Сотовые системы связи

Предлагаемая структура  комплексной АСУС (КАСУС) позволяет объединить под единым управлением различные по специализации системы радиосвязи с подвижными объектами в единую сеть радиосвязи общего пользования. Однако, реализация КАСУС в свою очередь потребует решения таких задач:

• объединение в единую систему связи различных технических средств связи с различными возможностями сопряжения с современными УВС;
• обеспечение эволюционной замены как УВС, так и управляемых средств связи;
• разработка гибкой программно-аппаратурной среды на базе унифицированного единого ряда УВС в целях организации управления вычислительным процессом КАСУС (с точки зрения координации и синхронизации работы управляющих вычислительных устройств средств связи и КАСУС в целом);
• реализация сопряженных средств КАСУС с устройствами управления технических средств связи и между собой.

Выводы

Одним из важнейших достоинств ССПР является высокая эффективность  использования выделенного частотного спектра, достигаемая путем повторного применения одних и тех же частот в различных ячейках системы. Ограничивающим фактором при этом являются внутрисистемные помехи, включающие взаимные помехи ячеек с повторяющимися частотами, а также межканальные помехи. Данное обстоятельство служит одним из определяющих при выборе величины защитного интервала D, а  также при распределении частотных каналов в системе. Для ослабления названных помех применяется ряд специальных мер, одна из которых состоит в применении разнесенного приема, позволяющего в значительной степени снизить уровень межканальных помех. В таких системах удается не только повысить отношение мощности сигнала к мощности помехи, но и получить некоторое подавление помехи в процессе демодуляции путем соответствующего увеличения индекса модуляции. Снижение взаимных помех достигается также соответствующей пространственной ориентацией антенн смежных каналов.  

Раздел II     

Алгоритмы работы ССС и протоколы управления

Структура системы управления в ССС

Одной из основных задач  при построении ССС является разработка системы управления. При планировании ССС определяется территория обслуживания, разделяемая на ячейки шестиугольной  формы, радиус описанной окружности которых может быть различным - от 20-30 км в районах с малой плотностью трафика (в основном сельскохозяйственных) до 0,5-2 км в районах с высокой  плотностью трафика (в густонаселенных  городских районах). Пользователи ССС, находясь в любой точке территории обслуживания, могут с помощью  абонентских станций связываться  с другими абонентами ССС и  телефонной сети общего пользования. 

Абонентская станция может  быть выполнена в портативном  либо мобильном варианте. Функционально  АС состоит из блока управления, модема, приемопередатчика и антенны. Блок управления сопрягается с приемопередатчиком, микротелефонной трубкой и пультом  управления, содержащим дисплей. В блок приемопередатчика входят устройство передачи и приема сигналов на радиочастоте. Модем осуществляет преобразование поступающих сигналов со стороны  абонента или со стороны сети в  соответствующую форму, необходимую  для дальнейшей обработки. Базовые  станции обеспечивают сопряжение между  проводной частью ССС и абонентскими станциями. В состав БС действующих  систем входят приемники, передатчики, блоки управления для связи с  ЦС. С центральной станцией БС соединены  группой разговорных каналов  и несколькими каналами передачи данных. При обслуживании абонентов  ССС центральная станция выполняет  такие основные функции, как:

• установление соединений между абонентами;
• разъединение по окончании разговора;
• слежение за качеством передачи речи;
• переключение АС на новый канал при перемещении АС во время сеанса связи из зоны обслуживания одной БС в зону обслуживания другой БС с целью обеспечения непрерывности соединений;
• поиск подвижного абонента на территории обслуживания;
• тарификация, диагностика состояния системы.

Следует отметить, что отличие  ЦС от электронных АТС стационарных телефонных сетей общего пользования  в основном сводится к особенностям программного обеспечения. Постоянно  взаимодействуя, АС, БС и ЦС выполняют  команды, поступающие со стороны  управляющей части сети. Структурно ССС могут быть построены по радиальному  или радиально-узловому принципу (в  этом случае используется централизованное управление), а также могут иметь  распределенное управление. По радиальному  принципу могут быть построены ССС  с небольшим числом БС. Примерами  таких ССС являются АМPS (США), ТАСS (Великобритания). В таких системах каждая БС непосредственно соединяется  с ЦС, которая имеет выход на телефонную сеть общего пользования. По радиально-узловому принципу построены  ССС, покрывающие большую территорию обслуживания с большим числом абонентов, например системы NTT (Япония) и MATSE (Франция). В этих системах БС непосредственно  соединяются со станциями управления (СУ), которые, в свою очередь, подключены к ЦС проводными линиями связи. 

При таком построении СУ осуществляет установление соединения, контролирует качество принимаемой  информации, производит эстафетное переключение каналов АС в другую зону, выделяет свободные разговорные радиоканалы, передает сведения о произведенных  операциях на ЦС, которые фиксируют  полученную от СУ информацию и может  осуществить перекоммутацию АС в  зону действия другой центральной станции. 

При распределенном управлении ССС центральная станция как  координирующее звено не выделяется, поэтому подобные системы построения имеют ряд таких преимуществ, как большая живучесть и надежность, возможность более быстрого и  экономичного наращивания емкости  сети. 

Организация каналов управления

В действующих ССС передача информации производится по выделенным каналам передачи данных с шириной  полосы частот 25 Кгц. Для обмена информацией  между БС и АС на группу разговорных  радиоканалов выделяется один канал  управления (КУ). В свободном режиме АС постоянно настроена на частоту КУ. Обмен между ЦС и БС ведется по проводному каналу передачи данных, также выделенному на группу разговорных каналов. 

В скандинавской системе NMT для обмена служебной информацией  между ЦС, БС и АС применяется  быстрая частотная манипуляция (FFSK). Скорость передачи по КУ установлена 1200 бит/с. Информация передается в виде 64-разрядных кадров. Каждый кадр содержит пять полей:

• номер канала N1, N2, N3 по которому передается данное сообщение;
• префикс Р, характеризующий тип кадра;
• номер района обслуживания V1, V2, где расположена базовая станция с номером канала N1 N2 N3;
• номер АС;
• информационное поле.

В направлении ЦС-АС информационное поле содержит 12 бит; в направлении  АС-ЦС номер района обслуживания V1 V2 не передается и информационное поле содержит 20 бит. В системе NMT в качестве управляющего используется любой из разговорных радиоканалов, что, по мнению специалистов, повышает эффективность  управления ССС. Во французской системе  МАТSЕ для КУ выбирается, как и  в NMT, любой канал из группы разговорных. Скорость передачи информации по КУ составляет 2,4 Кбит/с. В направлении БС-АС информационное поле содержит 128 бит, образующих восемь кодовых слов по 16 бит в каждом, поле управления доступом составляет два кодовых слова по 16 бит. 

В направлении АС-БС информация передается в виде кадров длиной 176 бит, кроме того, введен защитный интервал между кадрами длиной 16 бит. При  передаче от АС запроса на исходящее  соединение заявка поступает в обратный КУ (канал управления в направлении  АС-БС) синхронно с сигналом "разрешение доступа" в канал АС-БС, передаваемым от БС, и сигналом тактовой синхронизации. Это снижает вероятность конфликтной  ситуации, т.е. предупреждает поступление  в обратный канал управления одновременно двух заявок от разных АС. 

В системах ТАСS (Великобритания) используются два типа каналов управления: прямой и обратный КУ. Информация по прямому КУ в направлении от БС к АС передается со скоростью 8 Кбит/с  непрерывным потоком, который при  отсутствии информации для АС содержит контрольный текст. Это является необходимым, так как в свободном  состоянии АС сканирует каналы управления, выбирая канал с наиболее высоким  уровнем сигнала.

Разряды, указывающие о  состоянии свободно/занято, всегда располагаются на одних и тех  же позициях передаваемого формата  сообщения с тем, чтобы упростить  их выделение из общего потока информации. Объединение двух потоков информации (А и В) уменьшает временной  промежуток, отведенный для синхропоследовательности. Достоверность принимаемой информации увеличивается благодаря многократной передаче (пять повторов), что особенно важно для каналов, подверженных замираниям и интерференции. Для  обеспечения необходимых требований по вероятности ошибки информационные слова кодируются и объединяются с разрядами коррекции ошибок. В приемнике осуществляется мажоритарное накопление последовательностей соответствующим правилам принятия решения. В прямом канале управления на каждое кодовое слово используются 28 бит информации и 12 бит коррекции ошибок; в обратном КУ используются 36 информационных бит и 12 бит коррекции ошибок. Код с такой структурой способен исправлять однократную ошибку и обнаруживать 4 ошибки. Информационные слова - это сложные пакеты информации, разделенные на группы или на отдельные разряды, каждый из которых определяет параметры системы, номер серии, цифру в набираемом номере и т.д. Более точное содержание формата внутри слова зависит от типа сообщений. 

Аналогичным образом организуется обмен информацией по КУ в системе  АМРS, в которой длина формата  сообщения по прямому КУ составляет 463 бита.

В японской системе NТТ прямой канал управления называется вызывным каналом, поскольку по этому каналу производится вызов АС; обратный КУ, называемый каналом доступа, используется при исходящем соединении. Информация по каналам управления передается в  цифровом виде со скоростью 300 бит/сек  манчестерским кодом. Длина стандартного сигнала составляет 43 бита, включая 12 контрольных разрядов. Все управляющие  сигналы передаются после 8-разрядной  синхрогруппы. В сигнале управления, поступающем со стороны АС, содержится 24-разрядный заголовок, стартовый  сигнал, используемый как синхронизирующий, и сигнал, открывающий входной  логический элемент БС. Заголовок  и стартовый сигнал выделяются на БС, остальная информация поступает  на СУ. В состав информации, которую  СУ непрерывным потоком передает по вызывному каналу, входит номер  вызываемого района и номер используемого  канала доступа. Если информации для  АС нет, далее следует контрольное  заполнение.

Помимо каналов управления в системе NТТ между каждой БИ и  станцией управления введен канал для  эстафетной передачи подвижной станции  из одной зоны в другую, в котором  передаются необходимые сообщения  со скоростью 12 Кбит/сек.

В рассмотренных системах радиотелефонной связи радиоканалы  используются как продолжение кабельных  линий. Обмен сигналами происходит между ЦС и АС; БС выполняет функцию  преобразователя радиосигналов  в телефонный сигнал. Радиоканалы, как  правило, предоставляются со стороны  ЦС. Выбор каналов определяется дополнительными  алгоритмами на станции, которые  не учитывают особенности распространения  радиоволн, поэтому при установлении связи могут возникать потери вызова из-за низкого уровня сигнала, передаваемого по радиоканалу. Для  повышения эффективности использования  каналов необходимо контролировать радиоканалы по различным параметрам, применяя децентрализованный контроль на каждой БС.

Вместе с тем широкое  применение цифровой обработки сигналов при построении систем радиотелефонной  связи позволила изменить существующее положение. Примером может служить  широкополосная ССС CD=900, в которой все служебные процедуры (установление соединения, выделение свободных разговорных каналов) ведутся по каналу управления. Кроме того, по КУ БС выдает объединенную информацию о поиске АС в своей ячейке. Дуплексный КУ представляет собой непрерывно повторяющиеся временные "окна" (каналы) длительностью 75 мс каждый. Временные каналы нумеруются от 1 до 32 и формируются в непрерывные временные кадры длительность 2,4 с. Для достижения минимальной вероятности блокировки каждое "окно" делится на 2 информационных блока, в результате чего формируются 2 независимых дуплексных канала.

Для повышения эффективности  работы в системе организовано установление очереди для вызовов, поступающих  в обоих направлениях передачи. Это  позволяет сократить на 20-25% число  КУ и снизить их непроизводительную загрузку. Установление очереди сводится к тому, что если в момент поступления  вызова все разговорные каналы заняты, то нет необходимости повторного набора номера. При исходящих вызовах  разговорные каналы назначаются  только по КУ, после чего в разговорном  канале проходит тест для проверки качества связи. Если канал неисправен, он заменяется другим. Алгоритм выбора канала построен таким образом, чтобы  новый канал был достаточно разнесен от неисправного канала для уменьшения взаимного влияния.

На основе систем МАТSЕ  и CD-900 разработана цифровая ССС ЕС-900 (ФРГ), где в качестве КУ может  использоваться любой разговорный  радиоканал из группы, выделенной для  БС. На каждой БС используется несколько  КУ. Для каждой 16-канальной группы разговорных радиоканалов назначается  один КУ. Так же, как и в CD-900, в  системе ЕС-900 организуются двухсторонние  очереди для поступающих вызовов. Канал управления состоит из временных  кадров дли- ной 192 бита длительностью 80 мс каждый. Структура кадра соответствует  системе МАТSЕ. Отличие состоит  в том, что для информационного  поля выделяется 160 бит (10 кодовых слов длиной по 16 бит каждое), а для  управления доступом в КУ используется 16 бит. Обратный КУ от АС к БС строится аналогично системе МАТSЕ. Наиболее эффективной считается скорость передачи по КУ в направлении от АС к БС 800 бит/с, от БС к АС 1000 бит/с, для управления доступом принимается  скорость 200 бит/с.