У теоретичній частині ми не заглиблюватимемося в історію створення стільникового зв'язку, про її засновників, хронологію стандартів тощо. Кому це цікаво – матеріалу достатньо як у друкованих виданнях, так і в Інтернеті.

Розглянемо, що ж собою являє мобільний (стільниковий) телефон.

На малюнку дуже спрощено показаний принцип роботи:

Рис.1 Принцип роботи мобільного телефону

Стільниковий телефон – це приймально-передавач, що працює на одній із частот у діапазоні 850МГц, 900МГц, 1800МГц, 1900МГц. Причому прийом та передача рознесені за частотами.

Система GSM складається з трьох основних компонентів, таких як:

Підсистема базових станцій (BSS – Base Station Subsystem);

Підсистема перемикання/комутації (NSS - NetworkSwitchingSubsystem);

Центр управління та обслуговування (OMC – Operation and Maintenance Centre);

У двох словах працює це так:

Стільниковий (мобільний) телефон взаємодіє із мережею базових станцій (БС). Вишки БС зазвичай встановлюють або на своїх наземних щоглах, або на дахах будинків або інших споруд, або на орендованих вже існуючих вишках усіляких ретрансляторів радіо/ТВ і т.п., а також на висотних трубах котелень та інших промислових споруд.

Телефон після увімкнення та весь інший час моніторит (прослуховує, сканує) ефір на наявність GSM-сигналу своєї базової станції. Сигнал своєї мережі телефон визначає спеціальним ідентифікатором. Якщо такий є (телефон знаходиться в зоні покриття мережі), то телефон вибирає найкращу за рівнем сигналу частоту і на цій частоті посилає БС запит на реєстрацію в мережі.

Процес реєстрації насправді є процесом аутентифікації (авторизації). Його суть полягає в тому, що кожна SIM-карта, вставлена в телефон, має унікальні ідентифікатори IMSI (International Mobile Subscriber Identity) і Ki (Key for Identification). Ці самі IMSI і Ki заносяться до бази центру аутентифікації (AuC) під час надходження виготовлених SIM-карт оператору зв'язку. При реєстрації телефону мережі ідентифікатори передаються БС, саме AuC. Далі AuC (центр ідентифікації) передає телефону деяке випадкове число, яке є ключем до виконання обчислень за спеціальним алгоритмом. Це обчислення відбувається одночасно в мобільному телефоні та AuC, після чого обидва результати порівнюються. Якщо вони співпадають, то SIM-картка визнається справжньою та телефон реєструється в мережі.

А для телефону ідентифікатором в мережі є його унікальний номер IMEI (International Mobile Equipment Identity). Цей номер зазвичай складається з 15 цифр у десятковому поданні. Наприклад, 35366300/758647/0. Перші вісім цифр описують модель телефону та його походження. Решта – серійний номер телефону та контрольне число.

Цей номер зберігається в незалежній пам'яті телефону. У застарілих моделях цей номер можна змінити за допомогою спеціального програмного забезпечення (ПЗ) та відповідного програматора (іноді і дата-кабелю), а в сучасних телефонах він дублюється. Один екземпляр номера зберігається в області пам'яті, яку можна програмувати, а дублікат – у зоні пам'яті OTP (One Time Programming), яка програмується виробником один раз і не може перепрограмувати.

Так ось, якщо навіть змінити номер у першій області пам'яті, то телефон при включенні порівнює дані обох областей пам'яті, і, якщо виявляються різні номери IMEI - телефон блокується. Навіщо все це міняти, запитаєте ви? Насправді, законодавство більшості країн забороняє це робити. Телефон за номером IMEI відстежується у мережі. Відповідно, при крадіжці телефону його можна відстежити і вилучити. А якщо встигнути змінити цей номер на будь-який інший (робочий), шанси знайти телефон зводяться до нуля. Цими питаннями займаються спецслужби за допомогою оператора мережі і т.д. Тому заглиблюватись у цю тему не стану. Нас цікавить суто технічний момент зміни номера IMEI.

Справа в тому, що за певних обставин цей номер може пошкодитися в результаті збою ПЗ або неправильного оновлення, і тоді телефон абсолютно не придатний для експлуатації. Ось тут на допомогу і приходять усі засоби, щоб відновити IMEI та працездатність апарату. Докладніше цей момент буде розглянуто у розділі програмного ремонту телефону.

Тепер коротко про передачу голосу від абонента до абонента в стандарті GSM. Насправді це технічно дуже складний процес, який абсолютно відрізняється від звичної передачі голосу за аналоговими мережами, як, наприклад, домашній дротовий/радіо телефон. Чимось віддалено схожі цифрові DECT-радіотелефони, але реалізація все одно інша.

Справа в тому, що голос абонента, перш ніж буде переданий в ефір, піддається безлічі перетворень. Аналоговий сигнал розбивається на відрізки тривалістю 20мс, після чого перетворюється на цифровий, після чого кодується шляхом застосування алгоритмів шифрування з т.зв. відкритим ключем – система EFR (Enhanced Full Rate – удосконалена система кодування мови, розроблена фінською компанією Nokia).

Усі сигнали кодека обробляються дуже корисним алгоритмом з урахуванням принципу DTX(Discontinuous Transmission) –переривчастої передачі промови. Його корисність полягає в тому, що він керує передавачем телефону, включаючи його тільки в той момент, коли починається вимова мови та відключає у паузах між розмовою. Все це досягається за допомогою включеного до кодеку VAD (Voice Activated Detector) – детектор активності мови.

У абонента, що приймається, всі перетворення відбуваються в зворотному порядку.

17 серпня 2010

Чи знаєте ви, що відбувається після того, як ви набрали номер друга на мобільному телефоні? Як стільникова мережа знаходить його в горах Андалусії чи узбережжя далекого острова Великодня? Чому іноді несподівано розмова переривається? Минулого тижня я побував у компанії Beeline і спробував розібратися, як влаштований стільниковий зв'язок.

Велика площа населеної частини країни покрита Базовими Станціями (БС). У полі вони виглядають як червоно-білі вежі, а у місті заховані на дахах нежитлових будинків. Кожна станція ловить сигнал від мобільних телефонів на відстані до 35 кілометрів і спілкується з мобільним телефоном по службових або голосових каналах.

Після того, як ви набрали номер друга, телефон зв'язується з найближчою до вас Базовою Станцією (БС) по службовому каналу і просить виділити голосовий канал. Базова станція надсилає запит на контролер (BSC), а той переадресує його на комутатор (MSC). Якщо ваш друг є абонентом тієї ж стільникової мережі, то комутатор звіриться з Home Location Register (HLR), з'ясує, де в даний момент знаходиться абонент (вдома, в Туреччині або на Алясці), і переведе дзвінок на відповідний комутатор, звідки той його переправить на контролер і потім Базову Станцію. Базова станція зв'яжеться з мобільним телефоном і з'єднає вас з другом. Якщо ваш друг абонент іншої мережі або ви телефонуєте на міський телефон, то ваш комутатор звернеться до відповідного комутатора іншої мережі.

Важко? Давайте розберемося докладніше.

Базова Станція являє собою пару залізних шаф, замкнених у приміщенні, що добре кондиціонується. З огляду на те, що в Москві було на вулиці +40, мені захотілося трохи пожити в цьому приміщенні. Як правило, Базова Станція знаходиться або на горищі будівлі, або в контейнері на даху:

Антена Базової Станції розділена на кілька секторів, кожен з яких світить у свій бік. Вертикальна антена здійснює зв'язок із телефонами, кругла з'єднує Базову Станцію з контролером:

Кожен сектор може обслуговувати до 72 дзвінків одночасно, залежно від настроювання та конфігурації. Базова Станція може складатися з 6 секторів, таким чином одна Базова Станція може обслуговувати до 432 дзвінків, однак, зазвичай на станції встановлено меншу кількість передавачів і секторів. Стільникові оператори воліють ставити більше БС підвищення якості зв'язку.

Базова Станція може працювати у трьох діапазонах:

900 МГц - сигнал на цій частоті поширюється далі і краще проникає всередину будівель
1800 МГц - сигнал поширюється більш короткі відстані, але дозволяє встановити більше передавачів на 1 секторі
2100 МГц - Мережа 3G

Ось так виглядає шафа з 3G обладнанням:

На Базові Станції в полях і селах встановлюють передавачі 900 МГц, а в місті, де Базові Станції натикані як голки у їжачка, в основному зв'язок здійснюється на частоті 1800 МГц, хоча на будь-якій Базовій Станції можуть бути присутніми передавачі всіх трьох діапазонів одночасно.

Сигнал частотою 900 МГц може бути до 35 кілометрів, хоча "дальність" деяких Базових Станцій, що стоять вздовж трас, може доходити до 70 кілометрів, за рахунок зниження числа абонентів, що одночасно обслуговуються, на станції в два рази. Відповідно, наш телефон із його маленькою вбудованою антеною також може передавати сигнал на відстань до 70 кілометрів.

Всі базові станції проектуються таким чином, щоб забезпечити оптимальне покриття радіосигналом на рівні землі. Тому, незважаючи на дальність 35 кілометрів, на висоту польоту літаків радіосигнал просто не посилається. Проте деякі авіакомпанії вже почали встановлювати на своїх літаках малопотужні базові станції, які забезпечують покриття усередині літака. Така БС з'єднується з наземною мережею за допомогою супутникового каналу. Система доповнюється панеллю управління, яка дозволяє екіпажу вмикати та вимикати систему, а також окремі типи послуг, наприклад, вимикати голос на нічних рейсах.

Телефон може вимірювати рівень сигналу від 32 базових станцій одночасно. Інформацію про 6 кращих (за рівнем сигналу) він відправляє по службовому каналу, і вже контролер (BSC) вирішує, який БС передати поточний дзвінок (Handover), якщо ви перебуваєте в русі. Іноді телефон може помилитися та перекинути вас на БС із гіршим сигналом, у цьому випадку розмова може перерватися. Також може виявитись, що на Базовій Станції, яку вибрав ваш телефон, всі голосові лінії зайняті. У цьому випадку розмова також перерветься.

Ще мені розповіли про так звану "проблему верхніх поверхів". Якщо ви живете в пентхаусі, іноді, при переході з однієї кімнати в іншу, розмова може перериватися. Це відбувається тому, що в одній кімнаті телефон може "бачити" одну БС, а в другій - іншу, якщо вона виходить на інший бік будинку, і, при цьому ці 2 Базові Станції знаходяться на великій відстані один від одного і не прописані як " сусідні" у стільникового оператора. В цьому випадку передача дзвінка з однієї БС на іншу не відбуватиметься:

Зв'язок у метро забезпечується так само, як і на вулиці: Базова Станція - контролер - комутатор, з тією різницею, що застосовуються там маленькі Базові Станції, а в тунелі покриття забезпечується не звичайною антеною, а спеціальним випромінюючим кабелем.

Як я вже писав вище, одна БС може робити до 432 дзвінків одночасно. Зазвичай цієї потужності вистачає за очі, але, наприклад, під час деяких свят БС може не впоратися з кількістю охочих зателефонувати. Зазвичай це трапляється на Новий Рік, коли всі починають вітати одне одного.

SMS передаються службовими каналами. На 8 березня і 23 лютого люди вважають за краще вітати один одного за допомогою SMS, пересилаючи смішні віршики, і телефони часто не можуть домовитися з БС про виділення голосового каналу.

Мені розповіли цікавий випадок. З одного району Москви стали надходити скарги від абонентів у тому, що вони можуть нікуди додзвонитися. Технічні фахівці стали розумітися. Більшість голосових каналів була вільною, а всі службові були зайняті. Виявилося, що поруч із цією БС знаходився інститут, в якому йшли іспити та студенти безперервно обмінювалися есемесками.

Довгі SMS телефон ділить на кілька коротких та відправляє кожне окремо. Співробітники технічної служби радять надсилати такі вітання за допомогою MMS. Це буде швидше та дешевше.

З Базової станції дзвінок потрапляє на контролер. Виглядає він так само нудно, як і сама БС – це просто набір шаф:

Залежно від обладнання контролер може обслуговувати до 60 Базових Станцій. Зв'язок між БС і контролером (BSC) може здійснюватися радіорелейним каналом або оптикою. Контролер здійснює керування роботою радіоканалів, у т.ч. контролює пересування абонента, передачу сигналу з однієї БС в іншу.

Набагато цікавіше виглядає комутатор:

Кожен комутатор обслуговує від 2 до 30 контролерів. Він займає вже велику залу, заставлену різними шафами з обладнанням:

10.

11.

12.

Комутатор здійснює керування трафіком. Пам'ятаєте старі фільми, де люди спочатку додзвонювалися до "дівчини", а потім вона вже з'єднувала їх з іншим абонентом, перетикуючи проводки? Цим же займаються і сучасні комутатори:

13.

Для контролю за мережею у Білайн є кілька автомобілів, які вони ласкаво називають "їжачки". Вони пересуваються містом та вимірюють рівень сигналу власної мережі, а також рівень мережі колег з "Великої Трійки":

14.

Весь дах такого автомобіля утиканий антенами:

15.

Усередині стоїть обладнання, що здійснює сотні дзвінків та знімає інформацію:

16.

Цілодобовий контроль за комутаторами та контролерами здійснюється із Центру Управління Польотами Центру Контролю Мережі (ЦКС):

17.

Існує 3 основних напрямки контролю за стільниковою мережею: аварійність, статистика та зворотний зв'язок від абонентів.

Так само, як і в літаках, на всьому обладнанні стільникової мережі стоять датчики, які посилають сигнал у ЦКР і виводять інформацію на комп'ютери диспетчерів. Якщо якесь обладнання вийшло з ладу, то на моніторі почне блимати лампочка.

ЦКС також відстежує статистику за всіма комутаторами та контролерами. Він аналізує її, порівнюючи з попередніми періодами (годиною, добою, тижнем тощо). Якщо статистика якогось із вузлів почала різко відрізнятися від попередніх показників, то на моніторі знову почне "блимати лампочка".

Зворотний зв'язок приймають оператори абонентської служби. Якщо вони можуть вирішити проблему, то дзвінок перекладається технічного спеціаліста. Якщо і він виявляється безсилим, то компанії створюється " інцидент " , який вирішують інженери, котрі займаються експлуатацією відповідного устаткування.

За комутаторами цілодобово стежать по 2 інженери:

18.

На графіку показано активність московських комутаторів. Добре видно, що вночі практично ніхто не дзвонить:

19.

Контроль за контролерами (вибачте за тавтологію) здійснюється з другого поверху Центру Контролю Мережі:

22.

21.

Розумію, що у вас залишилася купа питань про те, як влаштована стільникова мережа. Тема складна, і я попросив спеціаліста з Білайн допомогти мені відповідати на ваші коментарі. Єдине прохання – дотримуйтесь теми. А питання типу "Білайн редиски. Украли у мене 3 рублі з рахунку" - адресуйте абонентській службі 0611.

Завтра буде посада про те, як переді мною вистрибнув кит, а я не встиг його сфотографувати. Stay Tuned!

Зв'язок мобільних, або, як їх ще називають, стільникових, телефонів здійснюється не за допомогою дротів, як у звичайній телефонній системі, а за допомогою радіохвиль. Щоб зателефонувати по мобільному телефону, необхідно як завжди набрати номер. Тим самим радіопослання надходить на базову станцію, керовану мобільною телефонною компанією.

На станції, яка обслуговує всі дзвінки в межах даного радіусу чи зони, контролерний пристрій визначає дзвінок у вільний радіоканал. Крім того, воно спрямовує сигнал до автоматичної телефонної станції стільникового зв'язку. Зчитуючи спеціальні коди, що передаються телефоном,

АТС слідкує за пересуванням автомашини зоною першої станції. Якщо під час дзвінка машина промине зону та опиняється в наступній, дзвінок автоматично переводиться на базову станцію, що діє у тій зоні. При дзвінку по мобільному телефону телефон підключається до автоматичної телефонної станції для стільникового зв'язку, яка визначає місцезнаходження мобільного телефону, запитує вільний радіоканал у контролерного пристрою ланцюга і здійснює зв'язок - через базову станцію - з потрібним номером. Потім мобільний телефон дзвонить. Коли водій піднімає трубку, ланцюг замикається.

Робота базової станції

Кожна базова станція приймає сигнали, що випускаються в радіусі від трьох до шести миль. Щоб уникнути шумів, базові станції із співпадаючими межами повинні працювати на різних частотних каналах. Але навіть у межах міста досить віддалені друг від друга станції можуть легко працювати одному каналі.

Місцева телефонна система, яка обслуговує будинки та офіси, заснована на проводах, що тягнуться під і над землею і приєднані до автоматичної станції.

Місцезнаходження та канал

Автоматична телефонна станція визначає місце розташування транспортного засобу, що рухається, в той час як контролер ланцюга направляє дзвінок в комунікаційний канал.

Область дзвінка

Коли автомобіль виїжджає за межі зони найвіддаленішої базової станції, водій більше не може користуватися стільниковим зв'язком. Якщо дзвінок зроблено на шляху до межі зони, сигнал стає все слабшим і слабшим і зрештою зовсім зникає.

На шляху від станції до станції

На всьому протязі мобільного дзвінка автоматична телефонна станція для стільникового зв'язку фіксує місцезнаходження автомобіля, що рухається, по силі вихідних від нього радіосигналів. Коли сигнал стає занадто слабким, автоматична телефонна станція попереджає базову станцію, яка, своєю чергою, передає дзвінок обслуговування сусідньої станції.

Навряд чи можливо сьогодні знайти людину, яка б ніколи не користувалася стільниковим телефоном. Але чи кожен розуміє, як працює стільниковий зв'язок? Як влаштовано та працює те, до чого ми всі давно звикли? Чи передаються сигнали від базових станцій про дроти чи все це діє якось інакше? А можливо весь стільниковий зв'язок функціонує лише за рахунок радіохвиль? На ці та інші питання спробуємо відповісти в нашій статті, залишивши опис стандарту GSM за її рамками.

У момент, коли людина намагається здійснити виклик зі свого мобільного телефону, або коли починають дзвонити йому, телефон за допомогою радіохвиль підключається до однієї з базових станцій (найбільш доступної), до однієї з її антен. Базові станції можна спостерігати то там, то тут, глянувши на будинки наших міст, на дахи та на фасади промислових будівель, на висотки, нарешті, на спеціально зведені для станцій щогли червоно-білого кольору (особливо вздовж автострад).

Ці станції виглядають як прямокутні коробки сірого кольору, з яких у різні боки стирчать різноманітні антени (зазвичай до 12 антен). Антени тут працюють як на прийом, так і на передачу, і вони належать оператору стільникового зв'язку. Антени базової станції направлені у всілякі сторони (сектори), щоб забезпечити покриття мережею абонентам з усіх боків на відстані до 35 кілометрів.

Антена одного сектора може обслуговувати одночасно до 72 дзвінків, і якщо антен 12, то уявіть собі: 864 дзвінка здатна в принципі обслужити одна велика базова станція одночасно! Хоча зазвичай обмежуються 432 каналами (72*6). Кожна антена з'єднана кабелем із керуючим блоком базової станції. А блоки кількох базових станцій (кожна станція обслуговує свою частину території) приєднуються до контролера. До одного контролера приєднується до 15 базових станцій.

Базова станція в принципі здатна функціонувати на трьох діапазонах: сигнал 900 МГц краще проникає всередину будівель та споруд, поширюється далі, тому саме цей діапазон часто використовують у селах та на полях; сигнал на частоті 1800 МГц поширюється не так далеко, але на одному секторі встановлюють більше передавачів, тому в містах ставлять найчастіше саме такі станції; нарешті 2100 МГц – це мережа 3G.

Контролерів, звісно, у населеному пункті чи районі, може бути кілька, тому контролери, у свою чергу, приєднуються кабелями до комутатора. Завдання комутатора — зв'язати мережі операторів мобільного зв'язку між собою та з міськими лініями звичайного телефонного зв'язку, міжміського зв'язку та міжнародного зв'язку. Якщо мережа невелика, достатньо одного комутатора, якщо велика — використовуються два і більше комутаторів. Комутатори поєднуються між собою проводами.

У процесі переміщення людини, яка розмовляє по мобільному, вулицею, наприклад: йде вона пішки, їде в громадському транспорті, або пересувається на особистому авто, - його телефон не повинен ні на мить втратити мережу, не можна обірвати розмову.

Безперервність зв'язку виходить завдяки можливості мережі базових станцій дуже оперативно перемикати абонента з однієї антени на іншу в процесі його переміщення від зони дії однієї антени - в зону дії іншої (від стільника до соті). Абонент сам не помічає, як перестає бути пов'язаний з однією базовою станцією, і вже підключений до іншої, як переключається від антени — до антени, від станції — до станції, від контролера — до контролера…

При цьому комутатор забезпечує оптимальне розподілення навантаження за багаторівневою схемою мережі, щоб знизити ймовірність виходу обладнання з ладу. Багаторівнева мережа будується так: стільниковий телефон – базова станція – контролер – комутатор.

Допустимо, ми здійснюємо виклик, і ось сигнал уже дістався комутатора. Комутатор передає наш дзвінок у бік абонента призначення — до міської мережі, до мережі міжнародного чи міжміського зв'язку, або до мережі іншого мобільного оператора. Все це відбувається дуже швидко з використанням високошвидкісних оптоволоконних кабельних каналів.

Далі наш дзвінок надходить на комутатор, що розташований на стороні абонента, що приймає дзвінок (викликаного нами). У «приймальному» комутаторі вже є дані про те, де знаходиться абонент, в якій зоні дії мережі: який контролер, яка базова станція. І ось, з базової станції починається опитування мережі, знаходиться адресат, і на його телефон надходить виклик.

Весь ланцюжок описаних подій, з моменту набору номера до моменту дзвінка, що пролунав на приймаючій стороні, триває зазвичай не більше 3 секунд. Так ми можемо сьогодні дзвонити до будь-якої точки світу.

Андрій Повний

Принцип роботи стільникового зв'язку

Основні принципи мобільної телефонії досить прості. Спочатку Федеральна комісія зі зв'язку встановила географічні зони покриття стільникових радіосистем на основі змінених даних перепису 1980 р. Ідея стільникового зв'язку полягає в тому, що кожна зона поділяється на комірки шестикутної форми, які, поєднуючись, утворюють структуру, що нагадує бджолині стільники, як показано на малюнку 6.1 а. Шестикутна форма була обрана тому, що забезпечує найбільш ефективну передачу, приблизно відповідаючи круговій діаграмі спрямованості і при цьому усуваючи щілини, які завжди виникають між сусідніми колами.

Сота визначається своїми фізичними розмірами, чисельністю населення та структурою трафіку. Федеральна комісія зв'язку не регламентує кількості сотів у системі та їх розмір, надаючи операторам можливість встановити ці параметри відповідно до очікуваної структури трафіку. Кожній географічній області виділяється фіксована кількість стільникових мовних каналів. Фізичні розміри стільника залежать від абонентської щільності та структури викликів. Наприклад, великі стільники (макросоти) зазвичай мають радіус від 1,6 до 24 км при потужності передавача базової станції від 1 Вт до 6 Вт. Найменші стільники (мікросоти) зазвичай мають радіус 460 м або менше за потужності передавача базової станції від 0,1 Вт до 1 Вт. На малюнку 6.1 б показана стільникова конфігурація з сотами двох розмірів.

Малюнок 6.1. - Стільникова структура осередків а); стільникова структура з сотами двох розмірів б) класифікація сот в)

Мікростільники найчастіше використовуються в регіонах з високою щільністю населення. В силу свого невеликого радіусу дії мікростільники менш схильні до впливів, що погіршують якість передачі, наприклад, відображенням і затримкам сигналу.

Макросота може накладатися на групу мікросот, при цьому мікростільники обслуговують мобільні апарати, що повільно переміщаються, а макросота - швидко переміщувані апарати. Мобільний апарат здатний визначати швидкість свого переміщення як швидку чи повільну. Це дозволяє зменшити кількість переходів з однієї стільники в іншу та корекції даних про місцезнаходження.

Алгоритм переходу з однієї стільники в іншу може бути змінений за мінімальних відстаней між мобільним апаратом і базовою станцією мікростільники.

Іноді радіосигнали в соті дуже слабкі, щоб забезпечити надійний зв'язок усередині приміщень. Особливо це стосується добре екранованих ділянок та зон з високим рівнем перешкод. У разі використовуються дуже маленькі стільники – пикосоты. Пікосоти всередині приміщень можуть використовувати ті ж частоти, що і звичайні стільники даного регіону, особливо при сприятливому навколишньому середовищі, як, наприклад, підземних тунелях.

При плануванні систем, що використовують стільники шестикутної форми, передавачі базової станції можуть розміщуватися в центрі стільники, на ребрі стільники або у вершині стільники (рисунок 6.2 а, б відповідно). У стільниках з передавачем у центрі використовуються зазвичай всеспрямовані антени, а в стільниках з передавачами на ребре або у вершині – секторні спрямовані антени.

Всеспрямовані антени випромінюють та приймають сигнали однаково у всіх напрямках.

Рисунок 6.2 – Розміщення передавачів у стільниках: у центрі а); на ребрі б); у вершині в)

У системі стільникового зв'язку одна потужна стаціонарна базова станція, розташована високо над центром міста, може замінюватися численними однаковими малопотужними станціями, які встановлюються в зоні покриття на майданчиках, розташованих ближче до землі.

Стільники, що використовують ту саму групу радіоканалів, можуть уникнути взаємних впливів, якщо вони правильно рознесені. У цьому спостерігається повторне використання частот. Повторне використання частот – це виділення однієї і тієї ж групи частот (каналів) кільком сотам за умови, що ці стільники розділені значними відстанями. Повторне використання частот сприяє зменшення зони обслуговування кожної стільники. Базової станції кожної стільники виділяється група робочих частот, що відрізняються від частот сусідніх сот, а антени базової станції вибираються таким чином, щоб охопити бажану зону обслуговування в межах своєї стільники. Оскільки зона обслуговування обмежена межами однієї стільники, різні стільники можуть використовувати ту саму групу робочих частот без взаємних впливів за умови, що дві таких стільники знаходяться на достатній відстані один від одного.

Географічна зона обслуговування стільникової системи, що містить кілька груп сот ділиться на кластери (Рисунок 6.3). Кожен кластер складається з семи сотень, яким виділяється однакова кількість повнодуплексних каналів зв'язку. Стільники з однаковими літерними позначеннями використовують ту саму групу робочих частот. Як видно з малюнка, однакові групи частот використовуються у всіх трьох кластерах, що дозволяє втричі збільшити кількість доступних каналів мобільного зв'язку. Літери A, B, C, D, E, Fі Gпозначають сім груп частот.

Рисунок 6.3 – Принцип повторного використання частот у стільниковому зв'язку

Розглянемо систему з фіксованою кількістю повнодуплексних каналів, доступних у певній області. Кожна зона обслуговування поділяється на кластери і отримує групу каналів, які розподіляються між Nсотами кластера, групуючись у неповторні комбінації. Всі стільники мають однакову кількість каналів, але вони можуть обслуговувати зони разового розміру.

Таким чином, загальна кількість каналів стільникового зв'язку, доступних у кластері, можна уявити виразом:

F = GN (6.1)

де F- Число повнодуплексних каналів стільникового зв'язку, доступних в кластері;

G- Число каналів в соті;

N- Число сот у кластері.

Якщо кластер "копіюється" в межах заданої зони обслуговування mраз, то сумарна кількість повно дуплексних каналів складе:

C = mGN = mF (6.2)

де З– сумарне число каналів у заданій зоні;

m- Число кластерів у заданій зоні.

З виразів (6.1) та (6.2) видно, що сумарне число каналів у стільниковій телефонній системі прямо пропорційне кількості «повторень» кластера в заданій зоні обслуговування. Якщо розмір кластера зменшується, а розмір стільники залишається незмінним, то покриття заданої зони обслуговування потрібно більше кластерів, і сумарне число каналів у системі зросте.

Число абонентів, які можуть одночасно використовувати ту саму групу частот (каналів), перебуваючи не в сусідніх осередках невеликої зони обслуговування (наприклад, у межах міста), залежить від загальної кількості осередків у цій зоні. Зазвичай число таких абонентів дорівнює чотирьом, однак у густонаселених регіонах воно може бути значно більшим. Це число називають коефіцієнтом повторного використання частот або FRF – Frequency reuse factor. Математично його можна висловити відношенням:

(6.3)

де N– загальна кількість повно дуплексних каналів у зоні обслуговування;

З– загальна кількість повнодуплексних каналів у соті.

В умовах прогнозованого збільшення трафіку стільникового зв'язку збільшений попит на обслуговування задовольняють шляхом зменшення розміру стільники, поділяючи її на кілька сотень, кожна з яких має свою базову станцію. Ефективне поділ сот дозволяє системі обробляти більше дзвінків за умови, що стільники не будуть занадто маленькими. Якщо діаметр стільники стає менше 460 м, то базові станції сусідніх осередків впливатимуть одна на одну. Співвідношення між повторним використанням частот та розміром кластера визначає, як можна змінити масштаб стільникової системи у разі збільшення абонентської густини. Чим менше сот у кластері, тим більша ймовірність взаємних впливів між каналами.

Оскільки стільники мають шестикутну форму, кожна з них завжди має шість рівновіддалених сусідніх стільник, і кути між лініями, що з'єднують центр будь-якої стільники з центрами сусідніх стільник, кратні 60 °. Тому кількість можливих розмірів кластера та схем розміщення сотів обмежена. Для з'єднання сот між собою без пробілів (мозаїчним способом) геометричні розміри шестикутника повинні бути такими, щоб число сот у кластері задовольняло умові:

(6.4)

де N- Число сот у кластері; iі j- Негативні цілі числа.

Знаходження маршруту до найближчих стільників з суміщеним каналом (так званим стільників першого ярусу) відбувається таким чином:

Переміщення на iсот (через центри сусідніх сот):

Переміщення на jсот вперед (через центри сусідніх сот).

Наприклад, кількість сотів у кластері та розташування сотів першого ярусу для наступних значень: j = 2. i = 3 буде визначатися з виразу 6.4 (рисунок 6.4) N = 3 2 + 3 2 + 2 2 = 19.

На малюнку 6.5 показано шість найближчих стільників, що використовують ті ж канали, що й стільники А.

Процес передачі обслуговування з однієї стільники до іншої, тобто. коли мобільний апарат віддаляється від базової станції 1 до базової станції 2 (рисунок 6.6) включає чотири основні етапи:

1) ініціювання – мобільний апарат або мережа виявляє необхідність у передачі обслуговування та ініціює необхідні мережеві процедури;

2) резервування ресурсів – за допомогою відповідних мережевих процедур резервуються ресурси мережі, необхідні для передачі обслуговування (мовний канал і канал управління);

3) виконання - безпосередня передача управління від однієї базової станції до іншої;

4) закінчення – зайві мережеві ресурси звільняються, стаючи доступними іншим мобільним апаратам.

Рисунок 6.6 – Передача обслуговування