Принципы построения систем сотовой связи, страница 4

2.2. Схема процедуры аутентификации (стандарт GSM):R - случайное число; A3 - алгоритм аутентификации; А8 - алгоритм вычисления ключашифрования; Ki - ключ аутентификации, Кс - ключ шифрования; S - зашифрованный отклик(Signed Response - SRES).132.4 Передача обслуживания.Как уже говорилось ранее, базовая станция, находящаяся примерно в центре ячейки,обслуживает все подвижные станции в пределах своей ячейки. При перемещенииподвижной станции из одной ячейки в другую ее обслуживание соответственно передаетсяот базовой станции первой ячейки к базовой станции второй. Этот процесс называетсяпередачей обслуживания.

Процедура передачи обслуживания имеет место только в томслучае, когда подвижная станция пересекает границу ячеек во время сеанса связи, и связь(телефонный разговор) при этом не прерывается. Если же подвижная станцияперемещается из одной ячейки в другою, находясь в режиме ожидания, она простоотслеживает эти перемещения по информации системы, передаваемой по каналамуправления, и в нужный момент перестраивается на более сильный сигнал другой базовойстанции. Технически процедура передачи обслуживания осуществляется следующимобразом Необходимость в передаче обслуживания возникает, когда качество канала связи,оцениваемое по уровню сигнала и/или частоте битовой ошибки, падает ниже допустимогопредела. В стандарте GSM указанные параметры постоянно измеряются подвижнойстанцией как для своей ячейки, так и для ряда смежных (до 16 ячеек), и результатыизмерений передаются на базовую станцию.

В стандарте D-AMPS подвижная станция измеряет эти характеристики только для рабочей ячейки, но при ухудшении качества связиона сообщает об этом через базовую станцию на центр коммутации, и по командепоследнего аналогичные измерения выполняются подвижными станциями в соседнихячейках По результатам этих измерений центр коммутации выбирает ячейку, в которуюдолжно быть передано обслуживание. Обратим внимание, что организация передачиобслуживания основывается на измерениях, выполняемых на подвижных станциях — вовременных слотах, свободных от передачи и приема информации; кроме того, могутиспользоваться и результаты измерений, выполняемых на базовых станциях.Обязательным условием передачи обслуживания из одной ячейки в другую являетсяболее высокое качество канала связи во второй ячейке по сравнению с первой.

Иначеговоря, обслуживание передается из ячейки с худшим качеством канала связи в ячейку случшим качеством, причем указанное различие должно быть не менее некоторой напередзаданной величины. Если не требовать выполнения этого условия, а передаватьобслуживание, например, уже при одинаковом качестве канала связи в двух ячейках, то внекоторых случаях, в частности, при перемещении подвижной станции примерно вдольграницы ячеек, возможна многократная передача обслуживания из первой ячейки вовторую и обратно, приводящая к значительной загрузке системы бессмысленной работой ик снижению качества связи.Приняв решение о передаче обслуживания и выбрав новую ячейку, центр коммутациисообщает об этом базовой станции новой ячейки, а подвижной станции через базовуюстанцию старой ячейки выдает необходимые команды с указанием нового частотногоканала, номера рабочего слота и т.п.

Подвижная станция перестраивается на новый канал инастраивается на совместную работу с новой базовой станцией, выполняя примерно те жешаги, что и при подготовке сеанса связи, после чего связь продолжается через базовуюстанцию новой ячейки.При этом перерыв в телефонном разговоре не превышает долей секунды и остаетсянезаметным для абонента.143. Оптимизация использования частотного диапазона и обработкасигналов.3.1 Полосы частот сотовой связи.Таблица 3.1. Характерные полосы частот, используемые в сотовой связиДлины волн, смЧастоты, МГцСтандартОбратныйканалNMT-450AMPS/D-AMPSTACS/ETACSGSM 900PDC453… 457,5824… 849890… 905890… 915810… 8261429…14651710…17851850…1910GSM 1800GSM 1900Прямойканал463… 467,5869… 894935… 950935… 960940… 9561477…15131805…18801930…1990Обратныйканал65,6…66,335,4…36,433,2…33,832,8…33,736,3…37,020,5…21,016,8…17,615,7…16,2Прямойканал63,2…64,933,6…34,631,6…32,131,2…32,131,4…31,919,8…20,316,0…16,615,1…15,6Первое, что наглядно видно из приведенной таблицы, — это жесткая ограниченностьвыделенных полос, вмещающих в общем-то весьма небольшое число частотных каналов.Отсюда возникает стремление к наиболее рациональному использованию имеющегосядиапазона, к оптимизации его использования и соответственно к повышению емкостисистемы связи.Второе обстоятельство, следующее из данных табл.

3.1: используемые в сотовой связиполосы частот относятся к дециметровому диапазону. Как известно, дециметровыерадиоволны распространяются в основном в пределах прямой видимости; дифракция наэтих частотах выражена слабо, а молекулярного поглощения и поглощения вгидрометеорах (снег, дождь) практически нет. Однако близость подстилающейповерхности и наличие препятствий (зданий), особенно в условиях города, типичных дляприменения сотовой связи, приводит к появлению отраженных сигналов,интерферирующих между собой и с сигналом, прошедшим по прямому пути.

Это явлениеназывают многолучевым распространением сигналов.Отражение от подстилающей поверхности при определенных условиях приводит ктому, что мощность принимаемого сигнала убывает пропорционально не второй степенирасстояния между передатчиком и приемником, как при распространении в свободномпространстве, а пропорционально четвертой степени этого расстояния, т.е. напряженностьполя убывает пропорционально квадрату расстояния.

Интерференция нескольких сигналов,прошедших различными путями, вызывает своеобразное явление замиранийрезультирующего сигнала, или фэдинга (английский термин fading), при котором интенсивность принимаемого сигнала изменяется в значительных пределах приперемещении подвижной станции. Кроме того, возникают искажения, являющиесяследствием наложения нескольких соизмеримых по интенсивности сигналов, смещенныходин относительно другого во времени, которые могут приводить к ошибкам в15принимаемой информации. Наконец, сложность картины многолучевого распространениясущественно затрудняет расчет интенсивности сигналов в функции удаления от базовойстанции, а такой расчет необходим для корректного проектирования системы.

Поэтомупрактически при проектировании приходится использовать полуэмпирические моделираспространения радиоволн, опирающиеся на конкретные результаты экспериментальныхизмерений.3.2 Принцип повторного использования частот.Повторное использование частот — это основной принцип системы сотовой связи,радикально отличающий ее от других, в частности — от транковых систем подвижнойсвязи, и позволяющий существенно повышать емкость системы.

Идея повторного использования частот заключается в том, что в близких одна относительно другой ячейкахсистемы используются разные полосы частот, а через несколько ячеек эти полосыповторяются, что выгодно уже само по себе, так как позволяет при ограниченной общейполосе частот охватить системой сколь угодно большую зону обслуживания. Этооказывается выгодно вдвойне, если учесть возможность повышения емкости системы засчет того или иного варианта дробления ячеек.Рассмотрим пример. Пусть в некоторой ячейке А используется какая-то часть отполного диапазона частот, выделенного системе сотовой связи, например, дляопределенности, одна десятая.

Тогда в соседней с ней ячейке В должна использоватьсявторая десятая часть диапазона, поскольку вблизи общей границы в двух смежных ячейкахнельзя использовать одни и те же частотные каналы. Из тех же соображений в ячейке Спридется использовать третью десятую часть диапазона.

Но уже в ячейке D, имеющейобщие границы с ячейками А и С, но не граничащей с ячейкой В, вновь может бытьиспользована та же десятая часть диапазона, что и в ячейке В, что условно обозначаетсяD→B.Аналогичные соображения справедливы и для остальных ячеек, так что в итоге мыприходим к трехъячеечной схеме повторения частот, или к структуре системы, состоящейиз 3-ячеечных (3-элементных) кластеров. Такая структура схематически представлена нарис. 3.2, причем одинаковыми цифрами обозначены ячейки, в которых используются однии те же полосы частот. Очевидно, что 3-элементный кластер — это кластер минимальновозможного размера; в каждой из его ячеек можно использовать не одну десятую, а однутреть от полного частотного диапазона, отведенного системе.При 3-элементном кластере ячейки с одинаковыми полосами частот повторяютсяочень часто, что плохо в смысле уровня соканальных помех, т.е.

помех от станций системы,работающих на тех же частотных каналах, но в других ячейках. В этом отношении болеевыгодны кластеры с большим числом элементов.Рис. 3.1. Построение трехэлементного кластераРис. 3.2. Трехэлементный кластер16Можно показать, что в общем случае расстояние D между центрами ячеек, в которыхиспользуются одинаковые полосы частот, связано с числом N ячеек в кластере простымсоотношениемгде R — радиус ячейки(радиус окружности, описанной около правильногошестиугольника). Параметр q, определяемый последним равенством, называюткоэффициентом уменьшения соканальных помех или коэффициентом соканальногоповторения, а для величины 1/N, обратной числу ячеек в кластере, иногда употребляютнаименование коэффициент эффективности повторного использования частот или простокоэффициент повторного использования частот.Заметим, что увеличение числа элементов в кластере, выгодное в отношенииснижения уровня соканальных помех, приводит к пропорциональному уменьшениюполосы частот, которая может быть использована в одной ячейке.

Поэтому практическичисло элементов в кластере должно выбираться минимально возможным,обеспечивающим допустимое отношение сигнал/помеха.3.3 Методы множественного доступа.Понятие множественного доступа связано с организацией совместного использованияограниченного участка спектра многими пользователями. В ортодоксальных подходахвыделяется пять вариантов множественного доступа:1.