5.5.2. Функционирование систем сотовой связи
Каждая из сот обслуживается многоканальным приемопередатчиком, называемым базовой станцией. Она служит своеобразным интерфейсом между сотовым телефоном и центром коммутации подвижной связи, где роль проводов обычной телефонной сети выполняют радиоволны. Число каналов связи базовой станции обычно кратно 8, например 8, 16, 32... Один из каналов является управляющим. В некоторых ситуациях он может называться также каналом вызова. На этом канале происходит непосредственное установление соединения при вызове подвижного абонента сети, а сам разговор начинается только после того, как будет найден свободный в данный момент канал и произойдет переключение на него. Все эти процессы происходят очень быстро и незаметно для абонента. Любой из каналов сотовой связи представляет собой пару частот для дуплексной связи, т. е. частоты базовой и подвижной станций разнесены.
Все базовые станции соединены с центром коммутации сотовой сети (коммутатором) по выделенным проводным, волоконно-оптическим или радиорелейным каналам связи (рис. 5.11).
Рис. 5.11. Организация сотовой связи
Центр коммутации MSC — это центральная автоматическая телефонная станция системы сотовой связи, обеспечивающая все функции управления сетью. Она осуществляет непрерывное слежение за подвижными станциями, организует их эстафетную передачу, в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении подвижной станции из соты в соту и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностей, производит соединение подвижного абонента с тем, кто ему необходим в обычной телефонной сети общего пользования (PSTN), и др.
Несмотря на разнообразие и особенности стандартов сотовой связи, алгоритмы их функционирования в основном сходны. Для абонента неважно, в каком стандарте осуществляется связь. Когда мобильная станция (сотовый радиотелефон) находится в режиме ожидания (состояние «трубка положена» обычного телефона), его приемное устройство постоянно сканирует (просматривает) либо все каналы системы, либо только управляющие.
Для вызова соответствующего абонента всеми базовыми станциями сотовой системы связи по управляющим каналам передается сигнал вызова. Сотовый телефон вызываемого абонента при получении этого сигнала отвечает по одному из свободных каналов управления. Базовые станции, принявшие ответный сигнал, передают информацию о его параметрах в центр коммутации, который, в свою очередь, переключает разговор на ту базовую станцию, где зафиксирован максимальный уровень сигнала сотового телефона вызываемого абонента.
Во время набора номера сотовый телефон занимает один из свободных каналов, уровень сигнала базовой станции в котором в данный момент максимален. По мере удаления абонента от базовой станции или в связи с ухудшением условий распространения радиоволн уровень сигнала уменьшается, что ведет к ухудшению качества связи. Улучшение качества разговора достигается путем автоматического переключения абонента на другой канал связи.
Это происходит следующим образом. Специальная процедура, называемая передачей управления вызовом или эстафетной передачей, позволяет переключать разговор на свободный канал другой базовой станции, в зоне действия которой оказался в это время абонент. Аналогичные действия предпринимаются при снижении качества связи из-за влияния помех или при возникновения неисправностей коммутационного оборудования.
Для контроля таких ситуаций базовая станция снабжена специальным приемником, периодически измеряющим уровень сигнала сотового телефона разговаривающего абонента и сравнивающим его с допустимым пределом. Если уровень сигнала меньше этого предела, то информация об этом автоматически передается в центр коммутации по служебному каналу связи. Центр коммутации выдает команду об измерении уровня сигнала сотового радиотелефона абонента на ближайшие к нему базовые станции. После получения необходимой информации от базовых станций центр коммутации незаметно для абонента переключает сотовый радиотелефон на ту из них, где уровень сигнала оказался наибольшим.
Иногда возникает ситуация, когда поток заявок на обслуживание, поступающий от абонентов сотовой сети, превышает количество каналов, имеющихся на всех близко расположенных базовых станциях. В этом случае как временная мера (до освобождения одного из каналов) используется принцип эстафетной передачи внутри соты. При этом происходит поочередное переключение каналов в пределах одной и той же базовой станции для обеспечения связью всех абонентов.
Рассмотрим на примере сотовой системы, построенной как двухуровневая иерархическая система.
Для посылки вызова из подвижного объекта абонент «снимает трубку» своего сотового телефона и набирает желаемый номер. После этого радиотелефон начинает поиск имеющегося в данной зоне свободного канала передачи, используя перебор каналов. По первому найденному свободному каналу осуществляется обычная процедура вхождения в связь, после чего набранный абонентом номер передается в центральную станцию. Она анализирует номер, находит базовую станцию вызываемого объекта или маршрут в телефонной сети общего пользования и приступает к установлению соединения. После подключения подвижный абонент услышит сигнал готовности.
Вызов может поступить из телефонной сети общего пользования (абонент, который набирает код доступа к сотовой сети и номер абонента сотовой сети), а также от другого абонента сотовой сети. При этом центральная станция по принятому номеру осуществляет проверку присутствия или отсутствия вызываемого абонента в данной зоне обслуживания, категорию этого абонента, а также правильность номера. Если вызываемый подвижный абонент присутствует в зоне и его номер набран правильно, то центральная станция передает избирательный вызов по всем вызывным каналам для всех базовых станций в зоне обслуживания.
Если вызываемый подвижный абонент свободен, то его радиотелефон автоматически закрепляется за каналом вызова в одной из ячеек и, таким образом, становится готовым к приему избирательного вызова. При получении вызова сотовый телефон автоматически передает подтверждение на частоте вызывного канала, и тем самым определяется местоположение радиотелефона относительно действующей базовой станции.
Далее центральная станция выбирает имеющийся в данной ячейке свободный канал передачи и передает номер этого канала на сотовый телефон, который автоматически переключается на предоставленный канал передачи, по которому осуществляется обычная процедура вхождения в связь.
Во время разговора подвижный абонент обычно перемещается по зоне обслуживания. Каждое соединение в процессе разговора контролируется с помощью специального сигнала частотой около 4000 Гц. При этом аппаратура базовой станции производит оценку отношения сигнал/шум этого контрольного сигнала и принимает решение о необходимости передачи обслуживания соединения другой базовой станции, находящейся в «лучшем положении». Для этого осуществляется ряд процедур поиска других базовых станций, которые могут обеспечить нужное качество разговора, закрепление выбранной новой базовой станции заданным разговором, поиск нужного свободного канала в зоне действия этой станции, предоставление соединения через центральную станцию. В случае занятости всех разговорных каналов на новых базовых станциях передача соединений в процессе разговора не производится.
У сотовой системы есть еще одно преимущество. Если различные территории обслуживаются разными компаниями-операторами, то они могут вступить в соглашение и создать единую сеть для обслуживания своих клиентов, т. е. обеспечить так называемый роуминг. Всякий раз, когда подвижный абонент выезжает за пределы своей зоны обслуживания, другая сотовая сеть автоматически примет переброс вызова и продолжит его обслуживать. Там, где две местности, обслуживаемые различными компаниями-операторами, соседствуют одна с другой, сотовая сеть может быть непрерывной.
Таким образом, сотовая сеть является расширяемой как вширь, так и вглубь. Для обслуживания большого количества абонентов можно разделить существующие ячейки и добавить новые. Сотовая топология позволила многократно увеличить емкость телекоммуникационных сетей по отношению к сетям радиальной структуры без ухудшения качества связи и расширения выделенной полосы частот.
Самое существенное, что сдерживает развитие сотовых систем, это их ограниченные возможности по наращиванию абонентской емкости. Если не учитывать перехода на полускоростные каналы связи, то рост емкости цифровых сотовых сетей второго поколения может происходить, либо переводом существующих стандартов в диапазоны более высоких частот, либо уменьшением сот до микросот и даже пикосот. Дальнейшее наращивание емкости при ограниченных полосах частот может осуществляться за счет создания новых протоколов и методов управления сетью. Это гибкие процедуры распределения каналов по временной и частотной оси, местоопределение подвижных абонентов и эстафетная передача. Они реализуются в новых разработках сотовых систем третьего поколения, отличительными чертами которых будут унифицированный радиодоступ и интеграция с информационными службами.