Принципы построения систем сотовой связи

Принципы построения систем сотовой связи.1. Функциональная схема и ее элементы.1.1 Функциональная схема.Система сотовой связи строится в виде совокупности ячеек, или сот, покрывающихобслуживаемую территорию, например территорию города с пригородами. Ячейки обычносхематически изображают в виде равновеликих правильных шестиугольников (Рис.1.1), чтопо сходству с пчелиными сотами и послужило поводом назвать систему сотовой. Ячеечная,или сотовая, структура системы непосредственно связана с принципом повторного использования частот - основным принципом сотовой системы, определяющим эффективноеиспользование выделенного частотного диапазона и высокую емкость системы. В центрекаждой ячейки находится базовая станция, обслуживающая все подвижные станции(абонентские радиотелефонные аппараты) в пределах своей ячейки (Рис.1.2).

При перемещении абонента из одной ячейки в другую происходит передача его обслуживания отодной базовой станции к другой. Все базовые станции системы, в свою очередь,замыкаются на центр коммутации, с которого имеется выход во Взаимоувязанную сеть связи (ВСС) России, в частности, если дело происходит в городе, — выход в обычнуюгородскую сеть проводной телефонной связи. На рис.1.3 приведена функциональная схема,соответствующая описанной структуре системы.Рис.1.1.

Ячейки системы, покрывающие обслуживаемую территориюРис.1.2. Ячейка с базовой станцией в центре, обслуживающая подвижные станции в ячейке1Рис.1.3. Упрощенная функциональная схема системы сотовой связиПрежде всего, в действительности ячейки никогда не бывают строгой геометрическойформы. Реальные границы ячеек имеют вид неправильных кривых, зависящих от условийраспространения и затухания радиоволн, т.е.

от рельефа местности, характера и плотностирастительности и застройки и тому подобных факторов. Более того, границы ячеек вообщене являются четко определенными, так как рубеж передачи обслуживания подвижнойстанции из одной ячейки в соседнюю может в некоторых пределах смещаться сизменением условий распространения радиоволн и в зависимости от направлениядвижения подвижной станции. Точно так же и положение базовой станции лишьприближенно совпадает с центром ячейки, который к тому же не так просто определитьоднозначно, если ячейка имеет неправильную форму. Если же на базовых станцияхиспользуются направленные (не изотропные в горизонтальной плоскости) антенны, тобазовые станции фактически оказываются на границах ячеек.1.2 Подвижная станция.Рассмотрение элементов системы сотовой связи начнем с подвижной станции наиболее простого по функциональному назначению и устройству, к тому жеединственного элемента системы, который не только реально доступен пользователю, но инаходится у него в руках в буквальном смысле этого слова.Рис.1.4.

Блок-схема подвижной станции (абонентского радиотелефонного аппарата)2Наиболее прост по составу антенный блок: он включает собственно антенну икоммутатор прием-передача. Последний для цифровой станции может представлять собойэлектронный коммутатор, подключающий антенну либо на выход передатчика, либо навход приемника, поскольку подвижная станция цифровой системы никогда не работает наприем и передачу одновременно.Функционально несложен и блок управления.

Он включает микротелефонную трубку микрофон и динамик, клавиатуру и дисплей.Приемопередающий блок значительно сложнее.В состав передатчика входят:- аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - преобразует в цифровую форму сигнал свыхода микрофона и вся последующая обработка и передача сигнала речи производится вцифровой форме, вплоть до обратного цифро-аналогового преобразования;- кодер речи осуществляет кодирование сигнала речи - преобразование сигнала,имеющего цифровую форму, по определенным законам с целью сокращения егоизбыточности, т.е. с целью сокращения объема информации, передаваемой по каналусвязи;- кодер канала - добавляет в цифровой сигнал, получаемый с выхода кодера речи,дополнительную (избыточную) информацию, предназначенную для защиты от ошибок припередаче сигнала по линии связи; с той же целью информация подвергается определеннойпереупаковке (перемежению); кроме того, кодер канала вводит в состав передаваемогосигнала информацию управления, поступающую от логического блока;- модулятор - осуществляет перенос информации кодированного видеосигнала нанесущую частоту.Приемник по составу в основном соответствует передатчику, но с обратнымифункциями входящих в него блоков:- демодулятор выделяет из модулированного радиосигнала кодированныйвидеосигнал, несущий информацию;- декодер канала выделяет из входного потока управляющую информацию инаправляет ее на логический блок; принятая информация проверяется на наличие ошибок,и выявленные ошибки по возможности исправляются; до последующей обработкипринятая 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 цифровомвиде;- цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует принятый сигнал речи ваналоговую форму и подает его на вход динамика;- эквалайзер служит для частичной компенсации искажений сигнала вследствиемноголучевого распространения; по существу, он является адаптивным фильтром,настраиваемым по обучающей последовательности символов, входящей в составпередаваемой информации; блок эквалайзера не является, вообще говоря, функциональнонеобходимым и в некоторых случаях может отсутствовать.Помимо собственно передатчика и приемника, в приемопередающий блок входятлогический блок и синтезатор частот.

Логический блок — это, по сути, микрокомпьютер со3своей оперативной и постоянной памятью, осуществляющий управление работой подвижной станции. 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 различныеучастки спектра (так называемое дуплексное разделение по частоте).Подвижная станция системы GSM включает также так называемый детектор речевойактивности, который в интересах экономного расходования энергии источника питания(уменьшения средней мощности излучения), а также снижения уровня помех, неизбежносоздаваемых для других станций при работающем передатчике, включает работупередатчика на излучение только на те интервалы времени, когда абонент говорит. Навремя паузы в работе передатчика в приемный тракт дополнительно вводится такназываемый комфортный шум.1.3 Базовая станция.Многие элементы, входящие в состав базовой станции, по функциональномуназначению не отличаются от аналогичных элементов подвижной станции, но в целомбазовая станция существенно больше и сложнее подвижной, что соответствует ее месту всистеме сотовой связи.Блок-схема базовой станции приведена на рис.1.5.

Первая особенность базовойстанции, которую следует отметить, - это использование разнесенного приема, для чегостанция должна иметь две приемные антенны (на схеме рис.1.5 эта особенность неотражена). Кроме того, базовая станция может иметь раздельные антенны на передачу ина прием (схема рис.1.5 соответствует этому случаю). Вторая особенность — наличиенескольких приемников и такого же числа передатчиков, позволяющих вестиодновременную работу на нескольких каналах с различными частотами.Рис.

1.5. Блок-схема базовой станции4Одноименные приемники и передатчики имеют общие перестраиваемые опорныегенераторы (не показанные на рис.1.5), обеспечивающие их согласованную перестройкупри переходе с одного канала на другой; конкретное число N приемопередатчиков зависитот конструкции и комплектации базовой станции. Для обеспечения одновременной работыN приемников на одну приемную и N передатчиков на одну передающую антенну междуприемной антенной и приемниками устанавливается делитель мощности на N выходов, амежду передатчиками и передающей антенной —сумматор мощности на N входов.Приемник и передатчик имеют, в общем, ту же структуру, что и в подвижной станции(рис.

1.4), за исключением того, что здесь в них отсутствуют соответственно ЦАП и АЦП,поскольку и входной сигнал передатчика, и выходной сигнал приемника имеют цифровуюформу. Возможны варианты, когда кодеки — либо только кодек речи, либо и кодек речи, иканальный кодек — конструктивно реализуются в составе центра коммутации, а не всоставе приемопередатчиков базовой станции, хотя функционально они остаютсяэлементами приемопередатчиков.Блок сопряжения с линией связи осуществляет упаковку информации, передаваемойпо линии связи на центр коммутации, и распаковку принимаемой от него информации.

Вкачестве линии связи базовой станции с центром коммутации обычно используетсярадиорелейная или волоконно-оптическая линия, если базовая станция и центркоммутации не располагаются территориально в одном месте.Контроллер базовой станции, представляющий собой достаточно мощный исовершенный компьютер, обеспечивает управление работой станции, а также контрольработоспособности всех входящих в нее блоков и узлов.Для обеспечения достаточной степени надежности многие блоки и узлы базовойстанции резервируются (дублируются), в состав станции включаются автономныеисточники бесперебойного питания (аккумуляторы). Поскольку аппаратура базовойстанции потребляет значительную мощность, и соответственно выделяет заметноеколичество тепла, в ней предусматриваются специальные устройства охлаждения.

Все этиэлементы, как и ряд других, не являющихся в известном смысле существенными дляпояснения принципов работы станции, на схеме рис.1.5 не показаны.1.4 Центр коммутации.Центр коммутации является мозговым центром и одновременно диспетчерскимпунктом системы сотовой связи, на который замыкаются потоки информации со всехбазовых станций и через который осуществляется выход на другие сети связи —стационарную телефонную сеть, сети междугородной связи, спутниковой связи, другиесотовые сети.

В состав центра коммутации входит несколько процессоров (контроллеров),и он является типичным примером многопроцессорной системы.Блок-схема центра коммутации представлена на рис.1.6. Собственно коммутаторосуществляет переключение потоков информации между соответствующими линиямисвязи. Он может, в частности, направить поток информации от одной базовой станции кдругой, или от базовой станции к стационарной сети связи, или наоборот — отстационарной сети связи к нужной базовой станции.5Рис.1.6.

Блок-схема центра коммутацииКоммутатор подключается к линиям связи через соответствующие контроллеры связи,осуществляющие промежуточную обработку (упаковку/распаковку, буферное хранение)потоков информации. Общее управление работой центра коммутации и системы в целомпроизводится от центрального контроллера, который имеет мощное математическоеобеспечение, включающее перепрограммируемую часть. Работа центра коммутациипредполагает активное участие операторов, поэтому в состав центра входятсоответствующие терминалы, а также средства отображения и регистрации(документирования) информации.