CC BY
319
УДК 621.396
В. Н. Дмитриев, О. Н. Пищин, А. А. Сорокин Астраханский государственный технический университет
ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ЧАСТОТНОГО ПЛАНИРОВАНИЯ В СЕТЯХ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ НА ОСНОВЕ ПОДВИЖНЫ1Х БАЗОВЫ1Х СТАНЦИЙ
Введение
В настоящее время одним из важных направлений развития сетей сотовой связи становится расширение их зоны обслуживания путем покрытия территорий и акваторий, на которых количество абонентов может в течение года сильно изменяться, носить периодический характер или находиться на большом удалении от наземных сетей подвижной или стационарной связи (места отдыха в прибрежных зонах морей и океанов, морские трассы крупнотоннажных судов, места проведения регат, рыболовных и нефтегазовых промыслов, зоны спасательных мероприятий, маршруты междугородных железных и автодорог, авиатрассы и другие территории подобного назначения).
Известны решения по развертыванию систем связи в районах временного скопления абонентов. К ним можно отнести системы, предназначенные для обеспечения сотовой связью в горах [1]. Основной недостаток таких систем заключается в том, что сеть рассчитывается на максимальное число абонентов, которое достигается лишь в течение нескольких месяцев в году, в остальное время сеть простаивает. Другим примером может служить применение быстроразвертываемого оборудования [2], при помощи которого абоненты обслуживаются в течение какого-либо мероприятия. Недостатком этого способа является создание специфичных систем связи на каждый случай, что увеличивает стоимость развертывания и обслуживания сети подобного назначения.
Альтернативным решением для систем связи с фиксированными базовыми станциями (БС) может служить предложение перемещать БС и соответственно соту сухопутной системы сотовой связи вместе с группой абонентов. Однако такое предложение сопряжено с необходимостью разработки способов частотно-территориального планирования и решения задач электромагнитной совместимости.
Постановка задачи
В работе рассмотрены принципы частотного планирования и электромагнитной совместимости для использования подвижных БС в сетях сухопутной сотовой связи.
Главной задачей частотно-территориального планирования систем подвижной радиосвязи фиксированной радиослужбы является назначение всем трансиверам сотовой сети таких частот передачи и приема, чтобы исключить или предельно уменьшить уровень взаимных помех и обеспечить потребный трафик нагрузки на заданной территории с требуемым уровнем качества связи [3].
Принципиальная задача не изменяется и в случае использования радиоэлектронных средств подвижной радиосвязи подвижной (не фиксированной) радиослужбы, т. е. тогда, когда используются не только подвижные абонентские радиостанции, но и в случае подвижности БС [4]. Исходя из основного принципа частотного планирования, учитывающего конкретное взаимное расположение излучателей и диаграмм направленности антенн, взаимодействующих приемопередающих средств, для подвижной радиослужбы возможно осуществить частотное планирование следующим образом.
Одним из вариантов решения поставленной задачи может являться применение динамического частотного плана. Данный вариант назначения частот предполагает наличие для подвижного радиоэлектронного средства (РЭС) разрешения главного радиочастотного центра (ГРЧЦ) на значительное количество номиналов частот (или даже всей полосы частот, выделенной для оператора). Такой объём номиналов частот позволит свободно перемещаться по территории оператора, изменяя назначения частот в автоматическом режиме.
Возможность автоматического изменения назначенных частот существует под управлением контроллера в режиме FH (Frequency Hopping - режим псевдослучайной перестройки рабочей частоты), отслеживающего интерференцию на частотных каналах подвижного РЭC и своевременно, при заданных параметрах отношения сигнал/помеха, изменяющего номиналы рабочих частот (рис. 1).
Ґ6 8ІҐ22 24І
Ґ4 ЗбТЗО ЗЇИ$Г 18І
I © I I
,/Х32 |27 /*25 Ґ21 23Ї12 5І
©
Рис. 1. Изменение номиналов рабочих частот при перемещении БС по территории оператора
В системах сотовой связи (ССС) используются радиоволны дециметрового диапазона, которые сильно отражаются от окружающих объектов и подстилающей поверхности. Это приводит к многолучевому распространению радиосигнала. Сложение в точке приема радиоволн, пришедших разными путями и имеющих соответственно разные фазы, но сравнительно одинаковые мощности, вызывает усиление результирующего сигнала (до 10 дБ) или, что чаще, ослабление (до 30 дБ). Искажения результирующего сигнала обусловливают межсимвольную интерференцию. Колебания среднего уровня сигнала называются замираниями. Они бывают быстрыми (релеевскими) и медленными. Опасность представляют первые. Именно для борьбы с реле-евскими замираниями используют разнесенный прием и медленные скачки по частоте (Slow Frequency Hopping).
Данный прием можно использовать и в случае реализации проекта подвижной БС. Реализуемая в GSM (Global System for Mobile communication) цифровая обработка сигнала позволит при движении объекта с БС снизить требуемое отношение сигнал/шум на входе приемника до 9 дБ.
Для оценки качества сигнала по разговорному каналу постоянно передается пилот-сигнал и измеряется соотношение сигнал/шум по мощности или сигнал/помеха с помощью специальных измерительных приемников. При уменьшении величины до значений ниже порогового уровня, что может обусловливаться выходом абонентской станции (АС) из зоны действия БС, замираниями сигнала, а также рядом других причин, включая интерференцию, под управлением контроллера происходит выбор зоны с максимальной величиной и переключение АС на новый канал (осуществляется эстафетная передача сигнала) [3].
Таким образом, контроллер, сравнивая результаты интерференции между подвижной БС и несколькими фиксированными БС, управляет изменением частотного канала на подвижной БС, имеющей значительно большее количество разрешённых для эксплуатации номиналов частот по сравнению со станциями, имеющими фиксированное местоположение.
Другим вариантом может служить применение частотного коридора. Частотным коридором называется частотно-территориальный план, который подразумевает определённый маршрут перемещения подвижной БС, на территории которого номиналы частот, закреплённые за подвижной БС, обеспечивают требуемое отношение сигнал/помеха на всём пути следования среди других БС фиксированной службы.
Это означает, что по всей территории маршрута движения (коридора) номиналы частот фиксированных БС не должны совпадать с номиналами частот, назначенных на подвижной БС, и, более того, номиналы соседних частот, используемые на БС с фиксированным местоположением, также должны обеспечивать достаточное отношение основного сигнала к помехе по соседнему каналу (рис. 2).
В случае же, когда территория передвижения не освоена операторами сотовой связи (большие неосвоенные территории, территории разработки полезных ископаемых, морские пути), т. е. когда необходима организация временной подвижной сотовой радиосвязи в районах, где отсутствуют коммуникации связи, единственным способом организации каналов передачи цифровой информации могут служить линии космической связи.
Рассмотрим процесс регулирования частотных назначений на подвижном объекте (морском судне). Движение судна в одиночном плавании на разрешённых частотах, в условиях отсутствия воздействия аналогичных РЭС, происходит в условиях отсутствия паразитной интерференции. В этом случае назначение частот ГРЧЦ РФ происходит с учётом международных требований по согласованию использования радиочастотного ресурса тех стран, в чьих территориальных водах проходит маршрут морского судна.
Однако при приближении судна к береговой черте, где местный оператор уже имеет стационарную сеть сотовой подвижной радиосвязи, существуют два варианта использования выделенного частотного ресурса.
Первый - это согласование использования частот в прибрежной части порта, позволяющее не приносить помех действующей сети и работать на полной или пониженной мощности, по разрешению на эксплуатацию РЭС на основании международного согласования.
Второй - это выключение БС в зоне радиовидимости береговой связи (за 5-15 км от берега) для невнесения помех сети местной сотовой подвижной радиосвязи. В данном случае подвижная связь будет осуществляться посредством международного роуминга.
Ввиду того, что по морским путям ходит большое количество судов, паромов и других видов водного транспорта, необходимо согласовывать использование частот каждого РЭС на таком водном транспорте с частотными планами фиксированной и подвижной служб как внутри государства, так и на международном уровне, а также использование РЭС между подвижными радиочастотными службами как внутри государства, так и на международном уровне.
Еще один вариант, позволяющий «разрубить гордиев узел» с частотным планированием в сетях связи с использованием подвижных БС, - это развитие и применение для организации сотовой связи на подвижных отдаленных объектах стандарта DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications), в котором отсутствует необходимость частотного планирования [5]. В ноябре 1999 г. на встрече в Хельсинки Международный союз электросвязи (МСЭ) утвердил стандарт DECT в качестве одного из пяти радиоинтерфейсов для системы мобильной связи третьего поколения [6].
Вместо частотного планирования в данном стандарте используется механизм непрерывного динамического выбора и распределения каналов. Принцип действия этого механизма заключается в том, что каналы выбираются динамически из всего набора каналов по таким показателям, как качество прохождения сигнала и уровень помех, причем канал не закрепляется за
соединением на все время, он может меняться по мере необходимости. Происходит это следующим образом. Каждая БС непрерывно сканирует приемные таймслоты всех 120 каналов, измеряет уровень принятого сигнала (RSSI - Received Signal Strength Indicator) и выбирает канал с минимальным уровнем (свободный канал без помех). При этом канал не закрепляется за соединением на все время, он может меняться по мере необходимости. В этом канале БС излучает служебную информацию, которая, в числе прочих, содержит данные для синхронизации АС; об идентификаторе системы; о возможностях системы; о свободных каналах [5, 7].
Анализируя эту информацию, АС находит свою БС и прописывается к ней. При выходе из зоны действия одной БС происходит поиск следующей. Таким образом, АС всегда прописан к той или иной БС своей или дружественной системы. Далее АС синхронно с БС начинает непрерывно сканировать все 120 приемных таймслотов и измерять силу сигнала в каждом из них. Номера каналов с наименьшими RSSI заносятся в память. Одновременно в памяти находится не менее двух таких каналов. Таким образом, выбор канала для установления соединения происходит динамически и только по инициативе и под управлением АС. Этот механизм называется непрерывным динамическим выбором канала [7].
Возможности DECT по динамическому выбору и распределению каналов позволяют использовать наилучший канал и, как следствие, сосуществовать нескольким системам в одной и той же полосе частот, при сохранении в каждой из них высокого качества и безопасности связи. Дополнительно этот механизм позволяет увеличить емкость трафика системы за счет минимизации каналов с несколькими путями распространения. Особенно это важно там, где происходит многократное отражение радиосигнала от стен помещения (в данном случае внутренние помещения таких объектов, как корабль, буровая платформа представляют собой металлические конструкции со сложной внутренней планировкой) [7].
Еще одним преимуществом стандарта DЕCT является возможность доступа в любые сети. Например, профиль GIP (DECT/GSM Interworking Profile) описывает способ подключения сетей DECT к сети GSM. При этом сеть GSM воспринимает DECT как систему БС. Использование этого профиля обеспечивает два преимущества. Во-первых, появляется возможность строительства мобильных сетей DECT на основе наземной инфраструктуры сетей GSM. При этом снижаются затраты на создание инфраструктуры сетей DECT, поскольку сети GSM имеют практически глобальное распространение и постоянно увеличивают охват территорий. Во-вторых, для операторов сетей GSM появляется возможность использовать мобильные терминалы, поддерживающие стандарты GSM и DECT с целью увеличения трафика, т. к. сети DECT поддерживают высокую плотность трафика. Сети, построенные на основе DECT и GSM, обладают такими качествами, как высокая плотность трафика для малоподвижных абонентов в местах их наибольшего скопления за счет подсистемы базовых станций DЕCT, большая площадь радиопокрытия и высокая мобильность за счет подсистемы базовых станций GSM.
Другие два способа взаимодействия сетей GSM и DEСТ - это взаимодействие через сети ISDN (Integrated Services Digital Network). Первый из них ориентирован на доступ к услугам сети ISDN посредством стандартного терминала DECT. При этом со стороны сети ISDN терминал DECT виден как обычный терминал ISDN с соответствующими возможностями. Второй используется для подключения стандартного терминала ISDN к сети ISDN посредством радиоинтерфейса DECT [8].
Основным условием реализации вышеперечисленных принципов создания сети, в основе функционирования которой будут подвижные БС, должна быть связанность системы - для установления соединения между абонентом, находящимся на подвижном объекте, и любым другим абонентом должен существовать маршрут между БС, которые их обслуживают [9]. Эта задача решается способом, суть которого заключена в том, что передача информации между объектами может быть осуществлена по виртуальным каналам, организованным при помощи радиорелейных линий связи между ними [10]. Радиорелейные линии проходят через промежуточные подвижные и стационарные узлы коммутации, расположенные на подвижных и стационарных объектах, находящихся на обслуживаемой акватории или территории. Управление сетью должно осуществляется из центрального контроллера сети, который постоянно отслеживает расположение промежуточных узлов коммутаций (БС с ретрансляторами), через которые проходит канал связи, и в случае необходимости производит перепланировку маршрута.
Заключение
Положительный эффект от использования подвижных БС обусловлен расширением зоны действия наземной сухопутной системы связи в местах, где количество абонентов может в течение года может сильно изменяться, носить периодический характер или находиться на большом удалении от наземных сетей подвижной или стационарной связи.
Для решения задач частотного планирования возможно использование принципов динамического частотного плана, частотного коридора или применение стандарта DECT с системами и протоколами согласования с сотовыми сетями стандарта GSM.
Внедрение систем связи с подвижными БС расширит зону покрытия существующей сети сотовой связи.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Информация для туристов / http://tuapse24.ru/sota.html.
2. Принята на «вооружение» новая передвижная базовая станция NTT DoCoMo для экстренных случаев / http://www.onliner.ru/news/23.i0.2005/i i.3S/print.
3. Маковеева М. М. Системы связи с подвижными объектами: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 2002. - 440 с.
4. Сорокин А. А. Анализ и исследование возможностей организации сотовой связи на подвижных удаленных объектах // Мобильные системы передачи данных: Материалы Рос. школы-конф. - М.: МИЭТ, 200б. - С. i05-i07.
5. Широкополосные беспроводные сети передачи информации / В. М. Вишневский, А. И. Ляхов,
С. Л. Портной, И. В. Шахнович. - М.: Техносфера, 2005. - 592 с.
6. Что такое DECT? / http://www.scalatelecom.ru/icp/text.asp?Id=44.
7. Динамический выбор и динамическое распределение канала (CDCS/CDCA) стандарта DECT / http://www.prodect.ru/prodect_cdcs.html.
S. DECT-системы, профили приложений DECT / http://www.prodect.ru/prodect_appendix.html.
9. Майника Э. Алгоритмы оптимизации на сетях и графах. - М.: Мир, i98i. - 324 с.
10. Способ мобильной связи между подвижными и стационарными объектами: Заявка на пат. № 200бi277бi/09(030i54) от 3і.07.2006 / Дмитриев В. Н., Сорокин А. А.
Статья поступила в редакцию 26.i2.2006
ORGANIZATION PRINCIPLES OF FREQUENCY PLANNING IN MOBILE COMMUNICATION NETWORKS ON MOVABLE BASE STATIONS
V. N. Dmitriev, O. N. Pishchin, A. A. Sorokin
Organization principles of frequency planning in mobile communication networks on movable base stations of standards GSM and DECT are considered in the paper. Main technological difficulties, which may occur during the realization of these principles, are revealed there.
2ii
