью. Это обстоятельство при наличии круговой диаграммы направленности антенны ЦС приводит к возможности возникновения взаимных помех для большинства радиостанций ПА, находящихся в зоне обслуживания. Кроме того, значительному увеличению числа каналов препятствует ограниченность выделяемого спектра радиочастот и невозможность повторного использования каналов в близлежащих районах из-за большой мощности передатчика.