реферат сотовые сети, Н. Лаба, ЭМ-17-1М. Реферат по дисциплине Компьютерные, сетевые и информационные технологии
 Скачать 1.8 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» Электротехнический факультет Кафедра электротехники и электромеханники РЕФЕРАТ по дисциплине «Компьютерные, сетевые и информационные технологии» на тему «Сотовые сети» Выполнил студент группы №ЭМ-17-1М Н. А. Лаба Проверил к.т.н., профессор Э. В. Любимов ___________________ (зачтено /не зачтено) Пермь 2017 Содержание 1.1Множественный доступ с разделением по частотам 8 1.2множественный доступ с разделением по времени 9 1.3множественный доступ с кодовым разделением 9 2Стандарты сотовой связи первого поколения. Их особенности 11 3Стандарты сотовой связи второго поколения. Их особенности 13 4Стандарты связи третьего поколения 17 5Оборудование сотовых линий 18 6Включение контроллера базовых станций 25 Список использованных сокращений ЦКПС – центр коммутации подвижной связи (сотовый коммутатор). КБС – контроллер базовых станций. БС – базовая станция (многоканальная приёмопередающая радиостанция). МС – мобильная станция (сотовый носимый или автомобильный телефон). Введение Сотовая связь, сеть подвижной связи — один из видов мобильной радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть. Ключевая особенность заключается в том, что общая зона покрытия делится на ячейки (соты), определяющиеся зонами покрытия отдельных базовых станций (БС). Соты частично перекрываются и вместе образуют сеть. На идеальной (ровной и без застройки) поверхности зона покрытия одной БС представляет собой круг, поэтому составленная из них сеть имеет вид шестиугольных ячеек (сот). Сеть составляют разнесённые в пространстве приёмопередатчики, работающие в одном и том же частотном диапазоне, и коммутирующее оборудование, позволяющее определять текущее местоположение подвижных абонентов и обеспечивать непрерывность связи при перемещении абонента из зоны действия одного приёмопередатчика в зону действия другого. Первое использование подвижной телефонной радиосвязи в США относится к 1921 г.: полиция Детройта (США) использовала одностороннюю диспетчерскую связь в диапазоне 2 МГц для передачи информации от центрального передатчика к приёмникам, установленным на автомашинах. Частотная модуляция начала применяться с 1940 г. и к 1946 г. полностью вытеснила амплитудную. Первый общественный подвижный радиотелефон появился в 1946 г. (Сент-Луис, США; фирма Bell Telephone Laboratories), в нём использовался диапазон 150 МГц. В СССР в 1957 г. московский инженер Л. И. Куприянович создал опытный образец носимого автоматического дуплексного мобильного радиотелефона ЛК-1 и базовую станцию к нему (Рис.1). Мобильный радиотелефон весил около трех килограммов и имел радиус действия 20—30 км.  Рис.1. Мобильный радиотелефон ЛК-1 и его создатель Л. И. Куприянович. СССР, 1957г. В конце 50-х гг в Воронежском НИИ Связи разработали первую в мире систему полностью автоматической мобильной связи «Алтай» [1], введённая в опытную эксплуатацию в 1963 г. Система «Алтай» первоначально работала на частоте 150 МГц. В 1970 г. система «Алтай» работала в 30 городах СССР и для неё был выделен диапазон 330 МГц. Принцип связи был таков: город обслуживала одна базовая станция. Оборудование устанавливалось, как правило, на одном из самых высоких зданий в городе. В зависимости от высоты, рельефа и этажности застройки, устойчивый сигнал в городе мог быть в радиусе до 50 — 60 км, а кое-где и до 100 км вокруг базовой станции. В этом радиусе и можно было звонить, причём как с «Алтая» на «Алтай», так и на городские номера АТС, и даже по межгороду и за рубеж. Спустя годы, к 1970 г. подвижная телефонная радиосвязь, с одной стороны, уже получила достаточно широкое распространение, но с другой — явно не успевала за быстро растущими потребностями, при ограниченном числе каналов в жёстко определённых полосах частот. Выход был найден в виде системы сотовой связи, что позволило резко увеличить ёмкость за счёт повторного использования частот в системе с ячеистой структурой. Отдельные элементы системы сотовой связи существовали и раньше. В частности, некоторое подобие сотовой системы использовалось в 1949 г. в Детройте (США) диспетчерской службой такси — с повторным использованием частот в разных ячейках при ручном переключении каналов пользователями в оговорённых заранее местах. Однако архитектура той системы, которая сегодня известна как система сотовой связи, была изложена только в техническом докладе компании Bell System, представленном в Федеральную комиссию связи США в декабре 1971 года. С этого времени начинается развитие собственно сотовой связи. В 1974 г. Федеральная комиссия связи США приняла решение о выделении для сотовой связи полосы частот в 40 МГц в диапазоне 800 МГц; в 1986 г. к ней было добавлено ещё 10 МГц в том же диапазоне. В 1978 г. в Чикаго начались испытания первой опытной системы сотовой связи на 2 тыс. абонентов. Поэтому 1978 год можно считать годом начала практического применения сотовой связи. Первая автоматическая коммерческая система сотовой связи была введена в эксплуатацию также в Чикаго в октябре 1983 г. компанией American Telephone and Telegraph (AT&T). В Канаде сотовая связь используется с 1978 г., в Японии — с 1979 г., в североевропейских странах (Дания, Норвегия, Швеция, Финляндия) — с 1981 г., в Испании и Англии — с 1982 г. По состоянию на июль 1997 г. сотовая связь работала более чем в 140 странах всех континентов, обслуживая более 150 млн абонентов.
Основой любой сотовой сети телефонной связи является сота (ячейка), в центре которой находится базовая станция. Во время разговора сотовый телефон соединен с базовой станцией радиоканалом, по которому и передается разговор. Размеры «ячейки» сотовой сети определяются максимальной дальностью связи телефонного аппарата с базовой станцией, типом сети, мощностью базовой станции и рядом других факторов. Максимальная дальность – радиус соты – может быть в диапазоне от нескольких метров до многих десятков километров. Идея сотовой сети мобильной связи заключается в следующем: еще не выйдя из зоны действия одной базовой станции, телефон и его владелец попадают в зону действия следующей, и так вплоть до наружной границы всей зоны покрытия сети. Сотовая связь совсем не обязательно подразумевает мобильность: сегодня во всем мире все большее распространение получает так называемая «сотовая фиксированная связь». Такое решение часто оказывается экономически выгодным – отпадает необходимость в дорогостоящей прокладке телефонного кабеля, а одной мощной базовой станции вполне достаточно для телефонизации целого микрорайона. В этом случае абоненты обычно получают настольные телефонные аппараты, мало чем отличающиеся от привычных кнопочных стационарных телефонов [2]. Радиус действия сотового телефона ограничен потому что он по сути своей является дуплексной (с разделёнными передачей и приёмом) приёмопередающей радиостанцией малой мощности, только более интеллектуальной (с дополнительными функциями и техническими решениями). И этой станции для взаимодействия нужна вторая. Чем для неё и является многоканальная базовая приёмопередающая радиостанция, радиус действия которой обычно от 10 до 40 км. Отсюда следует, что для того, чтобы сотовый аппарат функционировал, он должен находиться в зоне действия какой-либо базовой станции сети сотовой связи. Из вышесказанного вытекает то, что для нормальной работы в сети территория должна быть, как можно более полно, охвачена данным видом радиосвязи. Для этого требуется некоторое количество базовых станций, размещённых на местности определённым образом. На рис. 2 показано, как в идеале должны выглядеть зоны действия базовых станций для обеспечения эффективного и полного радиопокрытия заданной территории. Исходя из внешнего вида идеальной зоны действия одной БС, она и получила название «сота». А принцип радиопокрытия (охвата) территории с помощью таких БС был назван «сотовым». Отсюда и обобщённое название данного вида радиосвязи – «сотовая связь».  Рис.2. Зоны действия базовых станций Существует три основополагающих принципа работы сотовых сетей. Это частотное, временное и кодовое разделение.
FDMA (Frequency Division Multiple Access) – множественный доступ с разделением по частотам. Способ использования радиочастот, когда один радиоканал используется для связи только с одним абонентом. Разные абонентские терминалы используют для связи разные частоты в пределах соты. Этот принцип реализован в стандартах AMPS, NAMPS, NMT, ETACS (американский стандарт), а также в GSM совместно с TDMA. На рис.3 видно, как организовано частотное разделение в сотовой сети. Каждая цифра – это определенная частота в пределах коридора, выделенного оператору связи. Повторяющиеся цифры соответствуют повторяющимся частотам. Из рисунка следует, что соты с разной частотой не бывают смежными. Таким образом, два абонента, находящихся на сотах с одинаковой частотой не будут вклиниваться в разговор друг друга из-за физической удаленности сот. Тем самым достигается, зашита от прослушивания при высокой плотности покрытия сети и удовлетворительном качестве связи на всей территории работы оператора.  Рис. 3. Частотное разделение в сотовой сети
TDMA (Time Division Multiple Access) – множественный доступ с разделением по времени. Способ совместного использования радиочастот, когда один частотный канал разделяется на несколько временных промежутков (слотов), и в течение каждого промежутка канал используется для передачи сигнала от одного абонента. Таким образом, несколько абонентских терминалов могут использовать одну частоту в пределах одной соты. Временное разделение радиоканала TDMA используется в стандарте DAMPS (который в некоторых источниках также называется стандартом TDMA) и GSM, где TDMA используется совместно с частотным разделением радиоканала FDMA.
CDMA (Code Division Multiple Access) – множественный доступ с кодовым разделением. Способ использования радиочастот, при котором сигналы абонентских терминалов одновременно используют один частотный канал (в отличие от других технологий, где идет разделение по времени и / или частотам), при этом сигналы кодируются особым способом. Первоначально технология CDMA использовалась в военной связи США, однако сегодня она стала известна как глобальный цифровой стандарт для коммерческих систем коммуникаций. В технологии CDMA возможно обеспечение высокого качества речи при одновременном снижении излучаемой мощности и уровне шумов. Это означает, что сотовый телефон, работающий в стандарте CDMA, во-первых, оказывает меньшее воздействие на организм человека, во-вторых, увеличивает продолжительности работы без подзарядки аккумулятора. По характеристикам качества передачи речи параметры CDMA сопоставимы с качеством проводных каналов. Кроме этого, система CDMA обеспечивает меньшую задержку в передаче голосового сообщения, чем другие системы подвижной связи. CDMA – довольно молодая технология, однако уже сегодня она реализована в нескольких стандартах сотовой связи. На данный момент CDMA считается очень перспективных для построения сетей сотовой связи третьего поколения, которые будут позволять передавать данные со скоростями от 2 Мбит/сек. Это позволит предлагать в таких сетях услуги наподобие видеотелефонии, просмотра телепередач на экране мобильного телефона, организации высокоскоростного беспроводного доступа к сети интернет. На данный момент стандарты сотовой связи на основе CDMA наиболее распространены в Америке и в Юго-Восточной Азии. В России на данный момент работают сети в двух стандартах CDMA – Cdma One и Cdma2000 1x.
Наиболее широкое распространение из стандартов первого поколения получили NMT -450, (Европа и Скандинавские страны) и AMPS (США, Канада, Мексика). Но на самом деле большая часть промышленно развитых стран разработали и использовали свои внутренние несовместимые стандарты. NMT-450 (Nordic Mobile Teleрhone), диапазон частот 453 – 468 МГц. Аналоговый стандарт, разработан в Скандинавии. В стандарте NMT-450 создана первая федеральная сеть сотовой связи «СОТЕЛ». Сети NMT-450 охватывают территории практически всех крупных городов и областей России. Однако несмотря на ряд преимуществ, таких как наличие сигнала на большом расстоянии от БС и более естественное звучание человеческого голоса, чем в цифровых стандартах, данный стандарт является на данный момент устаревшим, т.к. не обеспечивает должную помехоустойчивость, защиту от прослушивания и позволяет внедрять очень ограниченное число дополнительных услуг. Однако, учитывая широкое распространение сетей этого стандарта в России, одним из основных и наиболее перспективных вариантов перехода сотовых сетей к стандартам третьего поколения является трансформация сетей NMT-450i в сети 3 G IMT – MC -450, что можно видеть на примере МСС, модернизировавшей свою сеть и представившей продукт Skylink. Еще одним аналоговым стандартом, о котором стоит упомянуть, является DAMPS. В этом стандарте работала сеть БиЛайн 800, мощности которой в настоящее время приобретены рядом компаний, таких как Corbina telecom и Ростелеком. Данному стандарту также присущи большие размеры абонентских терминалов, снижение качества связи внутри помещений, вероятность появления двойников в системе и т.д. Важно отметить, что для всех телефонных аппаратов этого поколения характерна прошивка номера непосредственно на телефонный аппарат, то есть такое понятие, как СИМ-карта в этих аппаратах отсутствует. Отсюда вытекают неудобства для потребителей, такие как невозможность быстрой смены номера и телефонного аппарата, а также сложности при продаже (требуется специальное оборудование и специальные навыки для прошивки терминалов). Указанные недостатки, свойственные всем аналоговым стандартам первого поколения, решал переход к цифровым технологиям (сетям второго поколения.) Сравнительная характеристика стандартов сотовой связи первого поколения приведены в таблице 1. Таблица 1.  Обычным людям сотовая связь первого поколения стала доступной далеко не сразу. Первое десятилетие некоторые компании занимались только экспериментами. Коммерческая реализация произошла только в 1984 году. Достаточно быстро стало ясно, что аналоговая сотовая связь имеет ряд недостатков. Во-первых, каждая сота имела малую ёмкость — при подключении к ней большого количества абонентов начинались серьезные проблемы. Во-вторых, качество сигнала было далеко от идеала, особенно если абонент находился не на улице, а в здании. Первыми об этих проблемах задумались европейцы. Они начали разрабатывать цифровую связь.
В середине 80-х годов в качестве нового и единого стандарта для всей Европы проведена разработка системы GSM. GSM – (Global System for Mobile С communications) – глобальная система подвижной связи. После выделения единой полосы частот в Европе (диапазон частот 890 –960 МГц) стандарт получил название GSM -900 и его коммерческая эксплуатация началась с 1991 г. К техническим достоинствам стандарта GSM-900 относятся: • меньшие по сравнению с аналоговыми стандартами размеры и вес телефонных аппаратов при большем времени работы без подзарядки аккумулятора. Это становится возможным при использовании аппаратуры базовой станции, которая постоянно анализирует уровень сигнала, принимаемого от аппарата абонента. В тех случаях, когда он выше требуемого, автоматически снижается излучаемая мощность; • Относительно высокая емкость сети; • Низкий уровень помех; • Более высокий уровень защиты от подслушивания и нелегального использования номера, чем у аналоговых стандартов; • Использование одного частотного канала несколькими абонентами. Абоненты в конечном итоге получили: • великолепное качество передаваемого звука; • конфиденциальность переговоров, невозможность пиратского доступа к абонентскому номеру; • широкий выбор эргономичных и высоконадежных телефонных аппаратов; Одной из особенностей стандарта является относительно небольшая дальность сигнала. Устойчивая связь возможна на расстоянии до 35 км от ближайшей базовой станции даже при использовании усилителей и направленных антенн. В стандарте GSM-900 для максимальной защиты от несанкционированного подключения применяется специальный модуль подлинности абонента: SIM-карта. Эта карточка, во встроенной микросхеме которой хранится специальная информация о конкретном абоненте, выдается ему при подключении телефона и может быть использована с любой моделью мобильного аппарата стандарта GSM. Таким образом абонент получает возможность безболезненно менять аппараты, не нуждаясь в специальной перепрошивке телефона. Это основное потребительское преимущество стандарта GSM перед стандартами DAMPS, CDMA и NMT. Чтобы посторонний не смог воспользоваться SIM – картой, она содержит специальный идентификационный номер (РIN-код), запрашиваемый при каждом включении аппарата. Запрос PIN – кода можно отключить через меню аппарата. Если три раза подряд неправильно набрать РIN – код, SIM-карта временно заблокируется. Разблокировка осуществляется дополнительным разблокировочным кодом (PUK). Неправильное введение PUK – кода 10 раз подряд приводит к окончательной блокировке карты. Восстановить такую карту можно только при личном обращении в офис оператора. Помимо PIN – кода на СИМ-карте также записан специальный код PIN 2, открывающий доступ к некоторым специальным функциям, таким как учет стоимости разговоров, некоторые блокировки и пр. В случае неправильного ввода PIN 2 и PUK 2, блокируются только указанные функции. При этом работоспособность карты сохраняется. СИМ-карта также позволяет сохранять в памяти номера абонентов (около 200 записей), а также СМС-сообщения (до 30). Оставшаяся часть СИМ-карты может быть отведена под специальное СИМ-меню, открывающее доступ к некоторым дополнительным сетевым сервисам. Использование SIM-карты также удобно тем, что при смене аппарата абоненту не нужно менять свой мобильный номер, он просто переставляет карту, и все сохраненные на ней данные (включая записную книжку) становятся доступными в новом аппарате. Для территорий с высоким числом обслуживаемых абонентов (Крупные города, деловые центры и т.д.) была разработана модификация стандарта GSM, в диапазоне частот 1710–1880 МГц: GSM-1800 (PCN / DCS 1800). Для GSM-1800 характерны: • Меньшая, по сравнению с GSM 900, максимальная излучаемая мощность мобильных телефонов в стандарте GSM-1800 составляет 1 Вт, в стандарте GSM-900 – 2 Вт. • Высокая защита от подслушивания и нелегального использования номера. • Высокая емкость сети, что важно для крупных городов. Недостатком как и у GSM-900 – является небольшой охват. Максимальное удаление абонента от базовой станции – 5–6 километров. Наиболее современным вариантом сетей стандарта GSM является совмещение двух диапазонов. При этом используются положительные элементы каждого диапазона. Постепенно на прилавках магазинов стало появляться всё большее количество портативных устройств, умеющих выходить в глобальную паутину. В связи с этим сотовым операторам нужно было что-то делать, так как в 2G остро не хватало скорости передачи данных. Поэтому вскоре появилось промежуточное поколение сотовой связи, которое принято называть 2,5G. В этот стандарт внедрили поддержку технологии GPRS, а затем и EDGE. Отныне мобильным телефоном осуществлялась пакетная передача данных — абонент платил за конкретный объем трафика, а не за время соединения с сервером. Это не только сэкономило людям деньги, но и увеличило скорость передачи и приема данных. В 2G-сетях этот параметр равнялся 9,6 Кбит/с, тогда как поддержка телефоном поколения 2,5G позволяла выходить в интернет на скорости до 170 Кбит/с (GPRS) или даже 384 Кбит/с (EDGE). В некоторых странах эти две технологии называли совершенно по-разному, но суть от этого не менялась. Конкретные отличия всех стандартов, принадлежащих к поколениям 2G и 2,5G, указаны в таблице 2. Таблица 2.  CDMA – цифровой стандарт, относящийся к стандартам сотовой связи непосредственно между вторым и третьем поколением. (Code Division Multiple Access) – система множественного доступа с кодовым разделением. Для данного стандарта характерны: • Отличное качество звука и низкий уровень фоновых шумов. • Повышенная емкость системы, которая в 10 раз выше, чем в стандарте AMPS и в 3–5 раз больше чем в стандарте GSM; • Лучшее качество связи в перенаселенных районах, и местностях с холмистым рельефом, где возникают помехи от отраженных сигналов. • Абонентские аппараты CDMA имеют малую излучаемую мощность, которая составляет менее 10 мВт, что на порядок меньше, чем в сетях DAMPS и GSM. • Более 4,4 триллиона кодов для разделения индивидуальных вызовов, обеспечивает полную защиту и предотвращает несанкционированные подключения.
В IMT-2000 (так принято называть 3G в профессиональной среде) входят пять стандартов: CDMA2000, W-CDMA, TD-CDMA/TD-SCDMA и DECT. Последний не является стандартом сотовой связи, так как он используется в домашней и офисной беспроводной телефонии. Остальные стандарты применяются для обеспечения связью владельцев мобильных телефонов. Все они имеют похожие спецификации. Интересно, что метод работы таких сетей был изобретён в СССР ещё в 1935 году [3]. Однако долгое время данной технологией пользовались лишь военные. В гражданский сегмент она вышла только в середине 1980-ых годов, в силу необходимости развивать мобильную связь. От 2G третье поколение в первую очередь отличалось повысившейся скоростью передачи данных. Если абонент стоит на месте, то он может скачивать данные на скорости около 2 Мбит/с. При неспешном шаге трафик загружается со скоростью примерно 384 Кбит/с. В транспортном средстве скорость падала ещё сильнее — до 144 Кбит/с.  Рис. 4. Стандарт связи HSPA С появлением смартфонов стало мало и вышеуказанных скоростей. Поэтому достаточно быстро стал популярным стандарт HSPA. Он ознаменовал собой приход поколения 3,5G. Наделенные его поддержкой сотовые телефоны научились передавать данные со скоростью 14,4 Мбит/с. В дальнейшем стандарт совершенствовался, в результате чего теоретически оказалась достижима скорость 84 Мбит/с. В основе HSPA заложена многокодовая передача данных при сопоставимых размерах сот.
Рассмотрим различные технические моменты по размещению, конструкции и дальности действия базовых станций сотовой связи и их антенной части. Антенна БС (Рис.5) – устройство для приема и передачи радиосигнала от одного абонента к другому, и далее через усилитель к контроллеру базовой станции и другим устройствам. Являясь наиболее заметной частью БС, они устанавливаются на антенных мачтах, крышах жилых и производственных зданий и даже дымовых трубах. Сегодня можно встретить и более экзотические варианты их установки, в России их уже устанавливают на столбах освещения, а в Египте их даже "маскируют" под пальмы.  Рис. 5 Различные варианты установки антенн БС. Подключение базовой станции к сети оператора связи может производиться по радиорелейной связи, поэтому рядом с "прямоугольными" антеннами блоками БС может быть размещена радиорелейная тарелка (Рис. 6).  Рис. 6. Различные варианты установки антенн БС. С переходом на более современные стандарты четвертого и пятого поколений, для удовлетворения их требований подключать станции нужно будет исключительно по волоконной оптике. В современных конструкциях БС оптоволокно становится неотъемлемой средой передачи информации даже между узлами и блоками самой БС [4]. К примеру, на рис. 7. показано устройство современной базовой станции, где оптоволоконный кабель используется для передачи данных от RRU (выносные управляемые модули) антенны до самой базовой станции (показано оранжевой линией).  Рис. 7. Устройство современной БС Оборудование базовой станции располагается в нежилых помещениях здания, либо устанавливается в специализированные контейнеры (закрепленные на стенах или столбах), ведь современное оборудования выполняется довольно компактно и может запросто поместиться в системный блок серверного компьютера. Часто радиомодуль устанавливают рядом с антенным блоком, это позволяет уменьшить потери и рассеивание передаваемой в антенну мощности. Бывают различные типы базовых станций: макро, микро, пико и фемтосоты. Фемтосота не является базовой станцией. Это, скорее, Access Point (точка доступа). Данное оборудование изначально ориентируется на домашнего или офисного пользователя и владельцем такого оборудования является частное или юр. лицо, не относящееся к оператору. Главное отличие такого оборудования заключается в том, что оно имеет полностью автоматическую конфигурацию, начиная от оценки радиопараметров и заканчивая подключением к сети оператора. Фемтосота имеет габариты домашнего роутера. Пикосота – это БС малой мощности, принадлежащая оператору и использующая в качестве транспортной сети IP/Ethernet. Обычно устанавливается в местах возможной локальной концентрации пользователей. Устройство по размерам сравнимо с небольшим ноутбуком. Микросота – это приближенный вариант реализации базовой станции в компактном виде, очень распространено в сетях операторов. От "большой" базовой станции ее отличает урезанная емкость поддерживаемых абонентом и меньшая излучающая мощность. Масса, как правило, до 50 кг и радиус радиопокрытия - до 5 км. Такое решение используется там, где не нужны высокие емкости и мощности сети, или нет возможности установить большую станцию. Макросота – стандартная базовая станция, на базе которой строятся мобильные сети. Она характеризуется мощностями порядка 50 W и радиусом покрытия до 100 км (в пределе). Масса стойки может достигать 300 кг. Зона покрытия каждой БС зависит от высоты подвеса антенной секции, от рельефа местности и количества препятствий на пути до абонента. При установке базовой станции далеко не всегда на первый план выносится радиус покрытия. По мере роста абонентской базы может не хватить максимальной пропускной способности БС, в этом случае на экране телефона появляется сообщение "сеть занята". Тогда оператор со временем на этой территории может сознательно уменьшить радиус действия базовой станции и установить несколько дополнительных станций в местах наибольшей нагрузки. Когда нужно увеличить емкость сети и снизить нагрузку на отдельные базовые станции, тогда и приходят на помощь микросоты. В условиях мегаполиса зона радиопокрытия одной микросоты может составлять всего 500 метров. В условиях города, как ни странно, встречаются такие места, где оператору нужно локально подключить участок с большим количеством трафика (районы станций метро, крупные центральные улицы и др.). В этом случае применяются маломощные микросоты и пикосоты, антенные блоки которых можно располагать на низких зданиях и на столбах уличного освещения. Когда возникает вопрос организации качественного радиопокрытия внутри закрытых зданий (торговые и бизнес центры, гипермаркеты и др.) тогда на помощь приходят пикосотовые базовые станции. За пределами городов на первый план выходит дальность работы отдельных базовых станций, так установка каждой базовой станции в удалении от города становится все более дорогостоящим предприятием в связи с необходимостью построения линий электропередач, дорог и вышек в сложных климатических и технологических условиях. Для увеличения зоны покрытия желательно устанавливать БС на более высоких мачтах, использовать направленные секторные излучатели, и более низкие частоты, менее подверженные затуханию. Так, например, в диапазоне 1800 МГц дальность действия БС не превышает 6-7 километров, а в случае использования 900–мегагерцового диапазона зона покрытия может достигать 32 километров, при прочих равных условиях. В сотовой связи чаще всего используют секторные панельные антенны, которые имеют диаграмму направленности шириной в 120, 90, 60 и 30 градусов. Соответственно для организации связи во всех направлениях (от 0 до 360) может потребоваться 3 (ширина ДН 120 градусов) либо 6 (ширина ДН 60 градусов) антенных блоков. Пример организации равномерного покрытия во всех направлениях показан на рис.8  Рис. 8. Организация равномерного покрытия во всех направлениях Большинство антенн базовых станций широкополосные, позволяющие работать в одном, двух или трех диапазонах частот. Начиная с сетей UMTS, в отличие от GSM, антенны базовых станций умеют изменять площадь радиопокрытия в зависимости от нагрузки на сеть. Один из самых эффективных методов управления излучаемой мощностью – это управление углом наклона антенны, таким способом изменяется площадь облучения диаграммы направленности. Антенны могут иметь фиксированный угол наклона, либо имеют возможность дистанционной регулировки с помощью специального программного обеспечения, располагаемого в блоке управления БС, и встроенных фазовращателей. Существуют также решения, позволяющие изменять зону обслуживания, от общей системы управления сети передачи данных. Таким образом, можно регулировать зону обслуживания всего сектора базовой станции. В антеннах базовых станций применяется как механическое управление диаграммой, так и электрическое. Механическое управление проще реализуется, но часто приводит к искажению формы диаграммы направленности из-за влияния конструктивных частей. Большинство антенн БС имеет систему электрической регулировки угла наклона. Современный антенный блок представляет собой группу излучающих элементов антенной решетки. Расстояние между элементами решетки выбирается таким образом, чтобы получить наименьший уровень боковых лепестков диаграммы направленности. Наиболее часто встречаются длины панельных антенн от 0,7 до 2,6 метров (для многодиапазонных антенных панелей). Коэффициент усиления варьируется от 12 до 20 dBi. С учетом современных реалий развития беспроводных технологий, базовые станции должны поддерживать работу 2G, 3G и LTE сетей. И если блоки управления базовых станций сетей разных поколений удается вместить в один коммутационный шкаф без увеличения габаритного размера, то с антенной частью возникают значительные трудности. Например, в многодиапазонных антенных панелях количество коаксиальных соединительных линий достигает 100 метров! Столь значительная длина кабеля и количество паяных соединений неизбежно приводит к потерям в линиях и снижению коэффициента усиления (Рис. 9)  Рис.9.Многодиапазонная антенна. С целью снижения электрических потерь и уменьшения точек пайки часто делают микрополосковые линии, это позволяет выполнить диполи и систему запитки всей антенны по единой печатной технологии. Данная технология проста в производстве и обеспечивает высокую повторяемость характеристик антенны при ее серийном выпуске. С развитием сетей связи третьего и четвертого поколений требуется модернизация антенной части как базовых станций, так и сотовых телефонов. Антенны должны работать в новых дополнительных диапазонах, превышающих 2.2 ГГц. Более того, работа в двух и даже трех диапазонах должна производиться одновременно. Вследствие этого антенная часть включает в себя довольно сложные электромеханические схемы, которые должны обеспечивать должное функционирование в сложных климатических условиях. Для реализации трех- (и более) диапазонного режимов работы наибольшей технологичностью обладают печатные многослойные антенны. В таких антеннах каждый новый слой работает в довольно узком диапазоне частот. Такая "многоэтажная" конструкция изготавливается из печатных антенн с индивидуальными излучателями, каждая антенна настраивается на отдельные частоты рабочего диапазона. Конструкция поясняется рисунком ниже: Как и в любых других многоэлементных антеннах в такой конструкции происходит взаимодействие элементов, работающих в разных диапазонах частот. Такое взаимодействие оказывает влияние на направленность и согласование антенн, но данное взаимодействие может быть устранено методами, применяемыми в ФАР (фазированных антенных решетках). Например, одним из наиболее эффективных методов является изменение конструктивных параметров элементов путем смещения возбуждающего устройства, а также изменение размеров самого облучателя и толщины разделительного диэлектрического слоя. Важным моментом является то, что все современные беспроводные технологии широкополосные, и ширина полосы рабочих частот составляет не менее 0,2 ГГц. Широкой рабочей полосой частот обладают антенны на основе взаимодополняющих структур, типичным примером которых являются антенны типа "bow-tie" (бабочка). Согласование такой антенны с линией передачи осуществляется подбором точки возбуждения и оптимизацией ее конфигурации. Чтобы расширить полосу рабочих частот по согласованию "бабочку" дополняют входным сопротивлением емкостного характера. Моделирование и расчет подобных антенн производят в специализированных программных пакетах САПР. Современные программы позволяют моделировать антенну в полупрозрачном корпусе при наличии влияния различных конструктивных элементов антенной системы и позволяют тем самым произвести достаточно точный инженерный анализ.
В связи с постоянным ростом плотности абонентов сотовой связи всё чаще между сотовым коммутатором и базовыми станциями включают контроллер базовых станций. Это делается в целях экономии наземных коммуникаций (цифровых или аналоговых каналов связи) между коммутатором и группой удалённых базовых станций. Контроллер сам выполняет некоторые функции коммутации и обрабатывает местные вызовы, не отправляя их сотовому коммутатору. Поэтому для соединения КБС с ЦКПС нужно меньшее число каналов связи, чем если бы удалённые базовые станции имели прямое включение в ЦКПС. Допустим, количество удалённых базовых станций – три. Пусть каждая из них является 16-ти канальной. Значит, для их прямого включения в коммутатор понадобится 48 наземных каналов связи (16 х 3 = 48). А для их включения через КБС будет достаточно и половины, т.е. 24 канала. Экономия очевидна. Нужно отметить, что подобные схемы организации связи используются, как правило, в странах, занимающих большие территории. В относительно небольших странах используется бесконтроллерная схема. Список использованных источников
|