Глава 2

СЯ диапазона, к оптимизации его использования и соответственно к повышению емкости системы связи. Этим вопросам посвящена значительная часть раздела: мы рассмотрим принцип повторного использования частот - основной принцип сотовой связи (разд. 2.4.2), различные методы множественного доступа (разд. 2.4.3), а также некоторые дополнительные возможности повышения емкости системы (разд. 2.4.3.5). Здесь же мы рассмотрим цифровые методы обработки сигналов (разд. 2.4.4), поскольку более совершенные методы множественного доступа требуют цифровой реализации. Вопросы оценки емкости системы мы рассмотрим в разд. 2.5.

Второе обстоятельство, следующее из данных табл. 2.4: ис пользуемые в сотовой связи полосы частот относятся к дециметр ровому диапазону. Как известно, дециметровые радиоволны распространяются в основном в пределах прямой видимости; дифракция на этих частотах выражена слабо, а молекулярного поглощения и поглощения в гидрометеорах (снег, дождь) практически нет. Однако близость подстилающей поверхности и наличие препятствий (зданий), особенно в условиях города, типичных для применения сотовой связи, приводит к появлению отраженных сигналов, интерферирующих между собой и с сигналом, прошедшим по прямому пути. Это явление называют многолучевым (или многопутевым) распространением сигналов.

Отражение от подстилающей поверхности при определенных условиях приводит к тому, что мощность принимаемого сигнала убывает пропорционально не второй степени расстояния между) передатчиком и приемником, как при распространении в свобод- ном пространстве, а пропорционально четвертой степени этого расстояния, т.е. напряженность поля убывает пропорционально квадрату расстояния («квадратичная» формула Введенского). Интерференция нескольких сигналов, прошедших различными путями, вызывает своеобразное явление замираний результирующего сигнала, или фэдинга (английский термин fading), при котором интенсивность принимаемого сигнала изменяется в значительных пределах при перемещении подвижной станции. Кроме того, возникают искажения, являющиеся следствием наложения нескольким соизмеримых по интенсивности сигналов, смещенных один отно сительно другого во времени, которые могут приводить к oшибкa в принимаемой информации. Наконец, сложность картины многолучевого распространения существенно затрудняет расчет интенсивности сигналов в функции удаления от базовой станции, а такой расчет необходим для корректного проектирования системы. Поэтому практически при проектировании приходится использо вать полуэмпирические модели распространения радиоволн, опи рающиеся на конкретные результаты экспериментальных измер НИИ. Эффекты многолучевого распространения и методы борьб- ними мы рассмотрим подробнее в разд. 2.4.5, а с принцип; проектирования систем сотовой связи познакомимся в разд. 2.6

Пришдипы построения и технические проблемы

2.4.2. Принцип повторного использования частот

Повторное использование частот (английское frequency reuse) - это основной принцип системы сотовой связи, радикально отличающий ее от других, в частности - от транковых систем подвижной связи, и позволяющий существенно (теоретически - до бесконечности) повышать емкость системы. Идея повторного использования частот заключается в том, что в близких одна относительно другой ячейках системы используются разные полосы частот, а через несколько ячеек эти полосы повторяются, что выгодно уже само по себе, так как позволяет при ограниченной общей полосе частот охватить системой сколь угодно большую зону обслуживания. Это оказывается выгодно вдвойне, если учесть возможность повышения емкости системы за счет того или иного варианта дробления ячеек, к чему мы вернемся несколько ниже.

Рассмотрим пример. Пусть в некоторой ячейке а (рис.2.20) используется какая-то часть от полного диапазона частот, выделенного системе сотовой связи, например, для определенности, одна десятая. Тогда в соседней с ней ячейке в должна использоваться вторая десятая часть диапазона, поскольку вблизи общей границы в двух смежных ячейках нельзя использовать одни и те же частотные каналы. Из тех же соображений в ячейке с придется использовать третью десятую часть диапазона. Но уже в ячейке d, имеющей общие границы с ячейками а и с, но не граничащей с ячейкой в, вновь может быть использована та же десятая часть диапазона, что и в ячейке в, что условно обозначено d->b.

Аналогичные соображения справедливы для ячеек Е, F, G, Н, так что в итоге мы приходим к трехъячеечной схеме повторения частот, или к структуре системы, состоящей из 3-ячеечных (3-эле-ментных) кластеров. Такая структура схематически представлена на рис. 2.21, причем одинаковыми цифрами обозначены ячейки, в которых используются одни и те же полосы частот. Очевидно, что 3-злементный кластер - это кластер минимально возможного размера; в каждой из его ячеек можно использовать не одну десятую, а одну треть от полного частотного диапазона, отведенного системе.

При 3-элементном кластере ячейки с одинаковыми полосами частот повторяются очень часто, что плохо в смысле уровня сока-нальных помех (английское cochannel interference), т.е. помех от станций системы, работающих на тех же частотных каналах, но в других ячейках. В этом отношении более выгодны кластеры с большим числом элементов; примеры таких кластеров представлены на рис. 2.22 - 2.25.

Можно показать, что в общем случае расстояние D между Центрами ячеек, в которых используются одинаковые полосы частот, связано с числом N ячеек в кластере простым соотношением

0 = л/ЗМЯ, q = D/R = V3N,

где R - радиус ячейки (радиус окружности, описанной около правильного шестиугольника). Параметр q, определяемый последним равенством, называют коэффициентом уменьшения соканальных помех или коэффициентом соканального повторения (табл.2.5), а для величины 1/Л/, обратной числу ячеек в кластере, иногда употребляют наименование коэффициент эффективности повторного использования частот или просто коэффициент повторного использования частот.

Таблица 2.5. Коэффициент уменьшения соканальных помех q в функции числа элементов в кластере N

Рис.2.20. К построению трехэлементного кластера

Рис.2.21. 3-элементный кластер

Рис.2.22.4-элементный кластер

Рис.2.24.12-элементный кластер

Рис.2.23. 7-элемеитный кластер

Риа2.25.19-элементный кластер

Заметим, что увеличение числа элементов в кластере, выгодное в отношении снижения уровня соканальных помех, приводит к пропорциональному уменьшению полосы частот, которая может быть использована в одной ячейке. Поэтому практически число элементов в кластере должно выбираться минимально возможным, обеспечивающим допустимое отношение сигнал/помеха.

Все изложенное, однако, не более чем схема, поясняющая идею принципа повторного использования частот, но не отражающая всех сложностей реальной жизни. Действительно, мы молчаливо предполагали, что на базовых станциях, расположенных в центрах ячеек, используются всенаправленные антенны (английское omnidirectional antennas, или просто omni). На самом деле часто используются направленные (в горизонтальной плоскости) антенны с шириной диаграммы направленности 120 или 60", т.е. шестиугольная ячейка разбивается на 3 или 6 секторов, в каждом из которых естественно использовать свою полосу частот. Возможны и другие варианты дробления ячеек, причем этот прием широко используется для участков сети с напряженным трафиком в интересах обеспечения необходимой емкости системы. К способам повышения емкости системы сотовой связи мы вернемся в разд. 2.4.3.5. В целом же вопросы выбора конфигурации сети, i определения конкретных размеров и расположения ячеек, распре-, деления частот с учетом требований трафика и условий местности относятся к очень своеобразной и непростой области проектирования систем сотовой связи, понятие о которой мы дадим в разд. 2.6.

Практический интерес для сотовой связи представляют первые три из них, поэтому в следующих разделах мы рассмотрим их подробнее . Четвертый метод фактически используется в реализации принципа повторного использования частот, в частности при делении ячейки на сектора с использованием направленных антенн, но обычно этот прием не преподносится как один из методов множественного доступа. Случаев практического применения поляризационного разделения нам не известно.

2.4.3.2. Множественный доступ с частотным разделением

Множественный доступ с частотным разделением (английское FDMA - Frequency Division Multiple Access), или множественный доступ с разделением каналов связи по частоте, - наиболее простой из трех методов множественного доступа как по своей идее, так и по возможности реализации. В этом методе каждому пользователю на время сеанса связи выделяется своя полоса частот Af (частотный канал), которой он владеет безраздельно (рис.2.26). Метод FDMA используется во всех аналоговых системах сотовой связи (системах первого поколения) - это единственный метод, который целесообразно использовать в аналоговых системах, при этом полоса Af составляет 10...30 кГц. Основное слабое место FDMA - недостаточно эффективное использование полосы частот. Эта эффективность заметно повышается при переходе к более совершенному методу TDMA, что позволяет соответственно повысить емкость системы сотовой связи.

2.4.3. Методы множественного доступа 2.4.3.1. Варианты множественного доступа

Понятие множественного доступа (английский эквивaлe multiple access) связано с организацией совместного использования ограниченного участка спектра многими пользователями. В ортодоксальных подходах выделяется пять вариантов множественного доступа:

1. Множественный доступ с частотным разделением каналов связи.

2. Множественный доступ с временным разделением каналоЕ связи.

3. Множественный доступ с кодовым разделением каналоЕ ,связи.

4. Множественный доступ с пространственным разделениел каналов связи.

5. Множественный доступ с поляризационным разделением каналов связи.

2.4.3.3. Множественный доступ с временным разделением

Мйожественный доступ с временным разделением (английское TDMA - Time Division Multiple Access), или множественный доступ с разделением каналов связи по времени, также достаточно прост по идее, но значительно сложнее в реализации, чем FDMA. Суть метода TDMA заключается в том, что каждый частотный канал разделяется во времени между несколькими пользователями, т.е. частотный канал по очереди предоставляется нескольким пользователям на определенные промежутки времени. Это соответствует уже упоминавшейся нами возможности реализации нескольких физических каналов в одном частотном (разд. 2.2.5, 2.3.1). В качестве примера на рис. 2.27 представлен случай, когда каждый частотный канал делится между тремя пользователями. Строго говоря, приведенная на рис. 2.27 схема соответствует не чистому методу TDMa, а сочетанию FDMA с TDMA, поскольку мы рассматриваем здесь случай не одного, а нескольких частотных каналов, каждый из которых делится во времени между несколькими пользователя-и. Однако именно такая схема находит практическое применение