Принципи функціонування систем стільникового радіозв’язку
У системах радіального або радіально-зонового УКХ-зв'язку, характерними представниками яких, зокрема, є широко відома транкінгова система «Алтай» та її модифікації, максимальна дальність дії залежить від потужності передавача, чутливості приймача та рівня шуму та обмежується необхідністю прямої видимості між антенами станцій Передавачі таких (і подібних до них) систем для забезпечення максимальної дальності зв'язку мають досить велику потужність. Кількість передавачів, що працюють у відведеній смузі частот, обмежена, тому що рознесення частот між сусідніми каналами має становити не менше 12, 5 кГц (для передачі повідомлень одного абонента потрібен один частотний канал).
У 70-ті роки було запропоновано новий принцип організації зв'язку, який дозволив збільшити кількість абонентів та підвищити якість зв'язку. Було запропоновано розбивати територію, що обслуговується, на невеликі ділянки, звані сотами, або осередками.
Поділ території, що обслуговується на стільники
Розділити територію, що обслуговується, на осередки (стільники) можна двома способами: або заснованим на вимірюванні статистичних характеристик поширення сигналів в системах зв'язку, або заснованим на вимірюванні або розрахунку параметрів поширення сигналу для конкретного району.
При реалізації першого способу вся територія, що обслуговується, поділяється на однакові за формою зони і за допомогою закону статистичної радіофізики визначаються їх допустимі розміри і відстані до інших зон, в межах яких виконуються умови допустимого взаємного впливу.
Для оптимального, тобто без перекриття або пропусків ділянок, поділу території на стільники можуть бути використані лише три геометричні фігури: трикутник, квадрат та шестикутник. Найбільшпідходящою фігурою є шестикутник, тому що, якщо антену з круговою діаграмою спрямованості встановлювати в його центрі, то буде забезпечений доступ майже до всіх ділянок стільники.
При використанні першого способу інтервал між зонами, в яких використовуються однакові робочі канали, зазвичай виходить більше, ніж необхідно для підтримки взаємних перешкод на допустимому рівні.
Більш прийнятний другий спосіб поділу на зони. У цьому випадку ретельно вимірюють або розраховують параметри системи для визначення мінімальної кількості базових станцій, що забезпечують задовільний обслуг
вання абонентів по всій території, визначають оптимальне місце розташування базової станції з урахуванням рельєфу місцевості, розглядають можливість використання спрямованих антен, пасивних ретрансляторів та суміжних центральних станцій у момент пікового навантаження тощо.
Повторне використання частот
Кожен із осередків обслуговується своїм передавачем з невисокою вихідною потужністю та обмеженою кількістю каналів зв'язку. Це дозволяє без завад використовувати повторно частоти каналів цього передавача в іншій, віддаленій на значну відстань, комірці. Теоретично такі передавачі можна використовувати і в сусідніх осередках. Але на практиці зони обслуговування сот можуть перекриватися під дією різних факторів, наприклад, внаслідок зміни умов поширення радіохвиль. Тому в сусідніх осередках використовуються різні частоти. Приклад побудови сотень при використанні трьох частот Fl-F3 представлений на малюнку.
Група сот з різними наборами частот називається кластером. Визначальним його параметром є кількість частот, що використовуються в сусідніх стільниках. Насправді це число може досягати п'ятнадцяти.
ОсновнийІдеєю, на якій базується принцип стільникового зв'язку, є повторне використання частот у несуміжних стільниках. Першим способом організації повторного використання частот, який застосовувався в аналогових системах мобільного мобільного зв'язку першого покоління, був спосіб, що використовує антени базових станцій з круговими діаграмами спрямованості . Він передбачає передачу сигналу однакової потужності в усіх напрямках, що з абонентських станцій еквівалентно прийому перешкод від усіх базових станцій з усіх напрямів.
Базові станції, на яких допускається повторне використання виділеного набору частот, віддалені одна від одної на відстань D, яка називається «захисним інтервалом» . Саме можливість повторного застосування тих самих частот визначає високу ефективність використання частотного спектра в стільникових системах зв'язку.
Сумежні базові станції, що використовують різні набори частотних каналів, утворюють групу зі станцій. Якщо кожної базової станції виділяється набір з m каналів із шириною смуги кожного Fk, то загальна ширина смуги, яку займає система стільникового зв'язку, складе Fc = Fk mС.
Таким чином, величина З визначає мінімально можливе число каналів у системі, тому її часто називають частотним параметром системи, або коефіцієнтом повторення частот. Коефіцієнт не залежить від числа каналів у наборі і збільшується в міру зменшення радіусу комірки. Таким чином, при використанні осередків менших радіусів є можливість збільшення повторюваності частот.
Застосування шестикутних осередків дозволяє мінімізувати ширину необхідного частотного діапазону, оскільки така форма забезпечує оптимальне співвідношення між величинами С і D. Крім того, шестикутна форма найкраще вписується в кругову діаграмуспрямованості антени базової станції, встановленої у центрі осередку.
Зупинимося докладніше щодо вибору розміру осередку (радіуса R). Ці розміри визначають захисний інтервал D між осередками, в яких ті самі частоти можуть бути використані повторно. Зауважимо, що величина захисного інтервалу D, крім перерахованих чинників, залежить також від допустимого рівня перешкод і умов поширення радіохвиль. У припущенні, що інтенсивність дзвінків у межах усієї зони однакова, осередки вибираються одного розміру. Розмір зони обслуговування базової станції, що виражається через радіус осередку R, визначає кількість абонентів N, здатних одночасно вести переговори на всій території обслуговування. Отже, зменшення радіусу комірки дозволяє не тільки підвищити ефективність використання виділеної смуги частот і збільшити абонентську ємність системи, а й зменшити потужність передавачів та чутливість приймачів базових та рухомих станцій. Це, у свою чергу, покращує умови електромагнітної сумісності засобів стільникового зв'язку з іншими радіоелектронними засобами та системами.
Ефективним способом зниження рівня перешкод може бути використання спрямованих секторних антен з вузькими діаграмами спрямованості. У секторі такої спрямованої антени сигнал випромінюється переважно в один бік, а рівень випромінювання у протилежному напрямку скорочується до мінімуму. Поділ сот на сектори дозволяє частіше застосовувати частоти в сотах повторно. Загальновідомий спосіб повторного використання частот в організованих таким чином стільниках заснований на застосуванні 3-секторних антен для кожної базової станції та трьох сусідніх базових станцій з формуванням дев'яти груп частот. У цьому випадку використовуються антени із шириноюдіаграми спрямованості 120њ.
Найвищу ефективність використання смуги частот і, отже, найбільше абонентів мережі, які працюють у цій смузі, забезпечує розроблений фірмою Motorola (США) спосіб повторного використання частот, у якому задіяні дві базові станції. При реалізації цього способу кожна частота використовується двічі в межах кластера, що складається із 4 осередків; базова станція кожної їх може працювати на 12 частотах, використовуючи антени з діаграмою спрямованості шириною 60њ.
Склад системи стільникового зв'язку
Будь-який з каналів стільникового зв'язку є пару частот для дуплексного зв'язку, тобто частоти базової і рухомий станцій рознесені. Це робиться для того, щоб покращити фільтрацію сигналів і виключити взаємний вплив передавача на приймач одного й того самого пристрою за їх одночасної роботи.
Алгоритми функціонування систем стільникового зв'язку
Іноді виникає ситуація, коли потік заявок на обслуговування, що надходить від абонентів мережі, перевищує кількість каналів, що є на всіх базових станціях, що близько розташовані. Це відбувається тоді, коли всі канали станцій зайняті обслуговуванням абонентів і немає жодного вільного і надходить чергова заявка на обслуговування рухомого абонента. І тут як тимчасова міра (до звільнення однієї з каналів) використовується принцип естафетної передачі всередині стільники. При цьому відбувається почергове перемикання каналів у межах однієї базової станції для забезпечення зв'язком усіх абонентів.
При організації роумінгу недостатньо провести лише технічні заходи щодо з'єднання різних мереж стільникового зв'язку. Дуже важливо вирішити проблему взаєморозрахунків.між операторами цих мереж.
Розрізняють три види роумінгу:
- автоматичний (саме з цією формою за кордоном зазвичай і пов'язують поняття роумінгу), тобто надання абоненту можливості вийти на зв'язок «у будь-який час у будь-якому місці»;
- Напівавтоматичний, коли абоненту для користування даною послугою в якомусь регіоні необхідно попередньо повідомити свого оператора
Існуючий обсяг послуг роумінгу багато в чому визначається активністю діяльності конкретних компаній, оскільки технічні проблеми, що при цьому виникають, у всіх приблизно однакові (хоча тут і можна відзначити стандарт GSM, в який можливість роумінгу була закладена спочатку). Перспективи розвитку цієї сфери послуг залежать від поширеності стандартів.
Наприклад, для створення єдиної мережі стандарту GSM в Україні, яка пропонує послуги роумінгу в національному масштабі, потрібна організація зв'язку з кожним регіональним оператором. Крім того, для передачі службових повідомлень необхідний як мінімум виділений цифровий канал зі швидкістю передачі інформації 64 Кбіт/с. Поки що, через недостатній попит на послуги рухомого зв'язку поза столицями та великими містами, для місцевих операторів нерентабельно тримати такий канал для невеликої кількості приїжджих.