Системы сотовой радиотелефонной связи

Появление сотовой связи было связано с необходимостью создания широкой сети подвижной радиотелефонной связи в условиях достаточно жесткого ограничения на доступные полосы частот. В настоящий момент сотовая связь используется более чем в 140 странах мира на всех континентах земного шара. Россия тоже вошла в число стран, использующих сотовую связь. В России сотовая связь начала внедряться с 1990 г., ас 1991 г. началось ее коммерческое использование. В настоящий момент в России насчитывается около 188 миллионов абонентов (на конец 2009 г. — 188 млн.).

Несмотря на то, что сотовая связь существует около 30 лет, можно выделить три периода ее развития, которые определяются не только количественными характеристиками, но и качественными изменениями. Такое разделение осуществляется с достаточной степенью условности, но тем не менее можно выделить три поколения систем сотовой связи: аналоговые системы; цифровые системы; универсальные системы (системы будущего).

К первому поколению сотовой связи, или стандартам, относятся аналоговые системы, которые в настоящее время заменяются на цифровые системы.

Для дальнейшего развития и распространения сотовой связи шел поиск и велась разработка более совершенных технических решений, что привело к появлению на свет цифровых сотовых систем — систем второго поколения на основе стандарта GSM. В цифровых системах сигналы передаются в цифровом коде. Цифровая обработка сигналов обеспечила возможность совершенствования методов множественного доступа, увеличения емкости системы, улучшения качества связи.

Рассмотрим более подробно GSM. GSM (Global System for Mobile Communications), глобальная система обеспечения мобильной связи. Стандарт GSM принят более чем в 60 странах. В настоящее время использует частотные диапазоны 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц. В России стандарт GSM является федеральным стандартом связи, получившим широкое распространение благодаря удобству и универсальности.

Чтобы понять принцип организации сотовой связи необходимо знать следующее:

- для каждого частотного диапазона (900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц) выделена полоса частот в пределах которой работает мобильный телефон и каждый телефон работает на одной фиксированной частоте в пределах этой полосы. Например, рабочий диапазон частотного диапазона 900 МГц находится в пределах от 850 МГц до 900 МГц. Один «мобильник» МТ1 работает на частоте 855 МГц, второй МТ2 на частоте 856 МГц, третий МТ3 на частоте 857 МГц и т.д. На одной и той же частоте в пределах частотного диапазона «мобильники» работать не должны, так как иначе они будут мешать друг другу. Каждый «мобильник» по частоте должны отстоять друг от друга как минимум на ширину передаваемого звукового диапазона (диапазон звука голоса), а именно (0, 02 МГц). Графически это изображено на Рис.1.

Таким образом, в этом диапазоне частот (850-900 МГц) мы не можем иметь бесконечное количество телефонов. Выделенный диапазон составляет приблизительно 50 МГц = 50000 КГц, делим это значение на 20 КГц (такую полосу частот занимает один телефон) и получаем, что в выделенном диапазоне одновременно может работать не мешая друг другу всего 2500 «мобильников».

- Дальность действия мобильного телефона с учетом требований безопасности для здоровья составляет от 1 до 3 км. Чтобы два мобильных телефона, расположенных на расстоянии 10 км, могли друг друга «услышать», необходимо установить промежуточные радиотехнические системы (ретрансляторы), которые будут усиливать сигнал и передавать его друг другу. Следовательно на дистанции в 10 км необходимо установить 3-5 ретрансляторов (Рис.2). " Мобильник" МТ1 передает сигнал " мобильнику" МТ2; " мобильник" МТ2 его не уловит, так как они расположены далеко друг от друга. Ретранслятор 1 уловит " мобильник" МТ1 и передаст в эфир. Этот сигнал уловит рядом стоящий Ретранслятор 2 и тоже передаст его в эфир. Но в зоне Ретранслятора 2 находится " мобильник" МТ2 и таким образом произойдет обмен сообщениями.

Следовательно, с каждым ретранслятором на расстоянии до 1 - 3 км может работать одновременно 2500 мобильных телефонов. Чтобы с соседним ретранслятором могло одновременно работать тоже 2500 " мобильников", необходимо чтобы этот рентраслятор уже работал в сетке другого частотного диапазона, т.е. на частотах 900-950 МГц. А вот следующий за вторым рентраслятором уже может работать в диапазоне первого рентраслятора, т.е. 850-900 МГц, так как " мобильники" в зоне этого рентраслятора уже ввиду своей малой мощности не достанут до первого рентраслятора. Для покрытия целого города и обеспечения одновременной работы большого количества телефонов (в рассматриваемом примере как минимум 5000 телефонов) требуется по вышеописанному принципу расставить множество рентрансляторов.

Система сотовой связи представляет собой совокупность ячеек, покрывающих обслуживаемую территорию. Обычно ячейки схематично изображают в виде правильных шестиугольников, которые похожи на пчелиные соты (Рис.3.), что и послужило поводом назвать данную систему сотовой. Каждая сота обслуживается своим радиооборудованием. Причем число абонентов, обслуживаемых данной сотой, не является постоянной величиной, поскольку абоненты могут перемещаться из одной соты в другую. При пересечении границы соты абонент автоматически переходит на обслуживание в другую соту, т.е. подключается к ближайшему ретранслятору. В центре каждой ячейки (понятие «центр» тоже носит условное значение) находится базовая станция, которая обслуживает всех абонентов, находящихся в данной ячейке.

Основным принципом сотовой связи является принцип повторного использования частот (frequency reuse), который позволяет эффективнее использовать выделенный частотный диапазон и обеспечивает высокую емкость системы. Идея повторного использования частот заключается в том, что в соседних (касающихся друг друга) ячейках системы используются разные полосы частот, а через ячейку или несколько ячеек эти полосы частот повторяются. Этот принцип позволяет охватить сколь угодно большую зону обслуживания при ограниченной общей полосе частот выделенной для сотовой телефонии.

Все базовые станции системы соединяются с центром коммутации, который, в свою очередь, имеет выход во взаимосвязанную сеть связи (ВСС) России.