Как работает сотовая связь, структура сети

Сотовая связь не предусматривает создание отдельных каналов связи между каждой парой абонентов. Сотовая связь системы AMPS (Advanced Mobile Phone Service) разработала компания AT&T, которая стала первой, кто занялся реконструкцией радиотелефонной связи.

Зато обслуживаемая территория делится на относительно небольшие ячейки (соты, российское соты), покрывающих территорию как пчелиные соты покрывают ульи. Станции, расположенные в каждой ячейке, имеют небольшую мощность, полностью автоматизированы, и каждая из них соединена с центральной сотовой станцией.

 

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Рисунок 1 — Структура сотовой сети. Вид общий.

Абоненты связываются не напрямую с центральной, а только с ближайшей станцией. Таким образом, на большом пространстве может быть создана сеть из множества взаимосвязанных радиостанций. Принципиальным является то, что ячейки делаются небольшими — радиус действия станции не превышает нескольких километров. Небольшая мощность передатчиков делает аппаратуру компактной и недорогой.

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Рисунок 2 — Пример распределения каналов по ячейкам сот.

Оборудование каждой ячейки обеспечивает 45 двусторонних телефонных разговоров одновременно. Каждый дуплексная связь ведется на двух частотах, следовательно, в каждой ячейке используются 90 из 666 возможных выделенных каналов. В условиях ограниченного диапазона частот тот же самый частотный канал можно использовать снова, но не в соседнем организации. В соседних ячейках используются другие каналы, в более отстоящем областях те же каналы могут использоваться снова. Таким образом можно, не расширяя полосу частот, обеспечить сотовой связью весь земной шар.

Сотовая сеть расширяемая как вширь, так и «вглубь». Можно не только добавить новые ячейки к существующей сети, но и разделить существующие на более мелкие, что позволит обслуживать большее количество абонентов.

Когда абонент сотовой связи «снимает трубку» своего телефона, ближайшая станция принимает сигналы и выделяет два свободных канала. Выбор каналов полностью автоматизирован — абонент не имеет отношения к этой процедуре.

Поскольку мобильный (от латинского mobilis — подвижной) телефон перемещается в пространстве, уровень сигнала, постоянно меняется. Когда абонент приближается к границе ячейки, центральная сотовая станция определяет, какой из соседних ячеек оказывается в «лучшем положении». После этого связь с абонентом автоматически передается аппаратуре следующей ячейки; такая процедура называется опрокидыванием вызова. Процесс переброски незаметный для абонента, его разговор не прерывается. Всякий раз, когда абонент выезжает за пределы «своего» района, другая сотовая сеть автоматически примет переброска вызова.

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Рисунок 3 — Сотовый телефонный аппарат. Вид общий и схема функциональная.

Условно схему сотового телефона можно разделить на три модуля: радиочастотный (РЧ) модуль, низкочастотный (НЧ) модуль и модуль управления.

Радиочастотный модуль обрабатывает все радиосигналы, принимаемые или передаваемые сотовым телефоном. Антенна подключается к входному устройства, как правило, содержит ферритовый вентиль, дополненный селективными фильтрами, которые предотвращают попадание сигналов передатчика на вход приемника для обеспечения дуплексной связи.

Сигналы РЧ, принимаемых фильтруются и преобразуются в сигнал промежуточной частоты (ПЧ) схеме приемника. Однако, если в обычных радиоприемниках используется ручная настройка для установки частоты приема, то в сотовом телефоне используется синтезатор частот, с помощью которого можно выбрать любой из 666 выделенных каналов сотовой связи.

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Рисунок 4 — Радиочастотный (РЧ) модуль. Схема электрическая функциональная.

Когда абонент телефон перемещается между ячейками, частоты приема и передачи переключаются так, чтобы соответствовать доступным каналам связи в новом очаге. Команды на какую частоту переключиться, поступают на телефон вместе с другими сигналами управления со станции сотовой связи и автоматически декодируются модемом, есть в составе модуля управления телефона.

Речевые сигналы и служебные коды с НЧ модуля поступают на схему передатчика, где ими модулируется несущая частота. Усиленный модулированный РЧ сигнал подается в антенну. Трубка излучает минимально необходимую мощность, уровень которой устанавливается автоматически в зависимости от условий связи- удаленности базовой станции и количества препятствий между ней и трубкой, а также материала среды. Несущая частота передатчика устанавливается синтезатором и также определяется управляющим кодом, переданным на телефон приемником-передатчиком того очага, в котором находится абонент.

Синтезатор частот строится на основе систем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и включает как правило два опорных генераторы, частоты которых стабилизируются кварцевыми резонаторами, и два генератора, управляемые напряжением (ГКН), производящих сигнал гетеродина приемника и несущую передатчика. Сигналы обоих ГКН смешиваются в отдельных смесителях с сигналом одного из опорных генераторов, в результате чего на выходах выделяются сигналы разностных частот. Частота сигнала второго опорного генератора делится в определенное число раз двумя (один для несущей, другой для гетеродина) делителями с переменными коэффициентами распределения. Коэффициент распределения каждого делителя определяется управляющим кодом. Схема ФАПЧ сравнивает разностные частоты на выходах смесителей с частотами на выходах делителей и подстраивает оба ГКН так, чтобы вышеупомянутые частоты оказались равны. Таким образом, частоты сигналов гетеродина и генератора несущей определяются, с одной стороны, образцовыми частотами двух опорных генераторов, а с другой управляющими кодами сотовой станции, что гарантирует их высокую стабильность.
Выходной сигнал ПЧ с РЧ модуля поступает на низкочастотный модуль.

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Рисунок 5 — НЧ модуль. Схема электрическая функциональная.

В НЧ модули происходит преобразование сигналов ПЧ, поступающих с РЧ модуля, в звуковые сигналы, которые можно услышать в громкоговорители BF. Тональные DTMF-сигналы набора модуля управления и речевой сигнал от микрофона BM проходят через фильтры, усилители, суммируются и подаются на РЧ модуль (вместе с сигналами с модуля управления), где модулируется несущая передатчика.
Часть передаваемого речевого сигнала возвращается в громкоговоритель с целью самоконтроля. Схема вызова может иметь пьезоэлектрический динамик.

Модуль управления координирует работу всех узлов сотового телефона. По своей архитектуре он похож на персональный компьютер. Функционирование микропроцессора (МП) осуществляется на основе инструкций (программ), хранящихся в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), запоминающее используется для временного хранения данных, например, номера текущего канала связи, установленной мощности передатчика и т.д., а также результатов логических или математических операций, производимых при выполнении программы.

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Рисунок 6 — Модуль управления.

В репрограмованому постоянном устройства (РПЗП) запоминающего хранится информация, специфическая для каждого конкретного телефона: например, назначенный сотовый телефонный номер.
Радиочастотный и низкочастотный модули и DTMF-генератор управляются сигналами, поступающими непосредственно с МП.

Поскольку сотовые телефоны являются активными элементами сети, они должны находиться с ней в постоянном контакте. Кроме речевых сигналов и тональных DTMF-сигналов набора номера, сотовые телефоны должны передавать и принимать данные от приемопередатчика текущей ячейки (т.е. от центральной сотовой станции). Для «подмешивания» данных в передаваемый телефоном радиосигнал, а также для выделения и декодирования команд и данных, получаемых из сети, используется модем.

МП управляет работой контроллера сотового телефона, конечно представляет из себя специализированную ИС, через которую осуществляется взаимодействие с клавиатурой и индикатором сотового телефона. Он используется также при установке необходимых частот синтезатора в радиочастотном модуле.

В сотовом телефоне обычно устанавливается дисплей, на котором отображается набирающий номер и режим работы сети и телефона (например, «Выбор», «Включен», «В работе», «Поиск», «Занято» и т.д.). Для снижения потребляемой мощности и увеличения срока службы как дисплей обычно используется жидкокристаллический индикатор (ЖКИ).

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

CAPTCHA image
*