СИСТЕМА СОТОВОЙ СВЯЗИ
CELLULAR COMMUNICATION SYSTEM

Изобретение относится к области беспроводной радиосвязи и может быть использовано для построения недорогой надежной системы сотовой связи с большой территорией охвата в менее населенной местности, чем крупные города, где пока сотовая связь не разворачивается по экономическим соображениям, например в лесных угодьях вокруг населенных пунктов, в дачных поселках и т.п.
Известно, что каждая базовая станция (БС) мобильной сотовой связи обслуживает свою соту, размеры которой определяются не только трафиком занятости радиоканалов, но и условиями распространения радиоволн. Обычно зоны действия сот мобильной сотовой связи сосредоточены в крупных населенных пунктах, вдоль авто- и железнодорожных магистралей. В городах размер (радиус) соты мобильной сотовой связи не превышает 3-5 км. Поэтому в существующих сотовых сетях всегда есть участки территории, не охваченные сотовой связью либо по коммерческим соображениям, либо из-за профиля местности. В некоторых областях Центральной части России, например в Нижегородской области, такие участки составляют не менее 25% территории (см., например, страницу сайта оператора сотовой связи МТС по Нижегородской области http://www.mts.ru/mts/nnov).
Стандартная структурная схема системы сотовой связи, например GSM, включает подсистему базовых станций, в которую входят базовые станции и контроллеры базовых станций, и подсистему коммутации, содержащую центр коммутации. Указанные сетевые элементы соединяются между собой волоконно-оптическими линиями связи (ВОЛС) либо радиорелейными линиями (РРЛ), что составляет значительную часть затрат на создание системы связи и оправдано, когда имеется спрос на значительный трафик, окупающий затраты на создание такой системы связи. Пространственно распределенные базовые станции, установленные, как правило, в арендуемых помещениях или на специальных башнях и мачтах, формируют зону покрытия и обеспечивают прием и передачу сообщений от абонентских мобильных станций (МС) и к ним (Закиров З.Г. и др., Сотовая связь стандарта GSM. Современное состояние, переход к сетям третьего поколения. М.: Эко-трендз, 2004 г. раздел 1.2, стр.9-13). Обычно зоны действия сотовой связи покрывают территории с высокой плотностью населения, когда затраты на создание и обслуживание сети окупаются и экономически оправданы. При этом увеличение зоны покрытия в стандартной системе сотовой связи возможно только за счет увеличения количества базовых станций со всеми их кабельными линиями связи (ВОЛС) и/или РРЛ, что приводит к существенному повышению себестоимости системы сотовой связи и не позволяет компаниям-операторам сотовой связи расширять зону обслуживания в менее населенной местности.
Известна система сотовой связи, обеспечивающая увеличение зоны обслуживания преимущественно вдоль автомобильных и железных дорог без увеличения количества базовых станций, выбранная в качестве прототипа (пат. RU №2279764, МПК8 H04B 7/26, публ. 10.07.2006 г.). Данная система сотовой связи содержит взаимосвязанные между собой подсистему коммутации и подсистему базовых станций, которая включает в себя целое число Q базовых станций (БС), взаимосвязанных посредством ВОЛС с контроллером базовых станций (КБС), и мобильные станции, связанные по радиоканалам рабочих частот системы сотовой связи с антенным входом-выходом рабочих частот соответствующих базовых станций. В данном техническом решении увеличение зоны покрытия сети обеспечивается за счет использования особых ретрансляторов с переносом канальной емкости сети, взаимосвязанных между собой по радиоканалам на частотах ретрансляции, а не на рабочих частотах мобильных станций. Главным достоинством данной известной системы является уменьшение количества требуемых ВОЛС при организации связи КБС с ретрансляторами. ВОЛС нужна только для связи контроллера базовых станций с базовыми станциями, но не с ретрансляторами. Кроме того, уменьшается требуемая мощность БС и ретрансляторов из-за уменьшения зон их действия, что облегчает вес оборудования, а следовательно, - сложность конструкции башенных сооружений. Радиус зоны покрытия одной БС с шестью ретрансляторами такой системы достигает 35 км, а при «линейном» развертывании такой системы сотовой связи вдоль транспортных магистралей протяженность зоны действия достигает 60 км за счет замены части базовых станций на ретрансляторы.
Недостатком данной системы является то, что для размещения дополнительных ретрансляторов и оборудования БС требуется использование дополнительных мачтовых сооружений, что является неприемлемым по коммерческим соображениям при создании связи в малонаселенном регионе с большой площадью. Кроме того, для радиоретрансляции сигналов требуется выделение (получение) специальных дополнительных радиочастот, отличных от частот, используемых в радиоинтерфейсах сотовой связи.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является создание надежной недорогой системы сотовой связи с большой территорией охвата в малонаселенной местности.
Заявленный технический результат достигается тем, что предлагаемая система сотовой связи, так же как и система-прототип, содержит взаимосвязанные между собой подсистему коммутации и подсистему базовых станций (ПБС) сотовой связи с контроллером базовых станций КБС, связанную с обслуживаемыми мобильными станциями МС по радиоканалам.
Новым в предлагаемой системе является то, что в подсистему базовых станций дополнительно введена, по крайней мере, одна базовая станция радиальной системы (БСРС), работающая с мобильными станциями по радиальному принципу, покрывающая своим радиополем весь требуемый регион и соединенная с упомянутым контроллером базовых станций, при этом контроллер базовых станций перепрограммирован таким образом, что обеспечивает переключение каждой МС на базовую станцию БСРС только в случае, когда связь мобильной станции с базовыми станциями сотовой связи (БССС) прекращается.
В первом частном случае целесообразно базовую станцию радиальной системы БСРС изготовить в виде базовой станции сотовой связи БССС, работающей на радиочатотах сотовой связи, с повышенными в 2-5 раз и более, в зависимости от требуемых размеров зоны действия радиального покрытия, мощностью радиопередатчиков и чувствительностью радиоприемников и установить на высоте более 100 метров, например, на телебашне.
Во втором частном случае при размерах зон действия БСРС радиусом более 35 км целесообразно в контроллер БСРС дополнительно ввести блок для увеличения параметра временного упреждения (Time Advance) для компенсации задержки времени прохождения сигналов на участке базовая станция - мобильная станция.
В третьем частном случае для работы на радиочастотах диапазонов 150 или 450 МГц, обладающих лучшими характеристиками распространения радиоволн в условиях пересеченной местности, целесообразно мобильные станции снабдить дополнительными встроенными радиоблоками на эти частоты, а базовые станции БСРС изготовить для работы на этих частотах.
Сущность изобретения заключается в том, что предлагается дополнить систему сотовой связи радиальной системой, выполняющей функцию дополнительной соты со сложной конфигурацией, охватывающей связью участки, необслуживаемые обычной сотовой системой (сетью). Причем на территории с наличием обычной сотовой связи приоритет отдается ей, а на территории, где нет этой связи, «вступает в работу» радиальная связь (т.е., когда подвижная мобильная станция абонента сотовой связи не обнаруживает ни одной базовой станции сотовой связи, она автоматически переключается на радиальную систему - ее базовую станцию БСРС), см. фиг.1. Особенностью радиальных систем является то, что размеры зоны их действия (радиус которых может достигать более 50 км) намного больше размеров сотовых зон (сот) благодаря большей высоте подвеса передающих и приемных антенн (например, на телебашне), большей мощности радиопередатчиков и повышенной чувствительности радиоприемников. Если одной радиальной системы недостаточно для охвата всего региона, то может использоваться несколько таких систем с радиооборудованием, располагаемым также на башнях телеретрансляции, которые в настоящее время обычно равномерно размещены в различных точках регионов, по крайней мере, в Европейской части России. Такие радиальные системы могут работать как в синхронном режиме - на одинаковых радиочастотах (сигналах), так и по сотовому принципу - на отличных радиочастотах (сигналах). Таким образом, использование базовой станции радиальной системы БСРС в качестве дополнительной соты позволяет решить поставленную задачу, т.е. создать в малонаселенной местности надежную недорогую систему сотовой связи с большой территорией охвата. Кроме того, использование БСРС обеспечивает более равномерное покрытие обслуживаемой территории бесперебойной сотовой связью, восполняя в зоне обслуживания участки с некачественной связью (с низким уровнем сигнала). Телевизионному сигналу такая станция БСРС помехи не создает, так как они работают в разных частотных диапазонах.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг.1 показано упрощенное представление зон действия базовых станций сотовой связи (сот) и дополняющей их зоны действия базовой станции радиальной системы БСРС.
На фиг.2 представлена блок-схема сотовой связи с, по крайней мере, одной базовой станцией радиальной системы БСРС.
с
п
с
п
пор
с
п
На фиг.3 представлены графики зависимости отношения мощности сигнала базовой станции к мощности помехи Р/Р от расстояния R с указанием порогового уровня (Р/Р), ниже которого нарушается связь БС сотовой связи с мобильной станцией. Представленные графики иллюстрируют, при каком соотношении мощностей сигнала и помехи Р/Р передающих базовых станций сотовой связи мобильная станция переключается на БСРС.
Представленные на фиг.1 заштрихованные участки обозначают зону действия базовой станции радиальной системы БСРС, дополняющую зоны действия станций сотовой связи. Пунктиром показана граница зоны действия базовой станции радиальной системы БСРС. Незаштрихованные круги означают зоны действия (соты) сотовой связи.
Блок-схема, представленная на фиг.2, содержит взаимосвязанные между собой подсистему 1 базовых станций и подсистему 2 коммутации. Подсистема 1 включает в себя N базовых станций сотовой связи 3, связанных по радиоканалам с обслуживаемыми мобильными станциями 4. Каждая из базовых станций 3 связана линией связи 5 с контроллером 6 базовых станций, также входящим в подсистему 1 базовых станций. Подсистема 2 коммутации содержит центр 7 коммутации, который через транскодер 8 соединен с контроллером 6 базовых станций. Особенностью предлагаемой системы сотовой связи является то, что в подсистему 1 введена, по крайней мере, одна базовая станция радиальной системы БСРС 9, работающая с МС 4 по радиальному принципу, покрывающая своим радиополем весь требуемый регион и соединенная линией связи 5 с упомянутым контроллером 6 базовых станций. Контроллер 6 выполнен таким образом, что обеспечивает переключение каждой МС 4 на базовую станцию БСРС 9 только в том случае, когда связь МС 4 с базовыми станциями сотовой связи 3 теряется (прекращается).
В одном частном случае базовая станция БСРС 9 в примере конкретной реализации изготовлена в виде мощной станции сотовой связи, например, за счет использования двух радиопередатчиков с мостом сложения мощности. При этом для повышения чувствительности приемников БСРС 9 использованы антенные усилители, а для уменьшения потерь в антенном фидере БСРС 9 использованы компандеры.
В другом частном случае при увеличении радиуса зоны действия БСРС 9 более 35 км (на расстояния до 35 км рассчитаны существующие системы сотовой связи) для компенсации задержки времени прохождения сигналов между БСРС 9 и МС 4 предлагается контроллер 6 дополнить блоком для увеличения параметра временного упреждения. Этот параметр может быть увеличен, например, за счет сдваивания таймслотов для «пакетов доступа» (подключения МС 4 к сети) и хендовера (переключения МС 4 с одной БС (соты) на другую), что позволяет осуществить компенсацию времени прохождения радиосигнала (его задержку) в радиоинтерфейсе при прохождении радиосигналом расстояния более 35 км.
В третьем частном случае от изготовителей мобильных станций 4 требуется оснастить последние встроенными радиоблоками на частоты 150 или 450 МГц. Это не должно представлять большого затруднения, т.к. современные мобильные станции и так содержат значительное количество встроенных радиоблоков на разные частоты. При этом базовые станции 3 требуется изготовить для работы на этих частотах.
Система сотовой связи, дополненная, по меньшей мере, одной БСРС 9, структурная схема которой представлена на фиг.2, работает следующим образом.
Базовая станция БСРС 9 за счет большой высоты подвеса антенн, повышенной мощности радиопередатчиков и большей чувствительности радиоприемников имеет увеличенную зону действия, что позволяет ей работать в режиме радиальной связи, т.е. зона действия БСРС 9 «покрывает» зоны действия сотовых станций 3 (см. фиг.1). Если в регионе действует несколько станций БСРС 9, то зона каждой из них «накрывает» значительную часть зон базовых станций сотовой связи (БССС) 3 и весь обслуживаемый регион.
с
п
СС1
СС2
с
п
пор
доп
с
п
СС1
СС2
с
п
пор
доп
Сигнал от абонентской МС 4 принимается ближайшей БССС 3, соединенной линией связи 5 с контроллером КБС 6, в котором осуществляется контроль соединения БССС 3 с центром 7 коммутации и транскодером 8, контроль за распределением радиоканалов и их очередностью и управление очередностью передач сообщений персонального вызова. Центр 7 коммутации устанавливает соединение к мобильным станциям 4 и от них, доставку информации и выполняет ряд других функций, необходимых для работы мобильных станций 4. Передача сигналов в сторону МС 4 происходит в обратном порядке. Поскольку контроллер КБС 6 перепрограммирован таким образом, что включает работу БСРС 9 с МС 4 только в том случае, когда МС 4 попадает в участки региона, где связь с БССС 3 прекращается, то на этих участках базовой станцией для МС 4 является БСРС 9. При этом алгоритм перехода с БССС 3 на БСРС 9 сохраняется в соответствии с режимом «хендовера». Как показано на фиг.3а), когда отношение мощности сигнала к мощности помехи Р/Р соседних базовых станций сотовой связи БС и БС выше порогового уровня (Р/Р) переключение МС 4 на БСРС 9 не происходит. В другом случае, как показано на фиг.3б), на участке R, где отношение мощности сигнала к мощности помехи Р/Р соседних базовых станций сотовой связи БС и БС ниже порогового уровня (Р/Р), происходит переключение МС 4 на БСРС 9. Фиг.3в) иллюстрирует случай, когда на участке R отсутствуют сигналы от всех обычных станций сотовой связи БССС 3, и в работу вступает станция БСРС 9, соединенная линией связи 5 с контроллером 6.
Таким образом, в малонаселенном регионе с большой территорией имеется возможность создания надежной системы сотовой связи. Использование имеющейся сети телевизионных вышек для размещения станций БСРС 9 позволит сделать проект коммерчески выгодным.
6
3
3
На примере стандарта GSM сотовой связи проведены расчеты величины требуемого трафика для радиальной системы, которые показывают, что для сотовой связи с абонентской емкостью 10 количество абонентов, находящихся в зонах с недоступной связью (в «непопулярных зонах»), может достигать тысячной - сотой доли от абонентской емкости, т.е. 10-2·10. При этом требуемый трафик обслуживания абонентов «непопулярных зон» различными услугами сотовой связи составляет величину, которую могут обслужить одна-две базовые станции БСРС (каждая со стандартным числом радиоканалов, равным 16).
Система сотовой связи с БСРС может быть создана также с использованием других стандартов сотовой связи.