5.5.1. Принцип повторного использования частот

В 1947 году Bell Laboratories представила сотовую концепцию, позволявшую повторно использовать частоты. Вся покрываемая территория разбивалась на небольшие участки — соты, в каждой из которых устанавливалась базовая станция с собственным набором частот, достаточным для обслуживания расчетного трафика. В смежных сотах используются различные частоты во избежание взаимных помех, но в отдаленных могут применяться одинаковые частоты [13].

Сотовая концепция включает в себя идею «переброски» сигнала от соты к соте, благодаря реализации, которой абонент может свободно пересекать их границы, переключаясь с одной базовой станции на другую. Поскольку базовой станции нужно было обслуживать меньшую территорию, чем раньше, то и ее мощность (так же как и мощность мобильных станций) могла быть существенно ниже. Это, помимо всего прочего, позволило бы обходиться аккумуляторами сравнительно небольшой емкости.

Однако в то время не существовало отработанных технологий для реализации этой концепции, и наступил период ожидания. Коммерческие ССПС впервые были запущены в эксплуатацию в конце 70-х — начале 80-х годов в Скандинавских странах [14].

Применение сотовых систем связи обеспечивает экономию частотного ресурса за счет его многократного использования в зоне обслуживания. Повторное использование частот — это основной принцип ССПС, радикально отличающий ее от других, в частности транкинговых систем подвижной связи, и позволяющий существенно (теоретически до бесконечности) повышать емкость системы.

Система сотовой связи строится в виде совокупности ячеек, покрывающих обслуживаемую территорию, например большой город с пригородом. Ячейки условно изображают в виде равновеликих правильных шестиугольников, что по сходству с пчелиными сотами и послужило поводом назвать систему сотовой. На самом деле такая форма ячеек не более чем абстракция.

Каждая из ячеек (сот) обслуживается своим передатчиком с невысокой выходной мощностью и ограниченным числом каналов связи. Это позволяет без помех использовать повторно частоты каналов этого передатчика в другой, удаленной на значительное расстояние ячейке. Теоретически такие передатчики можно использовать и в соседних ячейках. Но на практике зоны обслуживания сот могут перекрываться под действием различных факторов, например вследствие изменения условий распространения радиоволн. Поэтому в соседних ячейках используются различные частоты. Пример построения сот при использовании трех частот F1...F3 представлен на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Организация ячеек-сот при сотовой телефонии

(F1, F2, F3, - частоты базовых станций

Группа сот с различными наборами частот называется кластером. Главным его параметром является количество используемых в соседних сотах частот. Например, на рис. 5.8 размерность кластера равна трем. Очевидно, что трехэлементный кластер — это кластер минимально возможного размера. В каждой его ячейке можно использовать одну треть от полного частотного диапазона, выделенного сотовой системе связи.

Однако при трехэлементном кластере ячейки с одинаковыми полосами частот повторяются очень часто, что плохо в отношении уровня соканальных помех, т. е. помех от базовых станций системы связи, работающих на тех же частотных каналах, но в других ячейках. В этом отношении более выгодными оказываются кластеры с большим числом элементов: 4, 7, 12 и 19-элементные.

Основной идеей, на которой базируется принцип сотовой связи, является по­вторное использование частот в несмежных сотах. Первым способом организации повторного использования частот, который применяется в аналоговых ССПС, является способ, использующий антенны базовых станций с круговыми диаграммами направленности. Он предполагает передачу сигнала одинаковой мощности по всем направлениям, что для абонентских станций эквивалентно приему помех от всех базовых станций со всех направлений.

Базовые станции, на которых допускается повторное использование выделенного набора частот, удалены друг от друга на расстояние D, называемое «защитным интервалом» (рис. 5.10).

Смежные базовые станции, использующие различные наборы частотных каналов, образуют группу из С станций. Если каждой базовой станции выделяется набор из n каналов с шириной полосы каждого Fк, то общая ширина полосы, зани­маемая системой сотовой связи, составит F_c = Fк *n* С.

Таким образом, величина С определяет минимально возможное число каналов в системе, поэтому ее часто называют частотным параметром системы или коэффициентом повторения частот. Коэффициент С не зависит от числа каналов в наборе и увеличивается по мере уменьшения радиуса ячейки. При использовании ячеек меньших радиусов имеется возможность увеличения повторяемости частот.

Рис. 5.10. Расположение базовых станций при сотовой телефонии

(D – защитный интервал; ЦС – центральная станция; БС – базовые станции;

Ro – радиус обслуживаемой территории; R – радиус соты)

Эффективность использования спектра частот

η = N/F_c = 1,21*R₀/F_k*C*R,

где N — число базовых станций.

Таким образом, η не зависит от числа каналов в наборе и возрастает с уменьшением радиуса соты R. Это означает, что меньшие размеры сот позволяют увеличить повторяемость частот (их одновременное использование), а также целесообразность выбора меньших значений частотного параметра системы С.

Применение шестиугольных ячеек позволяет минимизировать ширину необходимого частотного диапазона, поскольку такая форма обеспечивает оптимальное соотношение между величинами С и D. Кроме того, шестиугольная форма наилучшим образом вписывается в круговую диаграмму направленности антенны базовой станции, установленной в центре ячейки.

Очевидно, что размер ячейки (радиус R) определяет величину защитного интервала. В предположение, что интенсивность вызовов в пределах всей зоны об­служивания одинакова, ячейки выбираются примерно равного размера. Размер зоны обслуживания базовой станции, выражаемый через радиус ячейки R, опре­деляет также число абонентов N, способных одновременно вести переговоры на всей территории обслуживания. Следовательно, уменьшение радиуса ячейки по­зволяет не только повысить эффективность использования выделенной полосы частот и увеличить абонентскую емкость системы, но и уменьшить мощность пе­редатчиков и чувствительность приемников базовых и подвижных станций. Это, в свою очередь, улучшает условия электромагнитной совместимости средств сото­вой связи с другими радиоэлектронными средствами и системами.

Дальность действия каждой базовой станции в макросотовой сети составляет 15...45 км в зависимости от высоты подъема антенны и условий распространения радиоволн. Однако следующий шаг развития сотовых систем — это переход к микросотовой и даже пикосотовой структуре сетей. При радиусе сот в несколько сотен метров их емкость может быть увеличена в 5... 10 раз по сравнению с макросотами. Микросоты строятся на основе базовых станций небольшой мощности, обслуживающих участки улиц, помещения в зданиях (магазины, аэропорты, вокзалы и т. д.).