Повторное использование частот

Каждая из ячеек обслуживается своим передатчиком с невысокой выходной мощностью и ограниченным числом каналов связи. Это позволяет без помех использовать повторно частоты каналов этого передатчика в другой, удален­ной на значительное расстояние, ячейке. Теоретически такие передатчики можно использовать и в соседних ячейках. Но на практике зоны обслужива­ния сот могут перекрываться под действием различных факторов, например, вследствие изменения условий распространения радиоволн. Поэтому в со­седних ячейках используются различные частоты. Пример построения сот при использовании трех частот Fl — F3 представлен на рис. 3.2. Группа сот с различными наборами частот называется кластером. Определяю­щим его параметром является количество используемых в соседних сотах час­тот. На рис. 3.2, например, размерность кластера равна трем. Но на практике это число может достигать пятнадцати.

Основной идеей, на которой базируется принцип сотовой связи, является по­вторное использование частот в несмежных сотах. Первым способом орга­низации повторного использования частот, который применялся в аналого­вых системах сотовой подвижной связи первого поколения, был способ, использующий антенны базовых станций с круговыми диаграммами направ­ленности (рис. 3.3). Он предполагает передачу сигнала одинаковой мощнос­ти по всем направлениям, что для абонентских станций эквивалентно приему помех от всех базовых станций со всех направлений.

Базовые станции, на которых допускается повторное использование выде­ленного набора частот, удалены друг от друга на расстояние D, называемое «защитным интервалом» (см. рис. 3.3). Именно возможность повторного при­менения одних и тех же частот определяет высокую эффективность исполь­зования частотного спектра в сотовых системах связи.

F1, F2, F3 — частоты базовых станций

Рис. 3.2. Построение сот для трех частот

Рис. 3.3. Повторное использо­вание частот в несмежных сотах

Смежные базовые станции, использующие различные наборы частотных каналов, образуют группу из С станций. Если каждой базовой станции выделяется набор из m каналов с шириной полосы каждого F_K, то общая ширина полосы, занимаемая системой сотовой связи, составит F_c = F_K т С.

Таким образом, величина С определяет минимально возможное число кана­лов в системе, поэтому ее часто называют частотным параметром системы, или коэффициентом повторения частот. Коэффициент С не зависит от чис­ла каналов в наборе и увеличивается по мере уменьшения радиуса ячейки. Та­ким образом, при использовании ячеек меньших радиусов имеется возмож­ность увеличения повторяемости частот.

Применение шестиугольных ячеек позволяет минимизировать ширину необ­ходимого частотного диапазона, поскольку такая форма обеспечивает опти­мальное соотношение между величинами С и D. Кроме того, шестиугольная форма наилучшим образом вписывается в круговую диаграмму направленности антенны базовой станции, установленной в центре ячейки.

Остановимся более подробно на вопросе выбора размера ячейки (радиуса R). Эти размеры определяют защитный интервал!) (см. рис. 3.3) между ячейками, в которых одни и те же частоты могут быть использованы повторно. Заметим, что величина защитного интервала D, кроме уже перечисленных факторов, зависит также от допустимого уровня помех и условий распространения радиоволн. В предположении, что интенсивность вызовов в пределах всей зоны одинакова, ячейки выбираются одного размера. Размер зоны обслуживания базовой стан­ции, выражаемый через радиус ячейки R, определяет также число абонентов N, способных одновременно вести переговоры на всей территории обслуживания. Следовательно, уменьшение радиуса ячейки позволяет не только повысить эф­фективность использования выделенной полосы частот и увеличить абонентс­кую емкость системы, но и уменьшить мощность передатчиков и чувствитель­ность приемников базовых и подвижных станций. Это, в свою очередь, улучшает условия электромагнитной совместимости средств сотовой связи с другими радиоэлектронными средствами и системами.

Рис. 3.4. Модель повторного ис­пользования частот в 3-сектор-ных сотах

Эффективным способом снижения уровня помех может быть использование направленных секторных антенн с узкими диаграммами направленности. В секторе такой направленной антенны сигнал излучается преимущественно в одну сторону, а уровень излучения в противоположном направлении сокра­щается до минимума. Деление сот на секторы позволяет чаще применять час­тоты в сотах повторно. Общеизвестный способ повторного использования час­тот в организованных таким образом сотах основан на применении 3-секторных антенн для каждой базовой станции и трех соседних базовых станций с форми­рованием ими девяти групп частот (рис. 3.4). В этом случае используются антен­ны с шириной диаграммы направленности 120°.

Самую высокую эффективность использования полосы частот и, следователь­но, наибольшее число абонентов сети, работающих в этой полосе, обеспечива­ет разработанный фирмой Motorola (США) способ повторного использования частот, при котором задействуются две базовые станции. При реализации это­го способа (рис. 3.5) каждая частота используется дважды в пределах кластера, состоящего из 4 ячеек; базовая станция каждой из них может работать на 12 частотах, используя антенны с диаграммой направленности шириной 60°.

Рис. 3.5. Модель повторного ис­пользования частот в двух сосед­них сотах