Принципи на клетъчните радиомрежи - архитектура, параметри, физически и логически канали.

Принципи на клетъчните радиомрежи

Основните изисквания към клетъчните системи са: осигуряване на дуплексен режим на работа; реализиране на връзки мобилен телефон - мобилен телефон; реализиране на връзки между мобилни телефони и абонати на обществената комутируема телефонна мрежа; пълна съвместимост в национален и глобален мащаб; възможност за обслужване на много типове телефони (фиксирани - PSTN и ISDN, мобилни телефони, портативни) по едно и също време.

Многократно използване на честотите - за разлика от ведомствените мрежи, абонатите на обществената радио-комуникационна система са стотици милиони и практически може да се счита, че броят им е неограничен. Разговорите между тях трябва да са конфиденциални и да не си пречат. Задачата за свързването на два абоната се решава чрез комутация.

В автоматичните телефонни централи посредством комутацията се изгражда канал за връзка между свързващите се абонати. В мобилните мрежи, разговорът се транслира по носещи честоти. Тъй като за всеки дуплексен разговор са нужни две честоти (за всяка от посоките), то капацитетът на мрежата за едновременно водени разговори е половината от броя на предоставените носещи честоти.

Както е известно, радиоспектърът е силно натоварен с радиопрограми, телевизионни програми, ведомствени радиомрежи, чието разрастване стеснява още повече остатъчното честотно пространство. Честотните ленти, които могат да бъдат използвани за появилите се хронологически по-късно мобилни комуникации са в свръхвисокочестотния диапазон, малко са на брой и не могат да станат повече, тъй като честотите са силно ограничен природен ресурс. Когато абонатите са много, средствата за комуникация са малко, достъпът става труден. Често дава "заето" и се получават големи загуби на трафик. За да се преодолее този проблем, радиомрежите се организират като клетъчни системи.

В основата на клетъчните системи стои  т.нар. клетка на радиопокритие. В центъра на клетката се поставя базова станция за мобилни връзки (BS), която покрива с радиокомуникация кръг от земната повърхност, зависима от мощността на предавателя. Свръхвисокочестотните вълни се разпространияват по права линия, което поради закръглеността на земната повърхност, не позволява максималният радиус на покритие да надвишава 40-50 км.

Базовата станция излъчва сигнал, чиято амплитуда намалява с квадрата на разстоянието до станцията. Тя се явява център на област с приблизително кръгла форма, в която се оформят 3 зони с плаващи граници (фиг.9.3)

Зона на предаването - приемникът може да установи връзка с предавателя и сам може да работи като предавател

Зона на улавяне - в пределите на тази зона мощността на сигнала е достатъчна за отделянето му от фоновия шум и може да бъде уловено предаването, но грешките са твърде много за да се реализира сигурна връзка

Зона на шума - тук приемникът не е в състояние да улови получените сигнали, самият предавател създава шум, който смущава другите предаватели

За да се избегнат недопустими загуби на трафик, клетките се правят значително по-малки от теоретичното изчисленото ограничение от физическото разпространение на радиовълните. Намаляването мощността на предавателя води до намаляване размера на клетката, броят на абонатите в обсега ѝ също намалява значително, което позволява броят на предоставените ѝ честоти да е напълно достатъчен за качествено обслужване на комуникационния трафик. При очаквана голяма плътност на абонати, площта на клетката се снижава до радиус от няколко стотин до няколко десетки метра.

Клетъчната архитектура на мобилните мрежи позволява да се покрие голяма земна площ с много на брой частично припокриващи се клетки всяка от които използва един и същ общ честотен диапазон, но в съседни клетки, носещите честоти винаги са различни. Методът се нарича многократно използване на честотите и практическото му приложение се реализира с разработка на честотен план при проектирането на мобилната мрежа.

Необходимостта от частично припокриване на съседни клетки (за да няма необслужени пространства) установява формата на всяка клетка като правилен шестоъгълник. Тези съображения изискват мобилната мрежа да бъде изградена от до няколко хиляди базови станции за един мобилен оператор. В този контекст радиопокритието на земната повърхност от мобилната мрежа наподобява "пчелна пита" от огромен брой шестограмни клетки.

Решаващите преимущества на клетъчните системи с голям брой малки по размер и мощност клетки:

1. Когато две клетки не са в непосредствена близост помежду си, техните зони на шум (фиг.3.9) практически не се покриват, което позволява тези две клетки да работят на една и съща честота, която с помощта на пространствено уплътнение може да бъде използвана в много на брой различни, (несъседни) места покрити от мрежата.

2. При голяма плътност на абонатите (голям абсолютен брой), чрез намаляване радиуса на клетката до няколко десетки метра, техния относителен брой на една базова станция може да се поддържа в ниски граници (както е при клетки с голям радиус и малка плътност).

3. Инсталираната електрическа мощност на предавателите в базовите станции не е от първостепенна важност, но от съществено значение е мощността на предавателите в мобилните апарати. По-малките радиуси на покритие прави тези устройства много по-компактни, което в крайна сметка е едно от най-важните удобства за потребителя на услугата.

4. Клетъчните системи по същество са с разпределени параметри и големият брой на клетките ги прави много по-надеждни, тъй като излизането от строя на една базова станция няма катастрофални последици за целостта на мрежата, както би се случило при излизане от строя на мощен радиопредавател с голямо покритие.

Очевидно, за да не си пречат, носещите честоти могат да се повтарят минимум през клетка, когато сигналите им са достатъчно затихнали. Това води до образуване на конфигурация от 7 клетки (клъстер) във всяка от които задължително трябва да има честота, различна от честотите в останалите 6 клетки от клъстера (фиг.9.5а). Възможна и работеща конфигурация с по три клетки в клъстер (фиг.9.5.в)

Освен изброените съществени предимства, клетъчната архитектура от голям брой малки клетки има един основен недостатък - доста скъпа реализация. Значителното оскъпяване има две измерения:

1. Клетъчната концепция води до необходимост от добре развита и съгласувана система от голям брой базови станции, комутационни устройства, контролери, регистратори на местонахождението на станциите

2. При статистически доста по-честото преминаване на абоната от радиопокритието на една клетка в радиопокритието на друга клетка, връзката трябва да се прекомутира без това да я прекъсва и абонатът да ползва непрекъсната качествена услуга. Техническите реализации за обезпечаване на това важно изискване за качество също оскъпява системата.

Архитектура на GSM системата.

Блокова схема - системата има сложна йерархична структура (фиг.9.10).

GSM се състои от 3 подсистеми: радиовръзка (RSS), мрежи и комутации (NSS) и операционна система (OSS). Връзките между RSS и NSS се осъществяваt чрез интерфейс A, а тези на RSS и NSS с OSS - с интерфейс O

Интерфейс А функционира на базата на импулсно-кодовата модулация с комутация на каналите (2048 Mbit/s) като поддържа до 30 канала със скорост 64 Kbit/s.

Интерфейс O използва Сигнализция Nо7 (SS7). Тя се основава на предаване на управляваща информация през мрежа X.25 към подсистемата RSS.

Подсистемата за радиовръзка - RSS се състои от мобилни станции, базови станции и контролери BSC

Мобилната станция (мобилен апарат) - MS представлява мобилен терминал, който съдържа цялото потребителско оборудване и софтуер, необходими за свързването на MS мрежата с GSM:

• Независимо от абоната апаратно и програмно осигуряване, предавател с мощност 2W (GSM 900) или 1W (GSM 1800), схеми за опознаване на оборудването EI, за защита от кражби, телефонен и други видове интерфейс (компютърни радиомодеми, за технологиите IrDA или Bluetooth), и др.
• Модул за идентификация на абоната (SIM - Subscriber Identity Module), представлява персонална абонатна карта за всеки абонат, регистриран в мрежата на даден мобилен оператор. SIM картата съдържа всички индивидуални данни на потребителя (абонатен профил, такси и др.), идентификатори (No, тип на картата, списък абонаментни услуги, персонален идентификационен номер PIN, ключ за деблокиране PUC, ключ за автентикация K1 и международната идентификация на мобилното оборудване IMEI (International Mobile Equipment Identity).

Базовата станция BS отговаря за: поддръжката на радиовръзките с MS, кодиране и декодиране на канала, защита от грешки, криптиране с цел засекретяване на разговора, контрол на нивото на сигналите и качеството на обслужване, регулиране скоростта на предаване в безпроводната среда и др. Базовата станция е оборудвана с всички устройства за осъществяване на радиокомуникация - антени, усилватели, устройства за обработка на сигналите и др. Връзката ѝ с мобилната станция се осъществява посредством интерфейс U_m, а с контролерите - чрез A_bis . Базовата станция осигурява входна точка за множеството мобилни телефони, които са в покритието на клетката, разрешава им да отправят или приемат повиквания. Интерфейсът U_m, прилага всички методи (TDMA, CDMA), необходими за безжична връзка.

Контролерът за базовите станции (BSC) в GSM системата координира функциите на няколко базови станции. Той задава честотите, които могат да се използват от контролираните базови станции. Управлява превключването на разговора при пресичане границата между две клетки като уведомява базовата станция в клетката, която трябва да поеме разговора, както и мобилната станция за промяната. Връзката между базовите станции и контролера могат да бъдат реализирани по различни топологии - звезда, пръстен, каскада и др.

, параметри, физически и логически канали.