Принцип повторного использования частот

Как было рассмотрено выше, в сотовой сети мобильной связи каждая из сот обслуживается своим передатчиком базовой станции BTSс небольшой выходной мощностью (Р £ 50 Вт) и ограниченным числом каналов связи. Теоретически такие передатчики можно было бы ис­пользовать и в соседних сотах, если бы на практике соты не прекрывались под действием различных факторов, например, вследствие изменения условий распространения радиоволн. То есть, одни и те же частоты (каналы) могли бы повторно использоваться в различных со­тах, если бы влияние взаимных помех между мобильными абонентами было бы незначи­тельным.

       Усиление сигнала сотовой связи, под ключ

Однако на практике взаимное влияние мобильных станций MSабонентов, имеющих одинаковые рабочие частоты, необходимо учитывать. Поэтому была разработана концепция повторного использования частот, то есть в каждой соте, показанной на рис. 2.2, исполь­зуется определенная группа из т-канальных радиочастот.

Итак, повторное использование частот (frequencyreuse) заключается в том, что в сосед­них сотах используются разные полосы частот F_t, которые повторяются через несколько сот. Для понимания сущности принципа повторного использования частот рассмотрим не­сколько примеров построения моделей сотовой сети.

1.Пусть в некоторой соте А (рис. 2.4) используется какая-то часть от полного диапазона частот, выделенного системе сотовой мобильной связи (например, для определенности одна десятая диапазона — 6^ = 1/10). Тогда в соседной с ней соте В должна использоваться вто­рая десятая часть диапазона Ъ_в = 1/10, поскольку вблизи общей границы в двух смежных со­тах нельзя использовать одни и те же частотные каналы. В соте С, имеющей общие границы с сотами А и В, придется использовать третью десятую часть диапазона (6_С= 1/10). Но уже в соте D,имеющей общие границы с сотами А и С, но не имеющей общие границы с сотой В, вновь можно использовать ту же десятую часть диапазона Ь_в = 1/10, что и в соте В, что условно обозначено D В. Аналогично этому в сотах: £ A, FБ, Я С, то есть полу­чаем сотовую структуру, состоящую из 3-х частотных (3-х элементных) групп, называемых кластерами (cluster),то есть группой сот с различным набором рабочих частот.

2.  На рис. 2.5 показана сотовая сеть с 3-эле- ментным кластером: F_u F₂, F₃.
Итак, в сотовых сетях применяется принцип повторного использования частот в несмежных сотах, при этом размеры кластеров могут дости­гать величин до 19.
3.  На рис. 2.6 приведена сотовая сеть с 4-эле- ментным кластером, а на рис. 2.7 — с 7-элемент- ным кластером.
Очевидно, что 3-элементный кластер — это кластер минимально возможного размера, в ка­ждой из его сот можно использовать 1/3 от пол­ного диапазона рабочих частот, отведенных системе сотовой связи. При 3-элементном кла­стере соты с одинаковыми полосами частот по­вторяются очень часто, что плохо в смысле со- канальных помех (co-channelinterference), то есть помех от радиостанций сотовой системы, работающих на тех же частотных радиоканалах, но в других сотах. В этом отношении более вы­годны кластеры с большим числом элементов (рис. 2.6, 2.7).
В общем случае расстояние D между цен­трами сот (рис. 2.5), в которых используются одинаковые частотные группы (полосы частот), связано с числом Nсот в кластере простым со­отношением:
D= R(3N)^ш,  (2.1) где R— радиус соты (радиус окружности, опи­санной вокруг правильного шестиугольника). Например, при числе сот в кластере, равном N= 3, величина D = 3R;при N= 4 - D= 3,46/?; при N=7 -D= 4,58R;при N= 8 - D= 4,9R; при N= 12 - D = 6R;при N= 19 - D = 7,55R.
Величину отношения D/R= qчасто называ­ют коэффициентом уменьшения соканальных помех или коэффициентом соканального повто­рения.
Для величины 1/N= С, обратной числу сот в кластере, употребляют название: коэффициент эффективности повторного использования час­тот или просто коэффициент повторного ис­пользования частот. Введение этих величин позволяет записать выражение (2.1) в виде:
D = R-(b/C)^m.(2.2)

излучается лишь в одном направлении. При этом уровень излучений в противоположных направлениях, а значит в двух секторах дан­ной соты, максимально снижается (рис. 2.9).

Это обстоятельство позволяет располагать базовые станции BTS, работающие на одина­ковых частотах, еще ближе друг к другу, чем в модели рис. 2.7. На рис. 2.8 9-элементный кластер дает величину D= 5,196R при вели­чине С = 1/N - 0,11.
5.   Специалисты корпорации Motorola(США) разработали еще более эффективную модель повторного использования частот. На рис. 2.10 показана разработанная ими со­товая сеть с 12 группами несущих частот, с применением 60² направленных антенн (то есть на базовой станции BTS устанавливает­ся 6 направленных антенн, главный лепесток диаграмм направленности которых излучает только в пределах своего 60° сектора).

Как отмечено в работе [2.13], в стандар­те GSMчасто используются 7-элементные кластеры для создания сотовой сети мобиль­ной связи.

2.5.    Оценка числа физических радиоканалов в произвольной соте

Число физических каналов в произвольной соте (назовем — емкостью соты) стандарта GSMопределяется видом модели повторно­го использования частот.
В качестве примера рассмотрим расчет емкости соты для модели сети фирмы Motorola(рис. 2.9): так как в каждой из двух смежных сот модели используются различ­ные группы несущих частот, то емкость про­извольной сети такой сети составит:

Ki= (124/2)-8 = 496 физических кана­лов (где цифра 124 — это число дуплексных

радиоканалов 124 = (25 МГц/0,2 МГц) - 1), а число 8 — это число физических каналов в од­ном дуплексном радиоканале (радиостволе).

Таким образом, в каждом секторе сети должно быть образовано в среднем — 496/6 ~ 82 физических радиоканалов.
В модели рис. 2.8 различные группы несущих частот используются в трех смежных сотах, поэтому емкость соты составит: K_t-(124/3)*8 = 328 физических каналов.

Таким образом, в зависимости от структуры сети сотовой мобильной связи стандарта GSMбудет меняться емкость соты, то есть число физических каналов, а значит в конечном счете число обслуживаемых мобильных абонентов.