Система сотовой связи
CELLULAR COMMUNICATION SYSTEM

Настоящее изобретение относится к области радиотехники, в частности к системе сотовой связи, и предназначено для оптимизации условий работы подвижной сотовой радиосвязи.
Быстрота развития сотовой связи и капиталовложений в ее создание и эксплуатацию столь велики, что требуется постоянное дальнейшее развитие, усовершенствование, поиск дополнительных возможностей повышения технико-экономической эффективности систем связи.
Эффективно работающая система подвижной сотовой радиосвязи должна обслуживать максимальное число одновременно работающих абонентских станций с высоким качеством передачи и приема информации, при этом необходимым условием является обеспечение минимального уровня взаимных помех, как между абонентами, так и между ячейками (сотами).
В условиях ограничения полосы рабочих частот, отведенных для сотовых систем подвижной связи, увеличение числа пользователей достигается повторным использованием рабочих частот, пространственным, временным разнесением излучаемых сигналов и применением эффективных способов модуляции, приемами, которые необходимо разрабатывать и определять в каждом конкретном случае.
Известны описанные в патенте США №5943361, опубл. 1999.08.24, система мобильной сотовой связи и способ генерирования сигнала в этой системе путем коллективного доступа с кодовым разделением каналов. Согласно патенту, базовая станция (БС) содержит устройство для приема сигналов абонентских станций (АС), включающее две приемные антенны для приема сигналов АС и, соответственно, два аналогово-цифровых приемника и, по меньшей мере, два приемника поиска и три приемника данных, блок объединения сигналов с декодером, управляющий процессор, цифровой канал передачи данных и устройство для передачи сигналов. Устройство для передачи сигналов БС содержит последовательно соединенные модулятор, блок управления регулировкой мощности, сумматор, усилитель мощности передатчика, соединенный с блоком пилот-сигнала, и антенну для передачи информации в обратном канале. Работает известная система следующим образом. На каждую приемную антенну БС поступает групповой сигнал, который состоит из суммы сигналов абонентских станций, находящихся в зоне обслуживания данной приемной антенны. Энергия группового сигнала на входе каждой приемной антенны БС равна сумме энергий сигналов от каждой из АС и является усредненной характеристикой канала связи. В аналого-цифровом приемнике эти сигналы преобразуются в цифровую форму и подаются на входы приемников поиска и приемников данных. Приемники поиска сканируют область неопределенности и обнаруживают сигналы АС. Обнаружив сигнал АС, приемники поиска передают информацию управляющему процессору. Управляющий процессор оценивает поступившие информационные сигналы с приемников поиска и передает управляющие сигналы на приемники данных. Приемники данных по управляющему сигналу обрабатывают поступивший сигнал и выдают обработанный сигнал в блок объединения сигналов с декодером. Блок объединения сигналов с декодером выполняет операции разнесенного приема сигналов каждой конкретной АС, приходящих с приемников данных, декодирует их и передает в сеть пользователей. Недостатком известной системы и описанного алгоритма работы является то, что они не позволяют реализовать требуемую (потенциальную) емкость ячейки сотовой связи при неравномерном распределении АС по площади ячейки, что ограничивает возможности увеличения пропускной способности системы.
0,i
Известна система сотовой связи (М.В. Ратынский. Основы сотовой связи. М.: Радио и связь. 2000, с. 20-31), основанная на принципе повторного использования частот, построенная в виде N ячеек с базовой станцией в каждой и площадями S, где i изменяется от 1 до N, покрывающих в совокупности всю обслуживаемую территорию, с обеспечением радиосвязью абонентских терминалов, находящихся в пределах ячейки, содержащая центр коммутации, общий для всех базовых станций системы. Упомянутый центр включает функционально соединенные центральный контроллер, коммутатор, контроллеры связи для передачи обслуживания от одной базовой станции к другой при перемещении абонентских терминалов из одной ячейки в другую и соединения с другими системами связи, причем центральный контроллер содержит функционально соединенные друг с другом и с коммутатором главный процессор, средство выделения радиоканалов через базовые станции абонентским терминалам и средство установления заданного порядка доступа к радиоканалам. При этом каждая базовая станция содержит приемопередающие устройства, выполненные с обеспечением в совокупности радиопокрытия всей площади i-той ячейки, контроллер базовой станции и блок сопряжения с линией связи, последовательно функционально соединенные с контроллерами связи центра коммутации, а каждый абонентский терминал содержит функционально соединенные блок управления, приемопередающий блок и антенный блок, выполненный с возможностью функциональной связи с приемопередающими устройствами базовой станции. Известная система располагает ограниченными возможностями увеличения своей емкости и уменьшения внутрисистемных помех связи, не обеспечивает экономии частотного ресурса и тем самым не позволяет увеличить технико-экономическую эффективность системы сотовой связи.
Наиболее близкой к заявляемой является система сотовой связи, описанная, в частности, в российском патенте №2439857, опубл. 2012.01.10, обеспечивающая уменьшение воздействия излучения от антенны телефона на человека. Известная система содержит один или несколько телефонов с коротким радиусом действия и концентратор сотовой связи, выполненный с возможностью установления беспроводной связи короткого радиуса действия с телефонами и канала связи с сотовой базовой станцией. Концентратор содержит модуль идентификации пользователя, память для хранения информации, ценной для пользователя, и интерфейсы ввода/вывода для приема контента от внешних источников. При этом концентратор обеспечивает связь между телефонами по каналу беспроводной связи короткого радиуса и связь между каждым телефоном и базовой станцией путем создания канала связи между концентратором и сотовой базовой станцией и канала беспроводной связи короткого радиуса действия к телефону.
Структура известной системы, в которой множество блоков интерфейсов телефонов связаны через один концентратор сотовой связи с одной сотовой базовой станцией, не обеспечивает достаточно равномерного распределения трафика в пространстве и между компонентами системы. В результате известная система обнаруживает недостаток ресурсов связи и недостаточно высокую пропускную способность, что не позволяет обеспечить достаточно высокое качество принимаемой и передаваемой информации при увеличивающемся числе одновременно работающих пользователей, а также является препятствием для разработки и внедрения новых технологий, например, «интернета вещей - ИВ» (ИВ - сеть домашних и промышленных электронных устройств с полностью автоматизированным циклом работы, которые подключены к интернету, управляются через него и могут обмениваться данными друг с другом через интернет, локальную или беспроводную сеть).
Задачей изобретения является разработка системы сотовой связи с высокой пропускной способностью, обладающей достаточными ресурсами для увеличения трафика и внедрения новых технологий.
Технический результат предлагаемой системы сотовой связи заключается в увеличении ее пропускной способности за счет максимально равномерного распределения трафика и мощности электромагнитного излучения в пространстве и между компонентами системы заданной конфигурации: блоками интерфейсов телефонов, концентраторами и сотовыми базовыми станциями, в обеспечении возможности увеличения трафика и внедрения новых технологий при одновременном улучшении качества принимаемой и передаваемой информации.
Указанный технический результат достигают системой сотовой связи, содержащей соединенные между собой каналами с коротким радиусом действия блоки интерфейса телефона, каждый из которых включает приемопередатчик, обеспечивающий беспроводную связь короткого радиуса действия с концентратором сотовой связи; аппаратурное оснащение, включающее микрофон, наушник, дисплей и клавиатуру; а также схему с программным обеспечением для управления работой упомянутого аппаратурного оснащения и для установления канала беспроводной связи короткого радиуса действия между блоком интерфейса телефона и концентратором сотовой связи; антенну с передатчиком и приемником мощных сигналов радиочастотной связи (РЧ-связи), связывающую каналом РЧ-связи концентратор с сотовой базовой станцией; один или несколько интерфейсов ввода/вывода контента концентратора сотовой связи с внешними источниками/пользователями; схему, которая включает чип флэш-памяти, чип постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), секцию радиочастотной (РЧ) обработки и электропитания; радиочастотные усилители (РЧ-усилители); SIM-карту и соответствующее программное обеспечение, при этом канал беспроводной связи короткого радиуса действия осуществляет связь между блоками интерфейса телефона и внешними источниками/пользователями, причем система, в отличие от известной, дополнительно содержит один или несколько концентраторов сотовой связи, снабженных приемопередатчиками средней дальности, с помощью которых они соединены каналами радиосвязи средней дальности друг с другом и с блоками интерфейса телефонов, также снабженными приемопередатчиками средней дальности, при этом упомянутые концентраторы каналами беспроводной связи короткого радиуса действия связаны с блоками интерфейса телефонов, а все компоненты каждого концентратора сотовой связи объединены общей шиной для связи друг с другом и, посредством одного или нескольких интерфейсов ввода/вывода контента, с внешними источниками/пользователями; кроме того, каждый концентратор сотовой связи дополнительно снабжен, по крайней мере, одной антенной с передатчиком и приемником мощных сигналов РЧ-связи, подключенных к общей шине.
В преимущественном варианте выполнения предлагаемой системы сотовой связи каждый концентратор сотовой связи выполнен с возможностью одновременной радиосвязи с разными сотовыми базовыми станциями одного или разных операторов.
Также в преимущественном варианте выполнения предлагаемой системы каждый канал мощной РЧ-связи соединяет соответствующую сотовую базовую станцию, снабженную соответствующей антенной, с передатчиком и приемником мощных сигналов РЧ-связи, а те, в свою очередь, связаны с общей шиной.
Для обеспечения возможности реализации технологии eSIM в состав блоков интерфейса телефона дополнительно включен блок памяти и общая шина, соединяющая все элементы блока, кроме того, эти блоки снабжены модулями идентификации пользователя и вторичными идентификационные картами, при этом в состав каждого концентратора сотовой связи дополнительно введен, по крайней мере, один модуль идентификации пользователя, подключенных к общей шине.
Предлагаемая система сотовой связи представлена на чертежах, где на фиг. 1 показана ее общая структурная блок-схема, а на фиг. 2 - один из блоков общей блок-схемы, приборная составляющая и программное обеспечение которого предназначены для поддержания беспроводной связи короткого радиуса действия между составляющими системы.
На чертежах использованы следующие обозначения:
1 - один или несколько блоков интерфейса телефона;
2 - каналы с коротким радиусом действия;
3 - приемопередатчик;
4 - концентратор сотовой связи;
5 - микрофон; 6 - наушник; 7 - дисплей; 8 - клавиатура;
9 - первая схема с соответствующим программным обеспечением, управляющая работой аппаратурного оснащения и установкой канала беспроводной связи короткого радиуса действия блоков интерфейса телефона с концентратором;
10 - приемопередатчик;
11 - антенна с передатчиком и приемником мощных сигналов РЧ-связи;
12 - канал мощной РЧ-связи;
13 - сотовая базовая станция;
14 - блоки интерфейсов ввода/вывода контента;
15 - внешние источники/пользователи;
16 - схема, включающая оборудование и программное обеспечение, поддерживающие беспроводную связь короткого радиуса действия между блоками 1; и/или связи между каждым из упомянутых пользователей 1 и упомянутой сотовой базовой станцией 13 путем создания канала 12 мощной РЧ-связи между упомянутым концентратором сотовой 4 связи и упомянутой сотовой базовой станцией 13; и/или соединения через канал 2 беспроводной связи короткого радиуса действия с упомянутыми блоками 1 интерфейса телефона; или соединения между каждым из упомянутых блоков 1 интерфейса телефона и упомянутыми внешними 15 источниками/пользователями по упомянутому каналу 2 беспроводной связи короткого радиуса действия;
17 - модуль идентификации (идентификационная карта) пользователя;
18 - модуль памяти;
Элементы 19-24 входят в состав вышеупомянутой схемы 16 с программным обеспечением, где:
19 - чип флэш-памяти;
20 - чип ПЗУ;
21 - секция РЧ;
22 - блок электропитания;
23 - РЧ-усилители;
24 - SIM-карта;
Секция РЧ 21 соединена через последовательно включенные SIM-карту 24, чип ПЗУ 20 с чипом флэш-памяти 19, при этом чип ПЗУ 20 отдельной шиной связи соединен через РЧ-усилитель 23 с секцией РЧ 21, которая является входом и выходом схемы 16, снабженной программным обеспечением.
Ко всем компонентам схемы 16 с помощью индивидуальных электрических линий подведено электропитание от блока 22.
25 - вторичная идентификационная карта;
26 - интерфейсы ввода/вывода;
27 - каналы радиосвязи среднего дальности действия;
28 - приемопередатчики средней дальности;
29 - общая шина.
К общей шине 29 подключена секция РЧ 21, входящая в состав схемы 16.
30 - блок памяти;
31 - общая шина блока интерфейса телефона.
Таким образом, предлагаемая система сотовой связи содержит один или несколько блоков 1 интерфейса телефона, соединенных каналами 2 с коротким радиусом действия. Каждый из блоков 1 содержит следующее аппаратурное оснащение: приемопередатчик 3 для обеспечения беспроводной связи короткого радиуса действия с концентратором 4 сотовой связи; 5 микрофон; 6 наушник; 7 дисплей; 8 клавиатуру; а также схему 9 с программным обеспечением для управления работой упомянутого аппаратурного оснащения и для установления канала 2 беспроводной связи короткого радиуса действия с концентратором 4. Концентратор сотовой связи 4 содержит приемопередатчик 10 для установления канала 2 беспроводной связи короткого радиуса действия с упомянутым блоком 1 интерфейса телефона через находящийся в блоке 1 приемопередатчик 3; антенну с передатчиком и приемником 11 мощных сигналов радиочастотной связи (РЧ-связи), соединенную каналом 12 мощной РЧ-связи с сотовой базовой станцией 13; один или несколько интерфейсов 14 ввода/вывода контента концентратора 4 сотовой связи с внешними 15 источниками/пользователями. Схема 16 и соответствующее программное обеспечение служат для установления связи между блоками 1 интерфейса телефона по каналу 2 беспроводной связи короткого радиуса действия либо связи между каждым из упомянутых блоков 1 интерфейса телефона и сотовой базовой станцией 13 путем создания канала 12 мощной РЧ-связи между упомянутым концентратором сотовой связи 4 и упомянутой сотовой базовой станцией 13 и соединения через канал 2 беспроводной связи короткого радиуса действия с упомянутым блоком 1 интерфейса телефона. Эта схема также может служить для соединения между каждым из упомянутых блоков 1 интерфейса телефона (пользователей) и внешними 15 источниками/пользователями по каналу 2 беспроводной связи короткого радиуса действия.
Система включает также модуль 17 идентификации пользователя и модуль 18 памяти для хранения информации, ценной для упомянутого пользователя, при этом блок 1 интерфейса телефона выполнен в форме сотового телефона.
Канал 2 беспроводной связи короткого радиуса действия осуществляет связь между блоком 1 интерфейса телефона и концентратором 4 сотовой связи, а канал 12 мощной РЧ-связи соединяет концентратор 4 сотовой связи с сотовой базовой станцией 13.
При наличии в системе множества абонентских терминалов, соединяемых с друг с другом непосредственно радиоканалами с коротким радиусом действия и дополнительно каналами со средним радиусом действия, благодаря связи с сотовыми базовыми станциями, осуществляемой, по крайней мере, через два концентратора, с учетом возможности обмена данными с сотовыми базовыми станциями разных сотовых операторов, предлагаемая система позволяет значительно увеличить общий трафик при таком его распределении в пространстве, когда трафик в максимальной степени замкнут внутри подсистемы, ограниченной концентраторами сотовой связи, без значительного увеличения интенсивности трафика через сотовые базовые станции.
На практике действие предлагаемой системы приводит к максимально равномерному распределению количества блоков интерфейса телефона между зонами покрытия как концентраторов, так и различных сотовых базовых станций.
Заметное увеличение трафика, в том числе, при необходимости, трафика интернета вещей, не приведет к перегрузке сети сотовых операторов, в принципе сохранится приемлемый уровень помех для соседних радиокомпонентов системы. Таким образом, распределение электромагнитного поля излучений в пространстве между различными сотовыми операторами с помощью множества радиокомпонентов системы снизит уровень взаимных помех, распределит трафик по каналам и обеспечит сохранение качества связи на приемлемом для пользователей уровне.
Возможность наращивания вычислительной мощности распределенных блоков интерфейсов телефонов и концентраторов сотовой связи является стимулом их постепенной модернизации и замены, что также можно отнести к преимуществам предлагаемого технического решения.