Принципы построения сетей связи

 

Сеть связи состоит из трех частей:

1) систем передачи информации (линий и аппаратуры);

2) устройств (систем) коммутации;

3) оконечных устройств.

По капитальным затратам наибольший удельный вес занимают линейные сооружения и аппаратура передачи информации, поэтому очень важно выбрать оптимальный вариант построения сети — структуру сети. Сеть состоит из узлов (пунктов коммутации цепей, каналов) и ребер (линий связи), соединяющих эти узлы между собой.

При построении сети связи исходят из стремления сделать ее экономичной и надежной. Надежность обеспечивается созданием разветвленной сети, применением различных типов линий связи и прокладкой их на различных направлениях. На этих линиях организуется требуемое число каналов с обходными, резервными путями. Необходимо, чтобы каждый узел связи имел два-три обходных независимых пути к другим узлам.

Возможно несколько вариантов построения сети (Рисунок 1):

- полносвязное (каждый с каждым), при котором любой узел имеет прямые связи со всеми остальными узлами (Рисунок 1, а);

- узловое, при котором несколько пунктов группируются в узлы и последние соединяются между собой (Рисунок 1, б);

- радиальное (звездообразное), при котором имеется лишь один узел с расходящимися линиями по радиусам к другим пунктам (Рисунок 1, в).

 

Рис.2. Варианты построения сетей связи:

а — непосредственное соединение; б — узловое; в — радиальное.

 

Непосредственное соединение каждого пункта с каждым наиболее надежно, но в технико-экономическом отношении невыгодно. Неэкономична и узловая система. Радиальная система наиболее дешевая, но она не имеет никаких путей резервирования и не обеспечивает непрерывности связи. Наилучшие результаты дает сочетание радиальной и узловой систем. Такая система позволяет создавать разветвленную, устойчивую и в то же время довольно экономичную сеть связи. Принципиальная схема радиально-узловой системы построения сети показана на рисунке 2, а. Она характеризуется тем, что одноименные узлы связи соединяются линиями не только с нижестоящими узлами, но и между собой. По такой системе организуются прямые связи в обход главных узлов между взаимотяготеющими крупными промышленно-экономическими районами страны, внутри экономических районов и т. д. Во всех случаях стремятся создать сетку связи (рисунок 2, б), при которой каждый узел связи связан со смежными ближайшими узлами или узлами, имеющими наибольшее тяготение. При этом создаются обходные, резервные пути и обеспечивается два-три независимых выхода к любому узлу связи.

 

 

Рис.3. Структура сети связи:

а — радиально-узловая; б—сетка связи.

 

 

Разновидностью сетевидной сети являются решетчатые (ячеистые) структуры. Они очень надежны, но на их сооружение требуются большие капитальные затраты.

В нашей стране соблюдается производственно-территориальный принцип административно-технического управления сетью Министерством связи России. По различным видам и отраслям связи функционируют управления и осуществляется руководство сверху вниз по производственному принципу. Одновременно действуют республиканские, краевые, областные производственно-технические управления связи, обеспечивающие руководство всеми видами связи в масштабе подведомственной территории.

 

Источник: http://www.aboutphone.info/kunegin/coax/page2.html

7.1 Принципы организации сотовой и микросотовой сетей мобильной телефонной связи.

 

Принципы организации сотовой и микросотовой сетей мобильной телефонной связи.

Задачей средств связи является доставка информации (речевой, факсимильной, данных, видео) в любое место в требуемый абонентом момент времени. Эта задача решается современными средствами стационарной телефонной сети лишь отчасти, так как тезис "... в любое место..." не может быть реализован стационарной сетью из-за привязки терминала к АТС физической абонентской линией. Основным отличием сетей сотовой подвижной связи от стационарных сетей телефонной связи является закрепление абонентской линии (дуплексного радиоканала) не за абонентской установкой, а фактически только за вызовом, либо поступающим к мобильному абоненту, либо исходящему от данного абонента. Таким образом к каждому радиоканалу сотовой сети имеют доступ любые абоненты, что позволяет повысить использование каналов. Как известно индивидуальные абонентские линии стационарной телефонной сети характеризуются низким использованием, в основе обеспечения помехозащищенности и секретности передачи информации в цифровых стандартах систем сотовой связи GSМ, DЕСТ и других. для надежной защиты от помех системы радиоуправления торпедами необходимо, чтобы источник и приемник сигнала синхронно меняли частоту. Такая процедура в цифровых сотовых сетях получила наименование - "прыжков по частотам".

Первые системы мобильной связи с автоматической коммутацией и маршрутизацией соединений были разработаны и реализованы в середине 60-х годов. Это стало возможным благодаря совершенствованию элементной базы и освоению УКВ - диапазона. На этом этапе развития сотовых сетей автоматической телефонной связи функции подключения мобильных абонентов к средствам стационарной сети, выполняла одна базовая приёмопередающая станция (ВТS – Base Transceiver Station). Абоненты, перемещаясь, осуществляли соединения посредством имеющихся у них подвижных станций (МS – Моbile Station). Структура сети с одной ВТS имела ряд недостатков, основными из которых являлись нижеследующие:

1) зависимость качества связи от расстояния между ВТS и МS (для сохранения высокого качества связи требовалось применять приемопередатчики с возможностью регулировки выходной мощности в широком диапазоне в зависимости от расстояния между ВTS и МS, что было сложно реализовывать);

2) в такой сети из-за ограниченного количества радиоканалов к ВТS могло быть подключено лишь несколько тысяч МS.

В процессе развития сотовых сетей вышеуказанные недостатки были устранены, путем замены одной мощной ВТS несколькими менее мощными, имеющими свои индивидуальные зоны обслуживания.

При этом полностью и с наименьшими наложениями покрывают поверхность шестиугольные ячейки правильной формы (соты), внутри каждой из которых устанавливается своя ВТS. На рис.7.71. представлено сотовое покрытие территории. Ячейки изображаются в виде правильных шестиугольников для того, чтобы модель покрытия представить в виде правильных геометрических фигур. На самом деле район покрытия может быть представлен так, как показано на рис.7.72.

Рис.7.71 Сотовое покрытие территории

Рис.7.72 Реальное представление ячеек

Искажения идеальной формы ячейки связаны со сложными процессами распространения радиоволн в районах застройки, сопровождаемыми «замираниями» (периодическими затуханиями и усилениями) радиосигнала. «Замирания» обусловлены тем, что радиосигналы при их распространении претерпевают многократные отражения от зданий и других объектов. Таким образом МS принимает сразу несколько сигналов одинаковой частоты сдвинутых по фазе, что влечет за собой ослабление основного сигнала (рис.7.73.).

Рис.7.73 Эффект замирания радиосигнала

Возможен случай, когда основной и отраженный сигналы будут равны по мощности и будут находиться в противофазе. Следовательно, в этом случае результирующий принимаемый сигнал окажется равным нулю, что приведет к прерыванию связи.

В сотовых сетях телефонной связи используются следующие способы борьбы с «замираниями»:

-передача радиосигналов с повышенной мощностью (так называемый «запас на замирание»);

-пространственное разнесение антенн на ВТS;

-применение модели повторного использования частот в сотах.

При пространственном разнесении антенн, на ВТS используются две антенны вместо одной. В этом случае пути распространения радиосигнала от ВТS к МS и в обратном направлении оказываются различными. В результате вероятность одновременных «замираний» в различных точках земной поверхности, удаленных друг от друга на несколько длин волн, будет мала. В то время, когда около одной антенны ВТS уровень напряженности поля будет мал, около второй антенны ВТS он может быть достаточным для уверенного приема сигнала. Далее поступающие сигналы усиливаются отдельными приемниками ВТS и складываются.

Доказано, что применение пространственного разнесения антенн на ВТS в цифровых сотовых сетях дает общий выигрыш в соотношении сигнал/помеха до 7 дБ.

Как будет показано ниже, использование моделей повторного использования частот в сотах является не только эффективным способом борьбы с «замираниями», но и средством для повышения емкости сотовой сети телефонной связи.

Расстановка ВТS по территории осуществляется так, чтобы маломощная МS имела доступ к каналам сотовой сети с любого места рассматриваемой территории. Однако при такой концепции построения сотовой сети возникли технические сложности:

1) потребовался узел коммутации мобильных станций (МSС -Моbi1е Switching Centre), обеспечивающего переключение установленного разговорного тракта при перемещении мобильного абонента из одной соты в другую, а также подключение абонентов стационарной телефонной сети к конкретной ВТS, в зоне действия которой находится требуемый мобильный абонент;

2) появилась необходимость контроля за перемещением (блужданием) МS, находящейся как в состоянии свободности, так и занятости.

Однако следует отметить, что при использовании данной концепции сотовой сети стационарная телефонная сеть освобождается от обслуживания вызовов, поступающих от одного мобильного абонента к другому. Такие соединения устанавливаются через МSС. В современной сотовой сети предполагается наличие совокупности МSС, в каждый из которых включаются несколько ВТS.

Предоставление абоненту сотовой сети возможности свободно перемещаться, вносит значительные изменения по сравнению со стационарной сетью в процессы обслуживания вызовов и в структурную организацию системы в целом. При построении сотовой сети обеспечивается защита от несанкционированного доступа к передаваемой информации; принципиально по-новому организуется система сигнализации; создаётся единая централизованная база данных о подвижных абонентах. При сравнении сотовых и стационарных сетей необходимо отметить следующее:

1) передвижение (блуждание) мобильных абонентов в свободном состоянии предполагает изменение координат доступа этих абонентов к радио трактам (физическим каналам) сотовой сети. В этих условиях маршрутизация вызовов, поступающих к подвижным абонентам, обеспечивается в сотовой сети средствами мобильного управления.

2) при перемещении подвижного абонента в занятом состоянии из одной соты в другую (или из одного сектора соты в другой сектор этой же соты) производится переключение его MS с одного физического канала на другой (замена физического канала). Замена физического канала производится в сотовой сети средствами управления радио ресурсами.

Несмотря на то, что вышеприведённая концепция требует усложнения оборудования, сети сотовой связи получили широкое распространение в мире. Однако уже первые годы эксплуатации сотовых сетей аналоговых стандартов АМРS, (Advanced Mobile Phone Systems), ТАСS (То1а1 Access Cellular System), NМТ (Nordic Mobile Те1ерhonе) и других выявили ограничения для их совершенствования.

Перечислим основные недостатки мобильных сетей аналоговых стандартов:

1) ограниченные возможности по увеличению емкости сети из-за необходимости поддерживать высоким соотношение сигнал/помеха (17 -18дБ);

2) уровень сервиса, предлагаемого абонентам сети, ограничен лишь несколькими услугами;

3) в сетях различных аналоговых стандартов используются несовместимые абонентские установки (например абонентский терминал стандарта ТАСS не может быть подключен к сети стандарта NMT и наоборот).

Таким образом появилась необходимость в разработке нового цифрового стандарта сети мобильной связи. Предварительные расчеты показали, что реализация такого стандарта силами специалистов одной страны потребовала бы больших инвестиций. В тоже время разработчиками обоснованно планировался быстрый возврат затраченных средств за счет коммерческого использования новой системы сотовой связи. Поэтому при разработке нового цифрового стандарта было решено объединить усилия всех стран, заинтересованных в этом проекте.

На первом этапе разработки потребовалось определить общую полосу радиочастот, выделяемую для функционирования сети нового европейского цифрового стандарта. Это было сделано еще в 1978 году, то есть до внедрения в коммерческую эксплуатацию сетей аналогового стандарта NМТ - 450. Тогда представителями всех участвующих в проекте стран было решено выделить две полосы частот шириной 25 МГц, расположенных вокруг 900 МГц (935 - 960 МГц при передаче информации в сторону мобильной станции и 890 - 915 МГц при передаче в обратном направлении).

Планирование сотовой сети. Основными исходными данными для планирования сотовой телефонной сети являются: емкость сети (предполагаемое число абонентов) и распределение емкости; охватываемая сетью территория; предполагаемая стоимость услуг связи; требуемое качество обслуживания абонентов; технические характеристики используемой системы сотовой связи; географические особенности местности.

В результате планирования определяется: число МSС; количество ВТS, включаемых в один МSС; распределение частот между ВТS; территория, охватываемая одной ВТS и одним МSС; географическое расположение ВТS и МSС.

Важным преимуществом цифровых сотовых сетей связи перед аналоговыми является возможность увеличения числа каналов в сети, то есть её ёмкости.

В принципе такое увеличение может быть осуществлено двумя путями:

1. расширением частотного диапазона, отведённого для организации радиоканалов;

2. более эффективным использованием частотного диапазона.

Из-за существующего дефицита свободного частотного пространства очевидна предпочтительность второго пути развития сотовых сетей.

Как указывалось, выше, каждая базовая станция одновременно обеспечивает функционирование ограниченного числа радио трактов. Поэтому для увеличения емкости сети сотовой связи разработаны модели повторного использования несущих частот в близлежащих сотах. Например, если одна и та же несущая частота используется в каждой девятой соте сети, а общее количество несущих частот в системе равно N, то, следовательно, в каждой ячейке одновременно может быть использовано N/9 несущих частот. Обычно сотовые системы связи характеризуются количеством организованных ячеек, приходящихся на 1 км².

На примере стандарта GSМ приведем факторы, которые позволяют использовать в цифровых сотовых сетях связи более эффективные, чем в аналоговых сетях, модели повторного использования частот. Такими факторами являются используемый вид модуляции и способ кодирования сигналов, обеспечивающие допустимое соотношение сигнал/шум, равное 9 дБ. Следует отметить, что в сотовых телефонных сетях аналоговых стандартов соотношение сигнал/шум составляет 17-18 дБ. Поэтому передатчики базовых станций (ВТS), работающие на совпадающих частотах, в стандартах цифровых сотовых сетей могут быть размещены в близко расположенных сотах без риска возникновения переходных помех.

 

 

7.2 Принцип построения сети и базовые элементы сети

 

Принцип построения сети и базовые элементы сети.

Принципы построения сотовой сети

Несмотря на многообразие существующих стандартов сотовой связи и обилие особенностей их реализации, построение и алгоритмы работы таких систем во многом сходны. Теоретически разделить территорию на одинаковые по форме зоны без перекрытия или пропусков можно путем использования трех правильных геометрических фигур: треугольника, квадрата и шестиугольника. В первом случае базовые станции должны располагаться на местности в шахматном порядке, а во втором — квадратно-гнездовым способом. Но наиболее экономное и эффективное покрытие достигается зонами в виде шестиугольников. А причина здесь простая: именно шестиугольник почти идеально описывает рабочую зону цифровой базовой станции, установленной в центре ячейки и имеющей антенну с круговой диаграммой направленности. В тех местах, где требуется одновременное обслуживание большого числа абонентов, используется метод расщепления сот — создание зон меньшего размера. В этом случае исходный шестиугольник делится на семь шестиугольников меньшего размера (пико соты). При этом вся остальная структура сети не нарушается. Необходимо заметить, что геометрически правильная форма рабочих зон далеко не всегда достижима на практике. Дальность распространения радиоволн зависит от рельефа местности: холмов, оврагов, гор, больших зданий и т. п. Они искажают форму рабочих зон и вынуждают располагать базовые станции далеко не всегда в строгом геометрическом порядке.

 

Теперь о технических аспектах. Основные элементы сотовой системы: абонентское оборудование (мобильные радиотелефоны), сеть базовых станций, размещенных на обслуживаемой территории, и центр коммутации.

 

Каждая базовая станция — это многоканальное приемно-передающее устройство, которое обслуживает абонентов в пределах своей соты. По специальным линиям связи (проводным или радиорелейным) все базовые станции соединяются с центром коммутации.

 

Центр коммутации обеспечивает управление сетью и по сути является специализированной автоматической телефонной станцией. Он хранит в своей памяти данные всех абонентов сотовой сети, отвечает за проверку прав доступа абонентов и их аутентификацию (подтверждение подлинности), обрабатывает и хранит информацию. Также в его обязанности входит: слежение за сигналами мобильных телефонов, их эстафетная передача при перемещении телефона из соты в соты, коммутация каналов в сотах при появлении помех или неисправностей, а главное — установление соединения абонента сотовой сети в соответствии с набранным номером с другим абонентом или выход в городскую, междугородную и международную телефонную сеть. В некоторых вариантах построения систем все эти функции разделяются между центром коммутации и еще одним элементом оборудования—контроллерами базовых станций.

 

Упрощенно порядок работы элементов сотовой сети выглядит так. В каждой базовой станции есть специальный канал, называемый управляющим, и все сотовые телефоны прослушивают сигналы на этом канале в ожидании вызова. В том случае, если абонент желает позвонить, сразу после набора номера радиотелефон начинает автоматический поиск свободного канала. При его обнаружении он передает свои параметры и набранный номер через базовую станцию на коммутатор сотовой сети. После проверки параметров абонента центр коммутации осуществляет соединение. В обратном направлении — при вызове абонента сотовой сети—коммутатор проверяет в своей базе данных наличие такого номера и начинает поиск радиотелефона в каждой из сот. Радиотелефон абонента, приняв этот вызов по управляющему каналу, передает подтверждение вызова, определяя таким образом свое местонахождение в сотовой сети. После этого коммутатор находит свободный разговорный канал в данной соте и переключает соединение на него.

 

Кроме организации соединений, коммутатор непрерывно следит за сигналами радиотелефонов и в процессе связи. Если возникает неисправность в оборудовании или появляются помехи, коммутатор находит другой свободный канал и переводит разговор на него. Перемещения абонента в процессе соединения (связь-то-мобильная!) могут привести к предельному снижению уровня сигналов. Тогда коммутатор переключается на другую базовую станцию, более близкую к абоненту. Эстафетная передача производится полностью автоматически и настолько быстро, что связь не прерывается, а абонент ничего не замечает.

 

Особая услуга сотовых систем — роуминг (от англ. roam — бродить, странствовать). Благодаря роумингу мы можем пользоваться сотовым телефоном при поездках в другие города или страны. Для обеспечения роуминга необходимо выполнение трех условий;

 

наличие в других регионах сотовых систем стандарта, совместимого со стандартом оператора, к которому был подключен радиотелефон;

 

наличие каналов связи, обеспечивающих передачу звуковой информации и данных об абоненте и его местонахождении;

 

наличие соответствующих организационных и экономических соглашений между компаниями о роуминговом обслуживании абонентов.

 

Если все эти условия будут выполнены и абонент закажет соответствующую услугу, оборудование исходной («домашней») и роуминговой («гостевой») сотовых сетей обеспечит автоматическую переадресацию всех входящих и исходящих вызовов, и связь будет осуществляться так, как если бы абонент и не покидал зону действия своей сети.

 

Аналоговые стандарты сотовой связи

 

 

На начальном этапе развития сотовой связи важнее всего было обеспечить максимально возможную зону охвата при минимально возможном количестве базовых станций. С этой задачей успешно справлялись аналоговые системы стандарта AMPS (AdvancedMobilePhoneService), в которых каждому абоненту на время разговора выделялась определенная полоса частот. При небольшом числе абонентов свободных частот хватало на всех, а базовые станции аналоговых систем диапазона 450 Мгц можно было размещать на значительном (десятки километров) расстоянии друг от друга. Первые сотовые телефоны весили чуть ли не пять килограммов, имели форму небольшого чемодана и стоили целое состояние. В те времена за весьма относительную, по нынешним представлениям, мобильность такому телефону прощали все остальные неудобства.

 

Однако по мере роста числа абонентов начали возникать проблемы перегрузки сети, так как ограниченного диапазона частот перестало хватать для всех одновременно разговаривающих.

 

Одной из основополагающих концепций любой сотовой системы связи является концепция "многостанционного (множественного) доступа", под которой понимается то, что система поддерживает одновременную работу в сети нескольких абонентов. Иными словами, значительное количество абонентов делят между собой ограниченное число радиоканалов. Любой абонент может получить доступ к любому радиоканалу. Канал в этой ситуации может рассматриваться как часть ограниченного частотного диапазона, выделенного для данной сети связи.

 

Интенсивный процесс развития новых технологий мобильной телефонной связи можно считать начавшимся с того момента, когда рост числа абонентов сотовых сетей связи натолкнулся на "шлагбаум" дефицита частот. Несмотря на значительные усовершенствования, стандарт аналоговой передачи AMPS был обречен, и начался переход на цифровые стандарты, позволяющие при прочих равных условиях кардинально увеличить количество одновременно разговаривающих абонентов.

 

В разных системах сотовой связи используются разные технологии множественного доступа. Традиционные аналоговые системы сотовой связи, основанные на стандартах AMPS и TACS (TotalAccessCommunicationsSystem), используют технологию частотного разделения каналов. Например, системы стандарта AMPS делят частотный диапазон на участки шириной 30 КГц на канал. Узкополосные системы AMPS (NAMPS) используют 10 КГц участки спектра на каждый канал, а системы TACS - 25 КГц участки спектра.

 

Организация сотовой сети

Сотовые телефоны перестали быть роскошью и производственной необходимостью. Они входят в нашу повседневную жизнь, активно изменяя как стиль, так и содержание наших будней.Основная идея организации сотовой телефонной сети предельно проста. Вся обслуживаемая территория разбивается на кусочки-соты, в которых имеются базовые станции, соединяющие мобильные телефоны между собой и с внешним миром. На карте такая сеть мобильной связи напоминает пчелиные соты, откуда и пошло название этого вида телекоммуникации. Телефоны в соседних сотах не мешают друг другу, потому что работают на разных частотах, а вот отстоящие более чем на соту просто не слышат друг друга благодаря тому, что земля круглая, и радиоволны, распространяясь, затухают.

Базовая станция с антеннами и трубка в руках абонента всегда находятся недалеко друг от друга и работают на минимальных мощностях, поэтому телефон становится поистине мобильным, компактным и легким. Между собой базовые станции соединяются высокоскоростной линией связи, по которым наши разговоры и приходят к сотовому оператору. Собравшись на головной сотовой станции, все звонки тарифицируются и коммутируются с адресатами. Естественно, что сотовые операторы имеют выход на телефонную сеть общего пользования, и звонок, если он проходит вне данной сети, начинает свое путешествие по земным линиям связи.

Благодаря единому управлению при переходе из соты в соту телефон автоматически передается на обслуживание новой базовой станции. Процесс передачи обслуживания сопровождается сменой рабочей частоты и занимает некоторое время, практически незаметное при разговоре.

Мобильный телефон не имеет постоянной прописки, и ему приходится периодически регистрироваться в сети, соответственно сотовый оператор даже при роуминге (т.е. когда его абонент путешествует по чужой территории) знает, где именно находится выходящий на связь аппарат, и при запросе подтверждает платежеспособность хозяина телефона.

 

7.3 Особенности коммутации в мобильной сети

 

 

7.4 Стандарты сетей мобильной телефонной связи.

 

 

7.5 Система сотовой связи для железнодорожного транспорта