Лекція 11. Мобільні Комунікації

Призначення та особливості стільникового радіозв'язку

Структура мережі

Принципи дії стільникової мережі

 

Головним застосуванням для мобільного радіозв'язку було передача мови. Перші радіотелефонні мережі складалися тільки з кілька базових станцій (БС), з якими спілкувалися мобільні одиниці, а кожна базова станція покривала велику географічну область. Число одночасних викликів всередині області, покритої однією базовою станцією, було обмежено числом доступних для неї каналів (несучих частот). Тому, ємність цих мереж була низькою, а обслуговування радіотелефонів було доступно тільки для професіоналів.

Протягом 1970-их років розвиток цифрової комутації та інформаційних технологій призвело до появи сучасних систем мобільного телефону. Стільниковий принцип побудови мереж послужив вирішенням проблеми ємності. Різні стандарти аналогового стільникового зв'язку були розвинені спочатку в скандинавських країнах, потім, в кінці 1970-их, в Сполучених Штатах і Японії.

У цій лекції ми розглянемо спочатку ідею і загальні операції стільникових систем радіозв'язку. Загальні принципи організації стільникових систем діють і для будь-якої іншої сухопутної громадської мережі мобільного телефону. Тому їх основі ми розглянемо інші мобільні системи, такі як пейджінгові системи (системи оповіщення), радіотелефони та бездротові локальні обчислювальні мережі (WLANs). В кінці цієї лекції ми розглянемо структуру і операцію GSM мережі. Наша мета полягає в тому, щоб забезпечити розуміння того, що потрібно від мережі для того, щоб отримати від когось виклик або зробити кому-небудь виклик. Природна вимога для цього – зробити доступним спільне обслуговування багатьох абонентів при обмеженні числа радіочастот. Ми використовуємо GSM як приклад цифрового стільникового системи, тому що в даний час це домінуюча глобальна цифрова технологія.

 

Призначення та особливості стільникового радіозв'язку

Головною проблемою звичайних радіотелефонних мереж була низька ємність (кількість каналів) через обмежену смуги частот, доступною для обслуговування. Стільникові мережі забезпечують вирішення цієї проблеми при використанні тих же самих частот у багаторазово повторюваних осередках мережі. Цей принцип повторного використання частот за допомогою мережі стільникового структури був винайдений в Лабораторії Белла протягом 1960-их. Технічний розвиток контролю радіочастот, мікропроцесорів,

і прогрес в технологіях програмного забезпечення зробили можливою реалізацію стільникових мереж під кінець 1970-их. Ось список найбільш важливих загальних особливостей стільникових систем:

• повторне використання частот, але вже в інших сотах, забезпечує набагато більшу кількість комутованих каналів, ніж число радіочастот, виділених системі;

• автоматична межсотовая передача повідомлень, або передача по естафеті, гарантує безперервність комунікації у випадках, коли є потреба змінити місце розташування БС;

• безперервний контроль комунікації між мобільним телефоном і

БС дозволяє перевіряти її якість і виявляти необхідність у переході до іншого стільникового осередку;

• автоматична локація мобільних станцій в межах мережі гарантує, що будь-який виклик буде маршрутизований за адресою.

• мобільні станції безперервно прослуховують загальний канал мережі, щоб отримувати виклики.

 

Ріс.11.1 Основна структура мережі стільникового радіозв'язку.

 

Рис. 11.1 представляє основні елементи спрощеної стільникової мережі. БС являють собою радіопередавачі / приймачі, через які мобільні станції (МС), типу радіотелефонів зв'язуються з мережею дротяних ліній. БС пов'язані з центром комутації мобільного зв'язку (ЦКМС) на первинній швидкості передачі цифрових сигналів. ЦКМС діє як місцева телефонна станція у фіксованій мережі. На додаток до комутації та іншим функціям звичайної телефонної станції, ЦКМС також відстежує локацію користувачів за допомогою регістрів місця розташування. Відзначимо, що всі стільникові мережі розроблені так, щоб діяти як мережі доступу. Їх головна мета полягає в тому, щоб зробити мобільних абонентів доступними з глобальної (фіксованою) телекомунікаційної мережі. Мобільні стільникові мережі завжди покладаються на фіксовану мережу. Вони не мають ієрархії комутаційних станцій подібно фіксованої мережі, і тому всі міжміські і міжнародні дзвінки проходять через фіксовану мережу.

 

Структура мережі

Конкретна структура мережі радіозв'язку, назви елементів і їх конкретні функції залежать від готівкової технології мережі.

Структура мережі. Замість того, щоб покривати всю область потужними фіксованими радіостанціями, як це мало місце в колишніх поколіннях систем радіозв'язку, область стільникової мережі поділяють на маленькі осередки, які мають поперечний розмір тільки кілька кілометрів або менше того, як показано на рис. 11.2. Області, де щільність абонентів висока, покриті меншими за розмірами комірками. Навпаки, області, де щільність абонентів низька, покриті великими за розмірами комірками. Потужності БС і МС автоматично зменшуються зі зменшенням розмірів осередку. БС і МС (радіотелефон) контролюються так, щоб підтримувати потужність передачі низькою наскільки це можливо. Радіопередача малої потужності не заважає іншим користувачам тієї ж самої частоти, але розташованим в інших осередках і далеко від цього осередку (принцип повторного використання частот). Таким чином, кожен частотний канал може використовуватися знову і знову і, в принципі, оператор мережі може збільшувати ємність мережі практично безмежно, збільшуючи число і зменшуючи розміри осередків. Природно, це вимагає додаткових інвестицій у базові станції. Те, як часто кожна несуча частота використовується, називають фактором повторного використання частот, він залежить від системи. Цей фактор зростає разом із числом базових станцій.

Наслідком зменшення розміру осередку є більш зручні і менш дорогі телефони, а також більш довга експлуатаційна життя для батарейок. Низька потужність радіопередач забезпечує також інформаційну безпеку, що важливо з точки зору користувачів. Через громадського занепокоєння про несприятливі ефекти впливу переносних терміналів на здоров'я користувачів, низька потужність радіопередач стає все більш і більш важливою.

Бази даних. У звичайній фіксованої мережі, телефонні дзвінки завжди спрямовуються до місцевої телефонної станції. В стільникового ж мережі абонент розташований в одній комірці тільки деякий час. Якщо він покине цю комірку, то мережа повинна включити додаткові інтелектуальні ресурси, щоб бути в змозі направити дзвінок для нього в ту клітинку, куди він перемістився. Щоб досягти успіху в цьому, в мережах можуть існувати дві бази даних або регістрів, регістр місця розташування будинку (РМД) і регістр місця розташування гостя (РМГ), і з їх допомогою мережу в змозі управляти рухливістю зв'язку своїх абонентів.

 

Ріс.11.2 Стільникова структура мобільного радіомережі. Міський осередок менше за розмірами, сільська – більше.

 

Коли абонент купує мобільний телефон, останній реєструється в власного оператора мобільних телефонів. РМД зберігає новітню інформацію про своїх абонентів, типу де (в області якої РМГ), вони розташовані тепер, яку службу вони мають право використовувати, і які номери, куди вони посилають виклики. РМД – глобальна центральна точка, де інформація про абонентів доступна завжди, де б вони не розташовувалися. Коли дзвінок маршрутізіруєтся по мережі, номер телефону абонента говорить мережі про те, де може бути знайдений його РМД.

РМГ зберігає інформацію про кожного нового абонента у своєму регіоні. РМГ повідомляє РМД, коли новий абонент прибуває в його регіон. Він також містить більш точну інформацію про те, куди (до якої осередку або групі осередків) направити вхідні виклики, що йдуть до певного новому абоненту. РМГ зазвичай об'єднується з комутатором мобільної мережі (телефонною станцією), але РМД звичайно являє собою фізично окрему систему бази даних.

Радіо-Канали. Кожна БС забезпечує два головних типи каналів, як показано в рис. 11.3: канал загального контролю і виділені канали. У передачі вниз або в прямому напрямі (від мережі до мобільним станціям) БС посилає на загальний канал контролю кожної комірки таку інформацію, як ідентифікація мережі, визначення місцеположення, визначення рівня потужності та оповіщення про вступників виклики. Коли МС перебуває в пасивному стані (немає триваючого виклику), вона безперервно прослуховує загальний канал контролю у своїй комірці.

 

Рис. 11.3. Головні типи радіоканалів в мережі.

 

У передачі вгору або в зворотному напрямку МС посилає по загальному каналу контролю повідомлення, наприклад, повідомлення-запит на дзвінок у випадку вихідних дзвінків або повідомлення про новому розташуванні, коли вона зауважує, що прибула в нове місце. Канал одного виділеного користувача або канал трафіку призначений для кожного дзвінка. Під час обслуговування дзвінка, MS, як кажуть, перебуває у виділеному стані. Кожен виділений канал вимагає передачі контрольної інформації в додаток до передачі мови. Це необхідно для контролю потужності передачі мобільного станції і для передачі інформації з контролю виконання від МС до мережі. Коли запит виконаний, виділений канал звільняється і стає доступним для інших користувачів. На ріс.11.3 видно, що БС пов'язані з мобільним центром комутацій через радіорелейний систему або кабельну лінію (оптичний або мідний кабель). Мікрохвильові радіолінії особливо привабливі для сільських районів, тому що кабелі зазвичай не доступні для БС і установка їх дуже дорого обходиться. Мікрохвильова радиолиния вимагає ще й установку антени, але це не проблема – вежа антени завжди в наявності, тому що вона необхідна для антен БС.