Архитектура сотовых систем

В основе построения сотовых систем мобильной связи лежит принцип разделения обслуживаемой территории на зоны, или соты. Архитектура сети сотовой связи приведена на рис. 1.2 [4].

В каждой соте устанавливается приемопередающая станция (ППС) (Вase Tranceiver Station, BTS), управляемая контроллером. Приемопередающая станция и контроллер образуют функциональную единицу – базовую станцию (БС) (Base Station, BS), осуществляющую связь с мобильными станциями (МС) (Mobile Station, MS). Как правило, один контроллер базовой станции (КБС) (Base Station Controller, BSC) управляет несколькими приемопередатчиками базовых станций.

Подсистема базовых станций (ПБС) (Base Station Subsystem, BSS), или, иначе, сеть базовых станций включает базовые ППС и КБС. Таким образом, радиопокрытие ПБС делится на соты, каждая из которых покрывается одной БС. При этом ППС управляет протоколами радиосвязи с мобильными абонентскими

Рис. 1.2. Архитектура сети сотовой связи

станциями, в то время как КБС управляет ресурсами одной или нескольких ППС, обеспечивая предоставление радиоканалов и частот, управление эстафетной передачей (handover), т.е. переключением каналов связи при переходе МС в активном состоянии из зоны действия одной БС в зону действия другой. КБС также осуществляет взаимодействие между MС и центром коммутации мобильной связи (ЦКМС) (Mobile Switching Centre, MSC), который является основным элементом сетевой подсистемы (Network Subsystem, NSS), или, иначе, транспортной сети (ТС).

В общем случае сотовая топология включает абонентские сети (если предусмотрена возможность работы абонентских станций напрямую без использования базовых станций, например, ведомственные сотовые системы мобильной связи), ПБС и ТС.

Сотовая топология имеет ряд важных достоинств. Во-первых, более эффективно используется частотно-временной ресурс: одни и те же радиоканалы можно использовать в разных сотах, находящихся друг от друга на некотором расстоянии.

Во-вторых, можно применять передатчики меньшей мощности как на базовых (БС), так и на мобильных (МС) станциях. Работа в таком режиме позволяет экономно расходовать источники питания МС и уменьшать массогабаритные параметры абонентских терминалов.

В-третьих, сотовая топология позволяет эффективно формировать зону обслуживания сети в соответствии с особенностями местности, распределением уровня электромагнитного поля и плотностью размещения мобильных абонентов.

Однако сотовая топология сети требует контроля за перемещением абонентов, работающих в режиме ожидания (дежурном приеме) и в активном режиме (прием-передача сообщений). Эти задачи и ряд других возлагаются на ЦКМС, который обеспечивает:

q хранение системной информации о МС;

q регистрацию и идентификацию МС;

q обновление информации о местонахождении МС;

q эстафетную передачу;

q подключение каналов стационарных (фиксированных) сетей общего пользования к конкретной БС;

q связь МС внутри радиосети без обращения к сетям общего пользования.

Контроль за перемещением абонентов в режиме ожидания необходим, если номер мобильного абонента передается по каналу вызова не всеми БС сети, а только группой БС, покрывающей зону поиска абонента в данный момент времени.

Контроль за перемещением абонентов в активном состоянии необходим для обеспечения эстафетной передачи абонентов с минимальными перерывами связи и может осуществляться по уровню сигнала в специальном контрольном канале. Если отношение сигнал/шум в контрольном канале станет меньше порогового, принимают решение о переключении МС на другую БС или об изменении уровня мощности передатчиков соответствующих МС и БС.

Эти услуги реализуются с помощью специальных функциональных элементов:

q регистров справочных данных (РСД) (Home Location Register, HLR), в которых хранятся справочные данные постоянно зарегистрированных в сети абонентов:

q визитных регистров положения (ВРП) (Visitors Location Register, VLR) – сетевой базы данных, в которой хранятся сведения о перемещениях абонентов.

Указанные фукциональные элементы входят в ТС и работают совместно с ЦКМС. Доступ к этим фукциональным элементам возможен по сети общеканальной сигнализации SS7 (Signalling System №7).

Существуют четыре типа хэндоверов, используемых соответственно в зависимости от следующих ситуаций:

q каналы связи находятся в одной и той же ячейке (соте или секторе);

q соты находятся под управлением одного и того же контроллера КБС;

q соты находятся под управлением различных контроллеров КБС, которые управляются одним ЦКМС;

q соты находятся под управлением различных КБС, которые в свою очередь управляются различными ЦКМС.

Первые два типа хэндовера («внутренние») используют только один КБС. Они управляются этим КБС, и при этом ЦКМС лишь уведомляется о завершении процедуры хэндовера.

Третий и четвертый типы хэндовера («внешние»), соответствующие двум оставшимся типам ситуаций, совершаются под управлением ЦКМС.

Инициатором начала процедуры хэндовера может быть сама МС при переходе из одной соты в другую, либо ЦКМС для сохранения баланса нагрузки сети.

Когда мобильный абонент переходит из зоны обслуживания одного ЦКМС в зону обслуживания другого, происходит процедура роуминга (roaming). При роуминге перемещение МС регистрируется, и системная информация о данной МС передается на визитируемый ЦКМС.

Данная концепция позволяет строить сотовые сети, состоящие из совокупности ЦКМС, каждый из которых управляет работой нескольких КБС.

Общее управление и контроль за работой сети осуществляется с помощью Центра управления и обслуживания сети (ЦУС) (Operation and Maintenance Centre, ОМС).

Принцип построения сотовых сетей, как уже отмечалось, позволяет снизить дефицит радиочастот за счет их повторного использования. Быстрое затухание радиоволн на многочисленных препятствиях на трассе распространения (здания, холмы, деревья и т. д.) позволяет применять одни и те же частоты в различных сотах сети, отстоящих друг от друга на определенном расстоянии.

Группу примыкающих друг к другу сот, в пределах которой повторное использование одних и тех же частот недопустимо из-за превышения порогового уровня взаимных помех, называют частотным кластером. В общем случае сеть сотовой связи строят, повторяя одни и те же частотные кластеры в пределах зоны обслуживания сети.

Повышение эффективности системы требует максимального повторного использования радиочастот. Для того чтобы сделать это, не уменьшая радиусы сот и мощности передатчиков БС, применяют секторизацию сотс помощью направленных антенн. Ширина диаграммы направленности (ДН) антенны соответствует угловому размеру сектора. Как правило, в мобильной сотовой связи используют антенны с шириной ДН 120° (трехсекторные соты), реже с шириной ДН 60° (шестисекторные соты). Благодаря разделению сот на секторы увеличивается абонентская емкость сети.

Таким образом, частотный кластер состоит из сот, каждая из которых может иметь т секторов. Размерность кластера в этом случае определяется как , где число секторов в частотном кластере. На практике широко применяют кластеры размерности (3, 9), (4, 12), (7, 21) (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Вид секторированных частотных кластеров размера (4,12) (а) и (7,21) (б)

Чем выше спектральная эффективность системы, тем меньших размеров кластеры можно использовать. В аналоговых системах сотовой связи обычно используют кластеры (7, 21), в цифровых системах – (3, 9), (4, 12). Это объясняется тем, что помехоустойчивость цифровых систем выше, чем аналоговых, и они могут обеспечить заданное качество связи при большем уровне взаимных помех.

Автоматическое регулирование мощности(АРМ) передатчиков МС и БС позволяет уменьшить уровень внутрисистемных помех, увеличить пропускную способность сети и эффективно варьировать размеры сот в зависимости от плотности размещения абонентов в зоне обслуживания сети. Например, при увеличении плотности размещения абонентов от периферии к центру целесообразно увеличивать радиусы сот в направлении от центра к периферии. Это позволит уменьшить количество БС в сети за счет более эффективного их использования.

Решение об изменении мощности передатчиков принимается на основании измерений уровня сигнала в специальном контрольном канале и отношения сигнал/шум в канале трафика. Высокая точность и быстродействие АРМ современных систем сотовой связи позволяют также эффективно бороться с медленными и быстрыми замираниями сигналов.

Изменение размеров сот в пределах одной сети называют расщеплением coт (cell splitting). На рис. 1.4 показана топология сети с расщеплением сот. Как видно из рисунка, при использовании расщепления возможно два типа сот: с одинаковыми секторами («большие» и «малые» соты) и с разными секторами («переходные» соты).

Рис. 1.4. Топология сети с расщеплением сот

В целях максимально эффективного использования частотного ресурса в сетях мобильной радиосвязи применяют динамическое распределение каналов, когда рабочие каналы закрепляют не за абонентами, а за вызовами. По мере поступления заявок на установление соединения абонентам в соответствии с приоритетом и очередностью выделяют свободные рабочие каналы. По мере их освобождения банк свободных рабочих каналов вновь пополняется.