Принципы передачи сигнала через радио интерфейс в сотовых системах связи
Наиболее важным и сложным с точки зрения реализации в любой системе сотовой связи является интерфейс между базовой станцией (BTS) и мобильной станцией (MS). Наибольшую сложность вызывает необходимость в ограниченном частотном диапазоне при воздействии помех передать как можно больше информации от как можно большего числа абонентов. Один стандарт сотовой связи от другого отличаются в первую очередь именно принципами организации радио интерфейса. От того, насколько эффективно будет решена вышеуказанная проблема и зависит успех той или иной системы сотовой связи. В этой статье мы постараемся рассмотреть основные принципы передачи сигналов между MS и BTS в различных системах сотовой связи.
Весь частотный диапазон в окружающем пространстве является общедоступным ресурсом, к которому теоретически каждый может получить доступ. Однако при одновременно передаче в одном и том же частотном диапазоне произойдет примерно то же самое, как если бы по одному телефону пытались разговаривать одновременно несколько абонентов, т.е. произойдет наложение сигналов или интерференция. Интерференция в радио пространстве будет ухудшать качество соединения, постоянно будут возникать ошибки и перезапросы, и, в конечном счете, это приведет к обрыву соединения. Чтобы не допустить возникновения интерференции, весь частотный диапазон поделен на диапазоны (полосы). В сотовой связи, например, используются диапазоны 800 Мгц, 900 Мгц, 1800 МГц, 1900 МГц, 2100 МГц и некоторые другие в зависимости от стандарта и страны. Цифра в названии диапазона указывает не на начало, конец или ширину частотной полосы. Это лишь условное название, а сами частоты располагаются в районе данной частоты.
Частотные каналы
Не все частотные диапазоны одинаково привлекательны. Для сотовой связи, например, наиболее ценным считается диапазон 900 МГц, чем 1800 МГц. Это связано с тем, что частоты из 900 диапазона меньше ослабляются при прохождении стен, крыш домов и других преград, а также распространяются на дальнее расстояние. Чтобы достичь таких же свойств на базовых станциях с 1800 диапазоном дополнительно приходится устанавливать усилители (МШУ – малошумящий усилитель) или применять большую излучаемую мощность на приемопередатчиках базовой станции. Чтобы сделать использование частотных диапазонов одинаково доступным для всех операторов регулярно проводятся аукционы, на которых они разыгрываются, а организацией "Ростехнадхор" проводятся регулярные проверки, чтобы выкупленные частотные диапазоны использовались только правообладателями.
Практически все сервисы, предоставляемые в сотовых системах связи двусторонние, т.е. предполагают не только передачу, но и прием информации. К таким услугам можно отнести телефонию, прием/передачу данных, факсов, SMS (Short Message Service), MMS (Multimedia Messaging Service) и т.д. Для их нормальной и устойчивой работы необходима организация двух каналов передачи от BTS к MS и наоборот. Канал связи от базовой станции к мобильной станции получил название Downlink (DL), а от мобильной станции к базовой – Uplink (UL). Обычно во всех системах связи эти каналы одинаковы по максимальной скорости передачи данных и ширине частотного канала.
После получения частотного диапазона и разделения его на UL и DL следующей важной задачей является разграничение доступа между абонентами в сеть. Для этого существует несколько технологий множественного доступа: FDMA (Frequency Division Multiple Access), TDMA (Time Division Multiple Access), CDMA (Code Division Multiple Access), а также их разновидности и сочетания. В стандарте GSM (Global System for Mobile Communications), например, используется сочетание FDMA и TDMA. Сначала весь частотный диапазон разбивается на полосы равной ширины – 200 кГц. После этого каждая из полос разбивается на 8 циклически повторяющихся таймслотов (TS). Таким образом, для каждого из абонентов в соте предоставляется свой таймслот в каком-то одном частотном канале. В стандарте UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) используются технологии FDMA и CDMA (в последних релизах к ним еще добавляется TDMA). Весь частотный диапазон, отведенный для данного стандарта связи, разбивается на полосы по 5МГц. Каждому абоненту в соте присваивается свой уникальный в данной соте код. Далее источник (UE (User Equipment) или NodeB) кодирует передаваемую информацию с помощью этого кода и передает информацию в эфир на действующей в данной конкретной соте частотной полосе. Приемник знает код источника и может извлечь из общего потока информацию предназначенную именно для него.
Uplink и Downlink на радио интерфейсе
Как уже отмечалось выше нельзя допускать ситуации, когда 2 приемопередатчика буду вещать на одной частоте и находится в близкорасположенных точках, т.к. это приведет к интерференции. Соответственно, и в сотовых системах связи интерференции допускать нельзя, т.е. сектора на одной и той же BTS должны работать на разных частотах. Кроме того соседние и близкорасположенные BTS (особенно между которыми возможен хэндовер) также не должны вещать на одинаковых частотах. Самым простым решением было бы использовать в каждой соте свою частоту на всей сети. Однако, как отмечалось ранее, число частотных полос ограничено и их не хватит на всю сеть. С целью обезопасить себя от интерференции применяют частотное планирование. Оно, как правило, проводится еще перед строительством и запуском сети.
Для метода CDMA соседние сектора вполне могут вещать на одной и той же частоте, а вот коды у соседних сот должны быть разными. Если две соседние NodeB будут кодировать свои сигналы с помощью одинаковых кодов, то UE не сможет однозначно определить, сигнал какой NodeB она принимает. Поэтому для сети доступа UMTS – UTRAN (UMTS Terrestrial radio access network) применяют кодовое планирование. Кодов гораздо больше, чем частотных каналов для метода FDMA. Поэтому и планирование значительно упрощается.
Таким образом, радио интерфейс между BTS и MS – это наиболее сложный интерфейс в любой системе сотовой связи. Именно он позволяет абоненту быть мобильным. От качества проработки вопросов выбора способа множественного доступа, используемого частотного диапазона, способов кодирования и вида модуляции зависит то, какие услуги может предоставлять сотовая система связи, сколько абонентов могут одновременно обслуживаться в соте, с каким качеством, и какую максимальную скорость передачи данных может предоставить.
