7.1. Общие принципы функционирования сетей сотовой связи

Несмотря на разнообразие стандартов сотовой связи, алгоритмы их функционирования, независимо от имеющихся особенностей, в основном сходны. Для абонента практически нет никакой разницы, в каком стандарте осуществляется связь. . Когда радиотелефон находится в режиме ожидания , его приемное устройство постоянно сканирует либо все каналы системы, либо только управляющие. Для вызова соответствующего абонента всеми базовыми станциями сотовой системы связи по управляющим каналам передается сигнал вызова. Сотовый телефон вызываемого абонента при получении этого сигнала отвечает по одному из свободных каналов управления. Базовые станции, принявшие ответный сигнал, передают информацию о его параметрах в центр коммутации, который, в свою очередь, переключает разговор на ту базовую станцию, где зафиксирован максимальный уровень сигнала сотового радиотелефона вызываемого абонента.

Как уже известно, сети сотовой связи получили свое название в соответствии с территориальным принципом распределения малых рабочих зон (сот) . В центре каждой рабочей зоны расположена базовая станция (БС или BTS ), осуществляющая связь по радиоканалам с многими абонентскими станциями, установленными на подвижных объектах (автомобилях, у Вас в кармане ) и находящихся в ее рабочей зоне. Для каждой соты в рамках всей сети при проектировании проводится комплекс специальных мероприятий , в том числе и частотное планирование , которое учитывает условия распространения радиоволн и общую частотную обстановку ( средний уровень промышленных помех, сигналы от смежных базовых станций, и.т.п). Необходимо заметить, что проектирование сети сотовой связи - весьма трудоемкий и кропотливый процесс, несмотря даже на использование компьютерных систем. Учет всех параметров (количество каналов в выделенном частотном диапазоне, расчетная нагрузка на одного абонента, допустимая интенсивность потерь, минимальная приемлемая напряженность поля) и их топографическая привязка к планируемой зоне обслуживания, опять же , с учетом типа местности, существующих сооружений - все это требует больших трудовых затрат (не говоря уже о финансовой стороне дела). К тому же проектирование сети - это процесс бесконечный. Действующие сегменты сети выдают информацию о распределении трафика и приросте числа абонентов , и эта информация, в свою очередь, может влиять на составленные раньше проекты, дополняя и расширяя сеть.

Базовые станции сети через контроллеры (BSC) соединены проводными телефонными (или радиорелейными) линиями связи с центральной станцией данного региона ( города, области) - MSC (Центр коммутации подвижной связи), которая обеспечивает соединение мобильных абонентов с абонентами телефонной сети общего пользования (ТФОП, или PSTN) с помощью коммутационных устройств. Таким образом каждый MSC обслуживает группу сот, осуществляя при этом переключение каналов в соте, эстафетную передачу абонентов между сотами, формирует данные, необходимые для выписки счетов за предоставленные сетью услуги связи, накапливает данные по состоявшимся разговорам и передает их в центр расчетов (биллинг-центр). MSC составляет также статистические данные, необходимые для контроля работы и оптимизации сети. На рис. 7.1 группы сот и соответствующие им MSC представлены разным цветом. MSC не только участвует в управлении вызовами, но также управляет процедурами регистрации местоположения и передачи управления. Регистрация местоположения подвижных станций необходима для обеспечения доставки вызова перемещающимся подвижным абонентам от абонентов телефонной сети общего пользования или других подвижных абонентов. Процедура передачи вызова позволяет сохранять соединения и обеспечивать ведение разговора, когда подвижная станция перемещается из одной зоны обслуживания в другую. Передача вызовов в сотах, управляемых одним контроллером базовых станций (BSC), осуществляется этим BSC. Когда передача вызовов осуществляется между двумя сетями, управляемыми разными BSC, то первичное управление осуществляется в MSC. Таким образом, иерархию управления в пределах одного MSC можно представить как взаимодействие подсистемы базовых станций (BSS), включающей в себя BSC c несколькими BTS, и MSC .

Кроме основных линий связи, соединяющих базовые станции с MSC, обязательно присутствуют резервные, принимающие абонентскую нагрузку в случае аварии на себя. Также резервированию подлежит и все основное оборудование сети ( коммутаторы, каналообразующие системы, сигнализация).

Рис. 7.1. Эстафетная передача (ХЭНДОВЕР)

Во время набора номера радиотелефон занимает один из свободных каналов, уровень сигнала базовой станции в котором в данный момент максимален. По мере удаления абонента от базовой станции или в связи с ухудшением условий распространения радиоволн уровень сигнала уменьшается, что ведет к ухудшению качества связи. Улучшение качества разговора достигается путем автоматического переключения абонента на другой канал связи. Это происходит следующим образом. Специальная процедура, называемая передачей управления вызовом или эстафетной передачей (в иностранной технической литературе - handover, или handoff), позволяет переключить разговор на свободный канал другой базовой станции, в зоне действия которой оказался в это время абонент. Аналогичные действия предпринимаются при снижении качества связи из-за влияния помех или при возникновении неисправностей коммутационного оборудования. Для контроля таких ситуаций базовая станция снабжена специальным приемником, периодически измеряющим уровень сигнала сотового телефона разговаривающего абонента и сравнивающим его с допустимым пределом. Если уровень сигнала меньше этого предела, то информация об этом автоматически передается в центр коммутации по служебному каналу связи. Центр коммутации выдает команду об измерении уровня сигнала сотового радиотелефона абонента на ближайшие к нему базовые станции. После получения информации от базовых станций об уровне этого сигнала центр коммутации переключает радиотелефон на ту из них, где уровень сигнала оказался наибольшим. Это происходит так быстро, что абонент почти не замечает переключения (от 250 до 1250 мс). Необходимо заметить, что в цифровых системах сотовой связи время переключения меньше, чем в аналоговых. А в цифровом стандарте CDMA оно вообще отсутствует как таковое в силу использования технологии "softhandover", при которой до момента переключения и некоторое время после него , мобильной станции предоставляется одновременно два канала (старый и новый) связи, организуя тем самым своеобразный неразрывный во времени канальный "шлюз".

8. Радиорэлейная связь

Радиорелейная связь (от радио и французского relais - промежуточная станция), радиосвязь, осуществляемая при помощи цепочки приемопередающих радиостанций, как правило, отстоящих друг от друга на расстоянии прямой видимости их антенн. Таким образом, радиорелейная связь - это особый вид радиосвязи на ультракоротких волнах с многократной ретрансляцией сигнала.

Радиорелейная связь первоначально применялась для организации многоканальных линий телефонной и телевизионной связи, в которых сообщения передавались с помощью аналогового электрического сигнала. Одна из первых таких линий протяженностью 200 км с 5 телефонными каналами появилась в США в 1935 году. Она соединяла Нью-Йорк и Филадельфию.

В 1932-1934 гг. в СССР была разработана приёмопередающая аппаратура, работающая на метровых волнах, и созданы опытные линии связи Москва- Кашира и Москва-Ногинск. Первое отечественное оборудование «Краб», используемое на линии радиорелейной связи через Каспийское море, между Красноводском и Баку (1953-1954 гг.), работало в метровом диапазоне.

В те годы для радиорелейных линий считалось наиболее целесообразным применение импульсной модуляции, техника которой была хорошо освоена в радиолокации, одновременно с временным уплотнением. Казалось, что при тогдашнем уровне развития технологий это сулит большие преимущества. Но цикл теоретических исследований и экспериментальных проработок, проведенных в Научно-исследовательском институте радио, подтвердил складывающееся в то время у специалистов в области радиорелейной связи мнение, что сочетание частотной модуляции с частотным уплотнением позволит создать линии, не уступающие даже наиболее совершенным коаксиальным кабельным системам. Надо подчеркнуть, что сказанное относится к концу 1940-х - началу 1950-х годов. А поскольку, как известно, развитие общества и науки идет по спирали, то сегодня современные новейшие технологии позволили вернуться к цифровым методам передачи на более высоком уровне - передача данных, цифровая телефония и телевидение.

В середине 50-х годов прошлого века в России было разработано семейство радиорелейной аппаратуры «Стрела», работавшей в диапазоне 1600-2000 МГц: «Стрела П» - для пригородных линий, обеспечивающих передачу 12 телефонных каналов; «Стрела Т» - для передачи одной телевизионной программы на расстояние 300-400 км и «Стрела М» - для магистральных линий емкостью 24 канала и протяжённостью до 2500 км. На аппаратуре «Стрела» был построен ряд первых отечественных радиорелейных линий (РРЛ). Вот некоторые из них: Москва - Рязань, Москва - Ярославль - Нерехта - Кострома - Иваново, Фрунзе - Джалал Абад, Москва - Воронеж, Москва - Калуга, Москва - Тула.

Следующая разработка для РРЛ - аппаратура Р-60/120. Она позволяла создавать 3-6-ствольные магистральные линии длиной до 2500 км для передачи 60-120 телефонных каналов и на дальности до 1000 км для передачи телевизионных программ с выполнением рекомендаций МККТ и МККР по качественным показателям. Радиорелейные линии на базе аппаратуры Р—60/120 были построены в различных районах СССР. Одной из первых и, пожалуй, самой протяженной была линия Москва - Ростов-на-Дону. Оборудование типа Р-60/120, работавшее в диапазоне 2 ГГц, было предназначено для внутризоновых РРЛ.

Принципиальные решения отдельных узлов и общее построение оборудования во многом напоминало «Стрелу», но при разработке учитывались все рекомендации Международного консультативного комитета по радиовещанию (МККР). В соответствии с ними промежуточные частоты передатчика и приемника были одинаковы и равны 70 МГц. Большое внимание уделялось вопросам внутрисистемной электромагнитной совместимости (ЭМС), учитывались все возможные паразитные продукты преобразования частот в смесителе передатчика и каналы помех в смесителе приемника. Аппаратура работала в диапазоне 1600-2000 МГц. Мощность передатчика была доведена до 3 Вт. Была предусмотрена система телеобслуживания промежуточных станций, совершенно изменена конструкция стоек. Чтобы передавать телевизионные сигналы на большие расстояния, а также сигналы телефонных каналов, нужно было создать радиорелейное оборудование магистральных РРЛ.

7.2. Роуминг

Одна из важных услуг сети сотовой связи - предоставление возможности использования одного и того же радиотелефона при поездке в другой город, область или даже страну, причем сотовая сеть позволяет не только самому абоненту звонить из другого города или страны, но и получать звонки от тех, кто не успел застать его дома. В сотовой радиосвязи такая возможность называется роуминг (от англ. roam - скитаться, блуждать). Для организации роуминга сотовые сети должны быть одного стандарта (телефон стандарта GSM не будет работать в сети стандарта CDMA и т. п.), а центры коммутации подвижной связи этого стандарта должны быть соединены специальными каналами связи для обмена данными о местонахождении абонента. Иными словами, применительно к сотовым системам для обеспечения роуминга необходимо выполнение трех условий:

1) Наличие в требуемых регионах сотовых систем стандарта, совместимого со стандартом компании, у которой был приобретен радиотелефон;

2) Наличие соответствующих организационных и экономических соглашений о роуминговом обслуживании абонентов;

3) Наличие каналов связи между системами, обеспечивающих передачу звуковой и другой информации для роуминговых абонентов;

При перемещении абонента в другую сеть ее центр коммутации запрашивает информацию в первоначальной сети и при наличии подтверждения полномочий абонента регистрирует его. Данные о местоположении абонента постоянно обновляются в центре коммутации первоначальной сети, и все поступающие туда вызовы автоматически переадресовываются в ту сеть, где в данный момент находится абонент.

При организации роуминга недостаточно провести только технические мероприятия по соединению различных сетей сотовой связи. Очень важно еще решить проблему взаиморасчетов между операторами этих сетей.

Различают три вида роуминга:

1. Автоматический (именно с этой формой за рубежом обычно и связывают понятие роуминга), т. е. предоставление абоненту возможности выйти на связь в любое время в любом месте;

2. Полуавтоматический, когда абоненту для пользования данной услугой в каком-либо регионе необходимо предварительно поставить об этом в известность своего оператора

Ручной, по сути, простой обмен одного радиотелефона на другой, подключенный к сотовой системе другого оператора.

Реализация конкретных технологий и стандартов - будь то GSM - 900/1800 , D-AMPS или NMT-450,900 в общем укладываются в рамки описанной схемы. Однако, для каждого из этих стандартов существуют свои особенности, которые в некоторых случаях предусматривают дополнения к данной схеме ( иногда попросту необходимые), или же наоборот - принципиально не используют названные элементы. Например, на самом деле устройство сети , ее элементов и оборудования сложнее даже на уровне описания. Так , в ней должны присутствовать центры управления, аутенфикации , биллинга, линии служебной связи и сигнализации. Но для общего понимания работы сети сотовой связи приведенной схемы вполне достаточно [9].

Магистральным РРЛ были выделены соответствующие полосы частот в диапазонах 4 и 6 ГГц. В таких диапазонах, при одинаковых габаритных размерах антенн и прочих равных условиях, излучаемая в эфир мощность увеличивается в 2,5-3 раза за счёт большого коэффициента усиления антенны. Это было весьма существенно для достижения необходимых качественных показателей передаваемых сигналов телевидения и многоканальной телефонии. Первой отечественной радиорелейной системой магистральной радиорелейной связи была система Р-600, работающая в диапазоне 4 ГГц. Первая магистральная радиорелейная линия Ленинград-Таллин, оборудованная аппаратурой Р-600, была построена в 1958 г., после этого началось их серийное производство.

Система и аппаратура Р-600 послужили основой дальнейшего совершенствования радиорелейного оборудования для магистральных РРЛ.

В период 1960—1970 г.г. были разработаны, произведены и внедрены в эксплуатацию новые виды оборудования семейства Р-600: Р-600М, Р-6002М, Р-600-2МВ и «Рассвет», также работающие в диапазоне 4 ГГц. В телевизионном стволе обеспечивалась передача видеосигнала и сигнала звукового сопровождения. Основные технические показатели этих систем приведены в табл. 8.1.

Важнейшей разработкой, проводившейся в СССР в середине 60-х годов, было создание магистральной радиорелейной системы большой ёмкости «Восход». Она предназначалась, в первую очередь, для РРЛ Москва - Дальний Восток. Разработка системы связи, радиоаппаратуры, источников гарантированного электропитания, системы резервирования и методов контроля качества работы аппаратуры проводилась с учётом обеспечения высокой надёжности линии. Расчётный коэффициент исправного действия линии протяжённостью 12 500 км составлял 0,995, а потеря достоверности при передаче бинарной информации без кодовой защиты - не более 5 х 10~5.

Сверхвысокочастотная (СВЧ) приёмопередающая аппаратура «Восход» работала в полосе частот 3400—3900 МГц. Все активные элементы аппаратуры «Восход» были выполнены на полупроводниковых приборах, исключение составляли СВЧ выходные ступени передатчиков и гетеродинных трактов, где использовались лампы бегущей волны (ЛБВ).

Таблица 8.1