CC BY
1856
Спиридонов Н.А., Юрков Н.К.
ФГБОУ ВПО «РГУИТП»,г. Пенза
СИСТЕМЫ СОТОВОЙ СВЯЗИ, ПОСТРОЕНИЕ СЕТЕЙ И ИХ СТРУКТУРА
GSM - это сокращенное название системы сотовой связи - GlobalSystemforMobilecommunication .Сеть GSM условно относится ко второму поколению сетей, она пришла на смену аналоговым сетям, поэтому её принято обозначать как сеть 2G.
Всего используется 4 диапазона - 900 МГц/1800 МГц и 950МГц/1900 МГц. Разные диапазоны применяются в Европе и Азии и так же в Америке и части Африки.Ниже указаны частоты и длины рабочих волн в системах сотовой связи от мобильной станции до базовой (MS - BTS), и от базовой станции до абонента (BTS - MS),в стандартах GSM900/1800/1900(таблица 1).
Таблица 1 - Рабочие частоты и длины рабочих волн в системах мобильной связи стандарта GSM
900/1800/1900______________________________________________________
Стандарт GSM Частота, МГц Длина волны, см
MS - BTS BTS - MS MS - BTS BTS - MS
GSM 900 890 -915 935 - 960 32,8 - 33,7 31,2 - 32,1
GSM 1800 1710-1785 1805 - 1880 16,8 - 17,6 16,0 - 16,6
GSM 1900 1850 - 1910 1930 - 1990 15,7 - 16,2 15,1 - 15,6
Эти полосы частот разделены на два диапазона приема и передачи, причем каждая из этих полос делится на каналы по 200 кГц шириной, именно это накладывает свои ограничения на пропускную способность, так каналов оказывается 124 [1] .
Сама сеть условно делится на три элемента - мобильные станции, базовые станции и коммутационные центы мобильной связи, которые обеспечивают коммутацию соединений между абонентами.
Мобильная станция - это подвижная аппаратура и карта с интегральной схемой, включающая микропроцессор, которая называется модулем абонентской идентификации (SIMKSIM-карта обеспечивает при перемещении доступ пользователя к оплаченным услугам, независимо от используемоготерминала.С помощью записанной в SIM-карте информации, в результате взаимного обмена данными между мобильной станцией и сетью мобильной связиосуществляется полный цикл аутентификации и разрешается доступ абонента к сотовой связи. Вставляя SIM-карту в другой терминал GSM, пользователь может принимать вызовы, делать с него вызовы и получат прочие услуги. Существует международный опознавательный код для определения подвижной аппаратуры - IMEI (InternationalMobileEquipmentIdentity), в свою очередь SIM-карта содержит международный опознавательный код мобильного абонента IMSI (InternationalMobileSubscriberIdentity), который используется для идентификации абонента[2].
Сеть состоит из множества передатчиков и приемников, причем зоны приема и передачи частично накладываются друг на друга и перекрываются, что обеспечивает перемещение абонента из одной зоны в другую без потери связи. Чтобы такое перекрытие было возможным, соседние станции используют различные рабочие частоты.За счет повторного использования частот можно добиться высокой плотности трафика.
Современные сотовые терминалы и телефоныхоть и обладают достаточно хорошими антеннами, радиус их действия невелик, поэтому приходится размещать множество базовых станций, которые в свою очередь обслуживают небольшие расстояния, примерно от 400 метров до 50 километров, это зависит от характеристик оборудования, местности. Располагаются базовые станции в виде шестиугольника, чем-то напоминающего пчелиные соты, поэтому такое название и получил вид связи - сотовая связь, хотя в действительности они никогда не бывают строго геометрической формы.
Сота- область радиоохвата одного приемопердатчика одной базовой станции, сеть определяет каждую соту с помощью опознавательного кода глобального идентификатора соты (CGI), это номер, который присваевается каждой соте.В сотовой сети мобильной связи каждая из сот обслуживается своим передатчиком базовой станции с небольшой выходной мощностью(P < 50 Вт) и ограниченным числом каналов. В соседних сотах использовать одни и те же частоты невозможно, так как создавались бы значительные помехи между мобильными абонентами. Поэтому разработана концепция повторного использования частот, то есть в соседних сотах используются разные полосы частот, которые повторяются через несколько сот.
На рисунке ниже показано, как используются части одного и того же диапазона в соседних сотах. В сотеА (рисунок 1) используется какая то часть от полного диапазона, к примеру одна десятая. Тогда всоседней соте Вдолжна использоваться вторая десятая часть диапазона, потому что вблизи общей границы в двух смежных сотах не используются одни и те же частотные каналы.
Рисунок 1 - Принцип повторного использования частот
В третьей соте C, которая имеет общие границы с двумя первыми, используется третья десятая часть диапазона. В четвертой соте D, которая имеет общие границы с сотами АиС, но не имеющей общей границы с сотой В, можно вновь использовать ту же часть диапазона, что и в соте В, что на рисунке обозначено D^B. Группа сот, использующиеразные рабочие частоты называется кластером.
Чтобы увеличить абонентскую емкость, то есть число абонентов, обслуживаемыхв сети, компанией Motorola была разработана сотовая сеть с 12 группами несущих частот, в которых были применены 60° направленные антенны, в базовых станциях устанавливается 6 направленных антенн, главный лепесток
направленности которых излучает только в пределах 60° сектора (Рисунок 2) . Это позволило увеличить в 1,5 раза абонентскую емкость[3].
В системе GSM используется принцип временного разделения каналов с множественным доступом, при этом сигналы с базовой станции передаются на мобильную станцию и наоборот. Подсистема базовых станций состоит из двух видов оборудования - базовой приемопередающих станций (BTS) и контроллера базовой станции (BSC). Один контроллер, как правило, обслуживает 20-30 BTS. Первые сети имели одну базовую станцию, что означало малый охват территории и прочие недостатки, затем, когда стали применять технологию с множеством сот возникла проблема - как сделать так, чтобы абонент перемещался из одной соты в другую. Для решения этой проблемы в сотовой сети предусмотрен центр коммутации мобильной связи (MSC), который обеспечивает переключение установленного разговорного тракта при перемещении мобильного абонента из одной соты в другую, а так же подключение абонентов стационарной телефонной сети к конкретной BTS, в зоне действия которой находится абонент.
Для деления обслуживаемой территории на соты существуютдва основных способа - измерением статических характеристик распространения радиосигналов в системе связи и измерении или расчете параметров распространения радиосигнала для конкретного района. В случае, когда используется первый способ, вся обслуживаемая местность разделяется на одинаковые ячейки и с помощью методов статической радиотехники определяются их допустимые размеры и расстояния до других сот, в пределах которых выполняются условия взаимного влияния.Чтобы вся территория была покрыта сигналом без пропуска отдельных участков можноиспользоватьтолько три фигуры - треугольник, квадрат и правильный шестиугольник. На практике применяется шестиугольник, поэтому антенна с круговой диаграммой направленности BTS, установленная в центре обеспечивает доступ ко всем участкам соты.Границы сот имеют вид кривых, зависящих от характера и рельефа местности и как следствиеот условия распространения и затухания радиоволн.Сами границы не являются четко выраженными и определенными, так как на рубеже передачи обслуживания мобильной станции от одной соты в соседнюю, эти границы могут в некоторых пределах смещаться с изменением условий распространения радиоволн и в зависимости от направления движения мобильной станции. Сами мобильныестанции состоят из оборудования, предназначенного для доступа абонентов сети к другим существующим сетям связи.Всего в рамках стандарта GSM приняты 5 классов мобильных станций которые отличаются выходной емкостью, максимальная из них составляет 20 Вт. Во время передачи существует регулировка мощности передатчика базовой станции, которая обеспечивает качественную связь.
Для коммутации и содержания базы данных, обеспечения безопасности сети используется коммутационная подсистема NSS, основной функцией которой является управление процессами соединения мобильных абонентов сети GSM между собой и с абонентами фиксированной связи. Подсистема NSS состоит из центра коммутации мобильной связи. В сети GSM этот центр является главным, и в тоже время диспетчерским пунктом системы сотовой связи. Центр коммутации состоит из нескольких контроллеров (Рисунок 3) .
Рисунок 3 - Центр коммутации
Коммутатор необходим для переключения потоков информации между линиями связи, например, для направления информации от одной базовой станции к другой, или от базовой станции к сети фиксированной связи. Управление работой центра коммутации производится из центрального контролера [4].
Таким образом, рассмотрены принципы построения и организации работы сотовой связи, характеристики и методы доступа к сети, мобильные станции и базовые передатчики, принципы разделения каналов и множественного доступа.
ЛИТЕРАТУРА
1. World-mobile.net[Electronic resource]Access mode: http://www.world-
mobile.net/articles.php?pr1=100
2. А.Н. БерлинЦифровые сотовые системы связи. _М.:Эко-Трендз,2007. —15 c.
3. В.И. ПоповОсновы сотовой связи стандарта GSM . —М.: Эко-Трендз, 2005.—22 c.
4. М.В. РатынскийОсновы сотовой связи . —М.: Радио и связь, 1998. —29 с.
