Мобильные коммуникации
Лекция 11. Мобильные Коммуникации
Назначение и особенности сотовой радиосвязи
Структура сотовой сети
Принципы действия сотовой сети
Главным применением для мобильной радиосвязи было передача речи. Первые радиотелефонные сети состояли только из несколько базовых станций (БС), с которыми общались мобильные единицы, а каждая базовая станция покрывала большую географическую область. Число одновременных вызовов внутри области, покрытой одной базовой станцией, было ограничено числом доступных для неё каналов (несущих частот). Поэтому, ёмкость этих сетей была низкой, а обслуживание радиотелефонов было доступно только для профессионалов.
В течение 1970-ых годов развитие цифровой коммутации и информационных технологий привело к появлению современных систем мобильного телефона. Сотовый принцип построения сетей послужил решением проблемы емкости. Различные стандарты аналоговой сотовой связи были развиты сначала в скандинавских странах, затем, в конце 1970-ых, в Соединенных Штатах и Японии.
В этой лекции мы рассмотрим сначала идею и общие операции сотовых систем радиосвязи. Общие принципы организации сотовых систем действуют и
для любой другой сухопутной общественной сети мобильного телефона. Поэтому их основе мы рассмотрим другие мобильные системы, такие как пейджинговые системы ( системы оповещения), радиотелефоны и беспроводные локальные вычислительные сети (WLANs). В конце этой лекции мы рассмотрим структуру и операцию GSM сети. Наша цель состоит в том, чтобы обеспечить понимание того, что требуется от сети для того, чтобы получить от кого-то вызов или сделать кому-нибудь вызов. Естественное требование для этого – сделать доступным совместное обслуживание многих абонентов при ограничении числа радиочастот. Мы используем GSM как пример цифровой сотовой системы, потому что в настоящее время это доминирующая глобальная цифровая технология.
Назначение и особенности сотовой радиосвязи
Рекомендуемые материалы
Главной проблемой обычных радиотелефонных сетей была низкая емкость (число каналов) из-за ограниченной полосы частот, доступной для обслуживания. Сотовые сети обеспечивают решение этой проблемы при использовании тех же самых частот в многократно повторяющихся ячейках сети. Этот принцип повторного использования частот с помощью сети сотовой структуры был изобретен в Лаборатории Белла в течение 1960-ых. Техническое развитие контроля радиочастот, микропроцессоров,
и прогресс в технологиях программного обеспечения сделали возможной реализацию сотовых сетей под конец 1970-ых. Вот список самых важных общих особенностей сотовых систем:
• повторное использование частот, но уже в других сотах, обеспечивает намного большее число коммутируемых каналов, чем число радиочастот, выделенных системе;
• автоматическая межсотовая передача сообщений, или передача по эстафете, гарантирует непрерывность коммуникации в случаях, когда есть потребность изменить местоположение БС;
• непрерывный контроль коммуникации между мобильным телефоном и
БС позволяет проверять её качество и обнаруживать необходимость в переходе к другой сотовой ячейке;
• автоматическая локация мобильных станций в пределах сети гарантирует, что любой вызов будет маршрутизирован по адресу.
• мобильные станции непрерывно прослушивают общий канал сети,
чтобы получать вызовы.
Рис.11.1 Основная структура сети сотовой радиосвязи.
Рис. 11.1 представляет основные элементы упрощенной сотовой сети. БС представляют собой радиопередатчики/приемники, через которые мобильные станции (МС), типа радиотелефонов связываются с сетью проводных линий. БС связаны с центром коммутации мобильной связи (ЦКМС) на первичной скорости передачи цифровых сигналов. ЦКМС действует как местная телефонная станция в фиксированной сети. В дополнение к коммутации и другим функциям обычной телефонной станции, ЦКМС также отслеживает локацию пользователей с помощью регистров местоположения. Отметим, что все сотовые сети разработаны так, чтобы действовать как сети доступа. Их главная цель состоит в том, чтобы сделать мобильных абонентов доступными из глобальной (фиксированной) телекоммуникационной сети. Мобильные сотовые сети всегда полагаются на фиксированную сеть. Они не имеют иерархии коммутационных станций подобно фиксированной сети, и потому все междугородние и международные звонки проходят через фиксированную сеть.
Структура сотовой сети
Конкретная структура сотовой сети радиосвязи, названия элементов и их конкретные функции зависят от наличной технологии сети.
Структура сети. Вместо того, чтобы покрывать всю область мощными фиксированными радиостанциями, как это имело место в прежних поколениях систем радиосвязи, область сотовой сети разделяют на маленькие ячейки, имеющие поперечный размер только несколько километров или меньше того, как показано на рис. 11.2. Области, где плотность абонентов высокая, покрыты меньшими по размерам ячейками. Наоборот, области, где плотность абонентов низкая, покрыты большими по размерам ячейками. Мощности БС и МС автоматически уменьшаются с уменьшением размеров ячейки. БС и МС (радиотелефон) контролируются так, чтобы поддерживать мощность передачи низкой насколько это возможно. Радиопередача малой мощности не мешает другим пользователям той же самой частоты, но расположенным в других ячейках и далеко от этой ячейки (принцип повторного использования частот). Таким образом, каждый частотный канал может использоваться снова и снова и, в принципе, оператор сети может увеличивать емкость сети практически безгранично, увеличивая число и уменьшая размеры ячеек. Естественно, это требует дополнительных инвестиций в базовые станции. То, как часто каждая несущая частота используется, называют фактором повторного использования частот, он зависит от системы. Этот фактор возрастает вместе с числом базовых станций.
Следствием уменьшения размера ячейки являются более удобные и менее дорогие телефоны, а также более долгая эксплуатационная жизнь для батареек. Низкая мощность радиопередач обеспечивает также информационную безопасность, что важно с точки зрения пользователей. Из-за общественного беспокойства о неблагоприятных эффектах влияния переносных терминалов на здоровье пользователей, низкая мощность радиопередач становится все более и более важной.
Базы данных. В обычной фиксированной сети, телефонные звонки всегда направляются к местной телефонной станции. В сотовой же сети абонент расположен в одной ячейке только некоторое время. Если он покинет эту ячейку, то сеть должна включить дополнительные интеллектуальные ресурсы, чтобы быть в состоянии направить звонок для него в ту ячейку, куда он переместился. Чтобы преуспеть в этом, в сотовых сетях имеются две базы данных или регистров, регистр местоположения дома (РМД) и регистр местоположения гостя (РМГ), и с их помощью сеть в состоянии управлять подвижностью связи своих абонентов.
Рис.11.2 Сотовая структура мобильной радиосети. Городская ячейка меньше по размерам, сельская – больше.
Когда абонент покупает мобильный телефон, последний регистрируется в собственного оператора мобильных телефонов. РМД хранит новейшую информацию о своих абонентах, типа где (в области какой РМГ), они расположены теперь, какую службу они имеют право использовать, и каковы номера, куда они посылают вызовы. РМД - глобальная центральная точка, где информация об абонентах доступна всегда, где бы они не располагались. Когда звонок маршрутизируется по сети, номер телефона вызывающего абонента говорит сети о том, где может быть найден его РМД.
РМГ хранит информацию о каждом новом абоненте в своем регионе. РМГ
сообщает РМД, когда новый абонент прибывает в его регион. Он также содержит более точную информацию о том, куда (к какой ячейке или группе ячеек) направить входящие вызовы, идущие к определенному новому абоненту. РМГ обычно объединяется с коммутатором мобильной сети (телефонной станцией), но РМД обычно представляет собой физически отдельную систему базы данных.
Радио-Каналы. Каждая БС обеспечивает два главных типа каналов, как показано в рис. 11.3: канал общего контроля и выделенные каналы. В передаче вниз или в прямом направлении (от сети к мобильным станциям) БС посылает на общий канал контроля каждой ячейки такую информацию, как идентификация сети, определение местоположения, определение уровня мощности и оповещение о поступающих вызовах. Когда МС находится в пассивном состоянии (нет продолжающегося вызова), она непрерывно прослушивает общий канал контроля в своей ячейке.
Рис. 11.3. Главные типы радиоканалов в сотовой сети.
В передаче вверх или в обратном направлении МС посылает по общему каналу контроля сообщения, например, сообщение-запрос на звонок в случае исходящих вызовов или сообщение о новом местоположении, когда она замечает, что прибыла в новое место. Канал одного выделенного пользователя или канал трафика предназначен для каждого звонка. Во время обслуживания звонка, MS, как говорят, находится в выделенном состоянии. Каждый выделенный канал требует передачи контрольной информации в дополнение к передаче речи. Это необходимо для контроля мощности передачи мобильного станции и для передачи информации по контролю исполнения от МС к сети. Когда запрос выполнен, выделенный канал освобождается и становится доступным для других пользователей. На рис.11.3 видно, что БС связаны с мобильным центром коммутаций через радиорелейную систему или кабельную линию (оптический или медный кабель). Микроволновые радиолинии особенно привлекательны для сельских районов, потому что кабели обычно не доступны для БС и установка их очень дорого обходится. Микроволновая радиолиния требует еще и установку антенны, но это не проблема - башня антенны всегда в наличии, потому что она необходима для антенн БС.
Принципы действия сотовой сети
В фиксированной телефонной сети каждый абонент идентифицирован номером определенной абонентской линии, которая связана с определенным распределительным шкафом. В случае мобильного телефона идентификация привязана к самому телефонному аппарату (MС) непосредственно. Ячеистая структура сети и подвижность пользователя требуют от сотовой сети держать в памяти местоположение каждой MС, чтобы быть в состоянии маршрутизировать звонок по назначению.
Рассмотрим теперь принципы того, как сотовая сеть справляется с подвижностью пользователей и передачей звонков по назначению. В рассмотрение введём самые общие операции сотовой сети, потому что термины и представленные операции не всегда могут быть совместимыми с терминами и детализированными операциями специфических сетей.
МС в пассивном режиме. MС запрограммирована на то, чтобы знать частоты общего канала контроля. Когда она включена, мобильный телефон просматривает эти частоты и выбирает БС с самым сильным каналом общего контроля. Тогда MС передает свой уникальный идентификационный код, который может быть номером её телефона (или другим кодом в зависимости от системы), по общему каналу контроля для того, чтобы информировать РМГ. РМГ, с помощью идентификации MС, определяет адрес страны, где находится абонент, и его домашней сети. Потом РМГ (мобильный центр коммутации) передает сигнализирующее сообщение к домашней сети. Сообщение потом поступает к РМД, который становится информированным о том, что этот определенный абонент теперь расположен в области определенного РМГ. РМД хранит эту информацию. Теперь РМД в состоянии маршрутизировать вызовы непосредственно к РМГ (коммутатору мобильной сети), который маршрутизирует их далее к мобильному абоненту.
MС непрерывно прослушивает общий канал контроля и, в случае необходимости, переходит на канал общего контроля другой ячейки, рис. 11.4. Каждая сеть разделена на маленькие локальные области, которые содержат группу ячеек. Все БС в определенной локальной области посылают тот же самый глобальный код, выделенный для этой области на канале общего контроля. Если MС движется, то изменяются состояние канала и информация о местоположении MС в виде изменения сигналов, посылаемых из сети. MС замечает это и сообщает сети о себе, а сеть обновляет информацию о местоположении МС, сохраняемую в РМГ и РМД (если нужно).
MС в режиме исходящего вызова. Номер, по которому абонент хочет позвонить, введен в память мобильного телефона через его клавиатуру. Когда пользователь нажимает кнопку «Вызов», мобильный телефон посылает ряд сигнализирующих сообщений БС через общий канал контроля, как показано на рис. 11.4. Эти сообщения содержат набранные цифры, которые БС передает коммутатору мобильной сети для маршрутизации. Коммутатор мобильной сети анализирует набранный номер, передает цифры в телефонную сеть общего пользования для прохождения вызова через эту сеть и запрашивает БС о том, чтобы она зарезервировала выделенный речевой канал для мобильного звонка. MС и БС подключаются к этому каналу, когда вызываемая сторона отвечает и разговор может начаться, рис.11.4.
Рис.11.4 Основные операции сотовой сети.
МС в режиме входящего вызова. Когда вызов должен поступить к MС, РМД определяет, по какому адресу РМГ вызов должен быть маршрутизирован. Этот адрес глобален, содержит коды страны и сети согласно схеме международной телефонной нумерации. Адресованный вызов поступает через коммутатор мобильной сети к РМГ, который знает более точное местоположение (область местоположения) этого определенного абонента в его области. Оповещающее сообщение с идентификацией MС посылается по общему каналу контроля для всех БС в той области, где абонент в текущий момент располагается. Принимающая MС непрерывно слушает этот канал и когда она получает сообщение, содержащее его собственную идентификацию, она просит речевой канал и сеть создает канал для этого звонка. БС и MС подключаются к выделенному каналу, потом телефон звонит, и когда абонент MС нажимает кнопку «Вызов», звонок получает соединение.
Режим переключение сот. Во время обслуживания вызова качество связи непрерывно проверяется и мощность передачи MС и БС регулируется так, чтобы держать качество нa достаточном уровне и в то же самое время держать мощность передачи настолько малой, насколько это возможно. Когда MС перемещается близко к границе соты, мощность передачи приближается к максимуму, допускаемому для этой ячейки. Когда MС перемещается далеко от БС, отношение сигнал/шум в канале уменьшается и частота ошибок возрастает. Если качество связи падает ниже предопределенного уровня, новый канал выделяется в соседней ячейке, в тот же самый момент времени БС новой соты и MС должны переключиться на новый канал. Перед переключением сотовая сеть анализирует результаты измерений мощности и оценивает качество связи между MС и двумя соседними сотами. Наилучшая альтернатива отношения сигнал/шум отбирается для переключения на новый канал.
Контроль мощности передачи БС и MС. На этапе планирования сотовой сети для каждой ячейки определяется максимальная мощность передачи. Эта мощность зависит от желательных размеров соты и от географических условий. Мощность передачи БС в общем канале контроля приспособлена к уровню, который достаточно высокий, чтобы покрыть всю область соты, но не выше, чем необходимо. В течении обслуживания вызова сеть непрерывно управляет мощностью передачи MС и БС так, чтобы минимизировать интерференцию излучений от соседних сот, которые используют одну и ту же частоту. Это позволяет также экономить заряд батареи MС.
Контрольные вопросы:
16 Формообразование заготовок из порошковых материалов - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.
1.Укажите назначение сотовой радиосвязи
2. Перечислите особенности сотовой радиосвязи.
3. Какие элементы входят в структуру сотовой сети?
4. Каковы типы радиоканалов в сотовой сети?
5. Сформулируйте принципы действия сотовой сети.
6. Перечислите основные операции сотовой сети.
