Основной принцип сотовой связи заключается в разделении всей зоны охвата телефонной связью на ячейки, называемые сотами. В центре каждой соты находится базовая станция (БС), поддерживающая связь с мобильными абонентами (сотовыми телефонами), находящимися в зоне её охвата. Базовые станции обычно располагают на крышах зданий и специальных вышках. На идеальной (ровной и без застройки) поверхности зона покрытия одной БС представляет собой круг (рис. 5.5,а), диаметр которого не превышает 10-20 км. Соты частично перекрываются и вместе образуют сеть (рис. 5.5,б), которая для простоты обычно изображается в виде множества шестиугольных сот (рис. 5.5,в).
Рисунок 5.5 – Ячейки сотовой связи
Каждая сота работает на своих частотах, не пересекающихся с соседними (рис.5.6). Все соты одного размера и объединены в группы по 7 сот. Каждая из букв (А, В, С, D, Е, F, G) соответствует определённому диапазону частот, используемому в пределах одной соты. Соты с одинаковыми диапазонами частот разделены сотами, работающими на других частотах. Небольшие размеры сот обеспечивают ряд преимуществ по сравнению с традиционной наземной беспроводной связью, а именно: - большое количество пользователей, которые одновременно могут работать в сети в разных частотных диапазонах (в разных сотах); - небольшая мощность приемно-передающего оборудования, обусловленная небольшим размером сот (выходная мощность телефонных трубок составляет десятые доли ватт); - меньшая стоимость устройств сотовой связи как маломощных устройств.
Рисунок 5.6 – Сотовая структура
Если в какой-то соте количество пользователей оказывается слишком большим, то она может быть разбита на соты меньшего размера, называемые микросотами, как это показано на рис.5.7.
Рисунок 5.7 – Микросоты
Базовая станция, в общем случае, содержит приёмопередатчик (ПП), поддерживающий связь с мобильными телефонами, и компьютер, реализующий протоколы беспроводной мобильной связи (рис.5.8).
Рисунок 5.8 – Базовая станция
В небольших сетях все базовые станции соединены с коммутатором MSC (Mobile Switching Center - мобильный коммутационный центр) и имеют выход в телефонную сеть общего пользования (ТфОП), обеспечивающий связь мобильных телефонов со стационарными (рис. 5.9).
Рисунок 5.9 – Соединения в сети
В больших сетях коммутаторы 1-го уровня (MSC) соединяются с коммутатором 2-го уровня (рис. 5.10) и т.д., при этом все MSC имеют выход в ТфОП напрямую, либо через коммутатор более высокого уровня (см. рис. 5.10).
Рисунок 5.10 – Двухуровневая сеть
Связанные таким образом базовые станции и коммутаторы образуют сеть сотовой связи, административно подчиняющиеся одному оператору, предоставляющему услуги мобильной связи. Базовые станции совместно с коммутационным оборудованием реализуют функции по определению текущего местоположения подвижных пользователей и обеспечивают непрерывность связи при перемещении пользователей из зоны действия одной БС в зону действия другой БС. При включении сотовый телефон ищет сигнал базовой станции и посылает станции свой уникальный идентификационный код. Телефон и БС поддерживают постоянный радиоконтакт, периодически обмениваясь служебными данными. При выходе телефона из зоны действия БС (или ослаблении радиосигнала) устанавливается связь с другой БС. Для этого базовая станция, фиксирующая ослабление сигнала, опрашивает все окружающие БС с целью выявить станцию, которая принимает наиболее мощный сигнал от мобильного телефона. Затем БС передаёт управление данным телефоном базовой станции той соты, в которую переместился мобильный телефон. После этого, телефону посылается информация о переходе в новую соту и предлагается переключиться на новую частоту, которая используется в этой соте. Этот процесс называется передачей и длится доли секунды. Сотовые сети разных операторов соединяются друг с другом. Используя возможности роуминга, абонент, находясь вне зоны покрытия своей сети, может совершать и принимать звонки через сеть другого оператора.
Все базовые станции системы, в свою очередь, замыкаются на центр коммутации, с которого имеется выход во Взаимоувязанную сеть связи (ВСС) России, в частности, если дело происходит в городе, - выход в обычную городскую сеть проводной телефонной связи.
На рис. 5.11 приведена функциональная схема, соответствующая описанной структуре.
Рисунок 5.11 - Упрощенная функциональная схема системы сотовой связи: БС – базовая станция; ПС – подвижная станция (абонентский радиотелефонный аппарат)
БС являются приемо-передающими радиотехническими объектами, излучающими электромагнитную энергию в УВЧ диапазоне (300-3000 МГц). Кроме того, каждая БС дополнительно оснащена комплектом приемо-передающего оборудования радиорелейной связи, работающим в диапазоне 3-40 ГГц, отвечающим за интеграцию данной БС в сеть в целом.
Мощность передатчиков БС обычно не превышает 5-10 Вт на несущую.
В основном применяются два типа передающих (приемо-передающих) антенн БС:
слабонаправленные с круговой диаграммой направленности (ДН) в горизонтальной плоскости - тип "Omni" (рис. 5.9);
направленные (секторные) с углом раствора (шириной) основного лепестка ДН в горизонтальной плоскости обычно 60 или 120 градусов (рис. 5.10).
Рисунок 5.12 - Диаграмма направленности антенны типа "Omni"
Рисунок 5.13 - Диаграмма направленности секторной антенны (угол раскрыва основного лепестка в горизонтальной плоскости 600)
Рисунок 5.14 – Расположение антенны
Антенны БС устанавливаются на высоте 15-100 метров от поверхности земли на уже существующих постройках: общественных, служебных, производственных и жилых зданиях, дымовых трубах промышленных предприятий и т. д., или на специально сооруженных мачтах (рис. 5.14, 5.15).
Излучение антенны не является безопасным. На рисунках показана биологически опасная зона.
Рисунок 5.15 – Расположение антенны
В действительности ячейки никогда не бывают строгой геометрической формы. Реальные границы ячеек имеют вид неправильных кривых, зависящих от условий распространения и затухания радиоволн, т.е. от рельефа местности, характера и плотности растительности и застройки и тому подобных факторов. Более того, границы ячеек вообще не являются четко определенными, так как рубеж передачи обслуживания подвижной станции из одной ячейки в другую может в некоторых пределах смещаться с изменением условий распространения радиоволн и в зависимости от направления движения подвижной станции. Точно так же и положение базовой станции лишь приближенно совпадает с центром ячейки, который к тому же не так просто определить однозначно, если ячейка имеет неправильную форму. Если же на базовых станциях используются направленные (не изотропные в горизонтальной плоскости) антенны, то базовые станции фактически оказываются на границах ячеек. Далее, система сотовой связи может включать более одного центра коммутации, что может быть обусловлено эволюцией развития системы или ограниченностью емкости коммутатора. Возможна, например, структура системы типа показанной рис. 5.16 – с несколькими центрами коммутации, один из которых условно можно назвать «головным» или «ведущим».
Рисунок 5.16 - Система сотовой связи с двумя центрами коммутации
Излучение антенны не является безопасным. На рисунках показана биологически опасная зона.