Введение_в_специальность

использования канала для радиопереговоров составляло ничтожно малую долю от всего времени работы станции. Соответственно дру-

гие радиостанции одного и того же частотного диапазона не могли занимать «чужие» каналы. Поэтому абонентская ёмкость определя- лась как отношение выделенного диапазона частот к полосе частот, занимаемой каналом. При дуплексной связи она обычно составляет 12,5 кГц. Нетрудно убедиться в том, что это отношение – весьма малая величина – десятки или сотни абонентов, одновременно ра- ботающих в эфире.

Вотличие от этих ранних радиостанций и использующих их сетей связи, называемых конвенциональными, в современных системах

профессиональной связи применяется принцип свободного доступа к выделенному множеству каналов. Их (системы) называют транкин- говыми (от английского слова trunk, что означает «множество кана- лов», «пучок», «магистраль», «шина» или «ствол»). В этих системах

конкретный канал закрепляется за отдельной радиостанцией только на время каждого сеанса связи. При окончании сеанса канал переда- ётся другим абонентам. При этом время использования каждого ка- нала возрастает многократно, и число абонентов транкинговой связи возрастает в несколько раз по сравнению с конвенциональной свя- зью. Их число уже может быть порядка тысяч или десятков тысяч.

Впервых транкинговых системах каждая радиостанция вела по- иск свободного канала самостоятельно, сканируя заданный пучок каналов. Такие системы, т. е. системы с поиском свободного канала индивидуально, стали называть псевдо-транкинговыми. Их недо- статок – большое среднее время установления связи, что может быть для профессиональных средств связи недопустимым.

Вболее совершенных современных транкинговых системах для управления выбором свободного канала применяют специальные дополнительные каналы связи – это системы с выделенным каналом управления.

Первая сеть радиотелефонной транкинговой связи под названием «Алтай» была создана в СССР в 1963 году. Первенство отечествен- ных разработчиков этого вида связи перед зарубежными объясняет- ся особенностями существовавшего в СССР общественного строя,

когда внимание уделялось организации бесперебойной связи между органами государственного и централизованного производственно- го управления. Эта система оказалась чрезвычайно удачной, и она

111

функционировала почти 40 лет. В связи с необходимостью перехода на новую элементную базу, начиная с 1995 г., при участии фирмы Nokia система «Алтай» была модернизирована с сохранением ос- новных принципов работы под названием «РусАлтай». Она дей- ствует в диапазоне 330 МГц (длина волны 1 м).

За рубежом в соответствии с так называемым проектом 16 аме- риканской фирмой Motorola была создана первая сеть транкинговой связи для служб общественной безопасности только в 1979 г.

Ещё один путь для существенного увеличения ёмкости сети и для устранения всех перечисленных недостатков и создания бес- проводных сетей общего пользования – это переход от зоновых се- тей к сотовым сетям.

В сети сотовой связи вся покрываемая территория разбивается на множество небольших участков – соты (cells). В каждой соте имеется своя базовая приёмно-передающая станция, связанная ли- ниями связи со станциями других сот. В смежных сотах во избежа- ние взаимных помех связь идёт по различным каналам, но в отда- лённых сотах можно вести связь на одной и той же частоте. При

этом нет необходимости использовать мощные передатчики и особо чувствительные приёмники абонентских станций. Кроме того, при использовании сотовой связи стало возможным применять для свя- зи радиоволны УКВ диапазона. Недостаток этих радиоволн – рас- пространение на малое расстояние, в пределах прямой видимости – обратился в преимущество – малый уровень помех между сотами.

11.2. Особенности построения и функционирования систем сотовой связи

Концепция сотовой связи была представлена американской кор- порацией Bell Laboratories ещё в 1947 г. Однако внедрению её ме- шали трудности схемотехнической и технологической реализации.

Первые системы сотовой связи были запущены в скандинавских странах и Саудовской Аравии в конце 70-х годов. В настоящее вре- мя это самый распространённый вид мобильной связи. В 2002 г. число абонентов сотовой связи превзошло рубеж в 1 миллиард.

Сотовые системы мобильной связи – это один из современных

вариантов расширения телефонных сетей общего пользования с применением радиолиний. Основная цель создания этих систем –

112

обеспечение телефонной связью как можно большего числа инди- видуальных мобильных пользователей.

Концепция сотовой связи основана на трёх основных принципах функционирования:

1)деление обслуживаемой территории на соты (cells);

2)повторное использование каналов (channel reuse);

3)способ организации связи – дуплекс.

Вся зона обслуживания системы разбивается в пространстве на элементарные зоны, ячейки или соты. Каждая из сот является зоно- вой системой. Она имеет в своём центре полностью автоматизиро- ванное приёмно-передающее устройство, называемое базовой стан- цией. Базовая станция обеспечивает двустороннюю связь с подвиж- ными абонентами, находящимися в ячейке. В базовой станции име- ется, кроме приёмника и передатчика, устройство управления вы- бором канала и устройство, измеряющее уровень сигналов, прини- маемых от мобильных абонентов. В соответствии с этим уровнем регулируется мощность передатчика базовой станции или (и) при- нимается решение о переходе к работе с другой станцией [5].

Каждая базовая станция соединена с центром коммутации по- движной сети (центральной сотовой станцией), обеспечивающей связь с коммутируемой проводной телефонной сетью общего поль- зования (ТФОП), а также с другими базовыми станциями. Подвиж- ные абоненты сотовой сети связываются только с ближайшей базо- вой станцией.

При сотовой организации сети на обслуживаемом пространстве создаётся множество взаимосвязанных радиостанций с относитель- но небольшими мощностями передатчиков, что позволяет делать применяемую аппаратуру весьма компактной и не дорогой. Осо-

бенно это важно для абонентских устройств мобильных абонентов (мобильных радиотелефонов).

Упрощённая структура сети приведена на рис. 11.1.

На структурной схеме рис. 11.1 выделены три ячейки (соты) с базовыми станциями БС1, БС2 и БС3. Отмечено также по одному абоненту с мобильными станциями МС1, МС2 и МС3.

Каждой базовой станции предоставляется набор каналов, напри- мер частотных или временных (физических). Ограничимся вариан- том частотного разделения каналов (ЧРК). Каждый из каналов обеспечивает один двусторонний телефонный разговор.

113

Рис. 11.1. Структура сотовой сети

Для снижения уровня взаимных помех центр коммутации выде- ляет для разговоров в соседних ячейках различные каналы. Так, для рассматриваемой структуры (рис. 11.1) если текущий разговор мо- бильного абонента МС1 в первой соте идёт в частотном канале F1, то разговоры абонентов остальных ячеек идут в каналах F2 и F3.

При относительно невысоких выходных мощностях передатчи- ков базовых станций и выборе радиоканалов в диапазоне сверхвы- соких частот (СВЧ) мобильные абоненты обеспечиваются надёжной связью в пределах «своей» соты. Уровень сигнала от базовых стан- ций и от передатчиков мобильных станций в других, соседних сотах

весьма мал и не может быть помехой для работы абонентов этих сот. Это позволяет повторно использовать одинаковые каналы связи в несмежных сотах, что приводит к более рациональному использо- ванию и повышению загрузки весьма ограниченного числа выделя- емых каналов.

Рассмотрим применение принципа повторного использования ка- налов в случае, когда в системе из девяти сот разрешено вести разго- воры только в трёх частотных каналах F1, F2 и F3. Тогда распределе-

ние каналов между сотами рационально выполнить в соответствии с пространственной диаграммой, изображённой на рис. 11.2.

Группу соседних сот с одинаковыми наборами каналов (частот) называют кластером – это объединение сот с неповторяющимися каналами. Как видно из диаграммы (рис. 11.2), сеть из восемнадца- ти сот с тремя частотными каналами разбита на шесть кластеров.

114

Рис. 11.2. Повторное использование каналов

Определяющим параметром кластера является его размерность, т. е. число используемых каналов. Для нашего примера размерность кластеров равна трём. На практике применяют кластеры с размер- ностями от трёх до пятнадцати.

При делении сотовой сети на кластеры имеется множество базо- вых станций, работающих на одном канале и не создающих помех друг другу. Это возможно потому, что расстояние между соседними станциями, работающими на одном канале, выбирается достаточно большим, исходя из условий распространения радиоволн по ячей- кам. Это минимально допустимое расстояние называют защитным интервалом и обозначают как D. Для нашего примера все защитные интервалы одинаковы. Защитный интервал между станциями, рабо- тающими на одном канале, – это расстояние между центрами наиболее близких ячеек этого канала.

Для простоты расчётов ячейки обычно считают правильными шестиугольниками, как ячейки в пчелиных сотах, что и определяет один из вариантов их названия.

Произведя необходимые графические построения и расчёты, не- трудно получить связь между заданным значением защитного ин- тервала D, радиусом шестиугольных ячеек R и необходимым чис- лом каналов – размерностью кластера N:

D = R3N.

Значит, при N = 3 радиус ячеек R = D/3. При N = 12 радиус R = D/6. Значит при увеличении размерности кластеров уровень одноканаль- ных (соканальных) помех снижается. При D=const ёмкость сети рас- тёт с числом N, т. к. в одной зоне помещается всё больше ячеек.

115

Рассмотрим процесс функционирования сотовой системы радио- связи.

Для посылки вызова мобильный абонент находится в одной из ячеек зоны обслуживания и набирает номер другого абонента. При этом радиостанция абонента (т. е. сотовый радиотелефон) начинает поиск имеющегося свободного канала. По первому найденному свободному каналу, который обнаружит абонентская станция, осу- ществляется процедура вхождения в связь, после чего набранный абонентом номер передаётся на центральную станцию сети (центр коммутации). Центральная станция по этому номеру находит базо-

вую станцию вызываемого абонента или маршрут в телефонной сети общего пользования (ТФОП). После этого подвижный абонент слышит сигнал готовности.

Вызов может поступить также из телефонной сети общего поль- зования. При этом центральная станция сети по принятому номеру

проверяет наличие вызываемого абонента в зоне обслуживания и правильность номера.

Если вызываемый абонент присутствует в зоне, и его номер набран правильно, то центральная станция передаёт вызов для всех базовых станций в зоне обслуживания.

Если вызываемый подвижный абонент свободен, его абонент- ская станция автоматически закрепляется за каналом вызова в од- ной из ячеек и становится готовой к приёму вызова. При получении

вызова найденная абонентская станция автоматически передаёт подтверждение о готовности к сеансу связи. С его помощью опре- деляется местоположение абонентской станции относительно дей- ствующей базовой станции.

Затем центральная станция выбирает имеющийся в ячейке при-

ёмной станции свободный канал передачи и передаёт номер этого канала на приёмную станцию. Приняв номер, абонентская станция автоматически переключается на свободный канал, и начинается сеанс связи.

Во время разговора абонент обычно перемещается в зоне обслу- живания, сильно и быстро изменяя условия прохождения радиосиг- налов. Поэтому базовая станция постоянно ведёт контроль уровня сигнала и при приближении абонента к границе соты может при-

нять решение о необходимости передачи обслуживания на другую базовую станцию, при передаче через которую сигнал становится

116

сильнее. Это так называемая процедура переброса вызова. Она не- заметна для абонента, т. к. при этом разговор не прерывается. То же происходит, если абонент при передвижении переходит из одной ячейки сети в другую. При этом используется процедура передачи вызова от одной базовой станции к другой. Её называют эстафетной передачей или хэндовером (handover или handoff).

Если абонент перемещается из одной сотовой сети в другую, а эти сети связаны специальными каналами и совместимы друг с дру- гом, то абонент может воспользоваться услугой роуминга (от ан- глийского глагола to roam – скитаться, блуждать).

В настоящее время в России действуют сети и системы сотовой радиотелефонной связи двух поколений.

Первое поколение – это сети с обработкой аналоговых сигналов различных стандартов. Наиболее распространены сети стандарта NMT-450, который принят в качестве федерального (NMT – это Nordic Mobile Telephone, стандарт разработанный скандинавскими странами. 450 означает диапазон 450 МГц). Первая система этого стандарта в России – «Московская сотовая связь» (МСС), созданная в 1991 г. В настоящее время такие сети сворачиваются.

Более современные – сети второго поколения стандартов GSM и CDMAone. Они обрабатывают цифровые сигналы. Сети стандарта GSM работают в диапазоне 900 и 1800 МГц, используя множе- ственный доступ с частотным и временным разделением каналов. Поэтому ёмкость таких сетей больше, чем у сетей NMT-450.

Наибольшей потенциальной ёмкостью обладают сети стандарта CDMAone, применяющие кодовое разделение каналов. Они обла- дают наилучшей помехозащищённостью и защитой от прослушива- ния разговоров, но имеют крупный недостаток: при высоких скоро- стях движения абонентов (например, на автомобиле) нарушается синхронизация сети, и разговор может прерваться. Это ограничива- ет применение данных сетей [5, 11].

Контрольные вопросы

1.Развитие и классификация систем подвижной радиосвязи.

2.Особенности построения и функционирования систем сотовой связи.

117

ГЛАВА 12

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ

Моделирование начинается с формирования предмета исследо- ваний – системы понятий, отражающей существенные для модели- рования характеристики объекта. Эта задача является достаточно сложной, что подтверждается различной интерпретацией в научно- технической литературе таких фундаментальных понятий, как «си- стема», «модель», «моделирование». Подобная неоднозначность не говорит об ошибочности одних и правильности других терминов, а отражает зависимость предмета исследований (моделирования) как от рассматриваемого объекта, так и от целей исследователя. Отли-

чительной особенностью моделирования сложных систем является его многофункциональность и многообразие способов использова- ния; оно становится неотъемлемой частью всего жизненного цикла системы. Объясняется это технологичностью моделей, реализован- ных на базе средств вычислительной техники: достаточно высокой скоростью получения результатов моделирования и их сравнитель- но невысокой себестоимостью [4].

12.1.Принципы системного подхода

вмоделировании систем

Внастоящее время при анализе и синтезе сложных (больших) систем получил развитие системный подход, который отличается от классического (или индуктивного) подхода. Последний рассматри-

вает систему путем перехода от частного к общему и синтезирует (конструирует) систему путем слияния ее компонент, разрабатыва- емых раздельно. В отличие от этого системный подход предполага- ет последовательный переход от общего к частному, когда в основе рассмотрения лежит цель, причем исследуемый объект выделяется из окружающей среды.

Объект моделирования. Специалисты по проектированию и

эксплуатации сложных систем имеют дело с системами управления различных уровней, обладающими общим свойством – стремлением

118

достичь некоторой цели. Эту особенность учтем в следующих определениях системы. Система S – целенаправленное множество, взаимосвязанных элементов любой природы. Внешняя среда Е – множество существующих вне системы элементов любой природы, оказывающих влияние на систему или находящихся под ее воздей- ствием.

В зависимости от цели исследования могут рассматривать раз- ные соотношения между самим объектом S и внешней средой Е. Таким образом, в зависимости от уровня, на котором находится наблюдатель, объект исследования может выделяться по-разному, и

могут иметь место различные взаимодействия этого объекта с внешней средой.

С развитием науки и техники сам объект непрерывно усложняет- ся, и уже сейчас говорят об объекте исследования как о некоторой сложной системе, которая состоит из различных компонент, взаи- мосвязанных друг с другом. Поэтому рассматривая системный под-

ход как основу для построения больших систем и как базу создания методики их анализа и синтеза, прежде всего, необходимо опреде- лить само понятие системного подхода.

Системный подход – это элемент учения об общих законах раз- вития природы и одно из выражений диалектического учения. Можно привести разные определения системного подхода, но наиболее правильно то, которое позволяет оценить познавательную сущность этого подхода при таком методе исследования систем, как моделирование. Поэтому весьма важны выделение самой системы S

и внешней среды Е из объективно существующей реальности и описание системы, исходя из общесистемных позиций.

При системном подходе к моделированию систем необходимо, прежде всего, четко определить цель моделирования. Поскольку

невозможно полностью смоделировать реально функционирующую систему (систему-оригинал или первую систему), создается модель (система-модель или вторая система) под поставленную проблему. Таким образом, применительно к вопросам моделирования цель возникает из требуемых задач моделирования, что позволяет подой- ти к выбору критерия и оценить, какие элементы войдут в создава- емую модель М. Поэтому необходимо иметь критерий отбора от- дельных элементов в создаваемую модель.

119

12.2. Подходы к исследованию систем

Важным для системного подхода является определение структу- ры системы – совокупности связей между элементами системы, от- ражающими их взаимодействие. Структура системы может изучать-

ся извне с точки зрения состава отдельных подсистем и отношений между ними, а также изнутри, когда анализируются отдельные свойства, позволяющие системе достигать заданной цели, т. е. когда изучаются функции системы. В соответствии с этим наметился ряд подходов к исследованию структуры системы с ее свойствами, к которым следует отнести структурный и функциональный.

При структурном подходе выявляются состав выделенных эле- ментов системы S и связи между ними. Совокупность элементов и связей между ними позволяет судить о структуре системы. По-

следняя в зависимости от цели исследования может быть описана на разных уровнях рассмотрения. Наиболее общее описание структуры – это топологическое описание, позволяющее опреде- лить составные части системы, которое хорошо формализуется на базе теории графов.

Менее общим является функциональное описание, когда рас- сматриваются отдельные функции, т. е. алгоритмы поведения си- стемы, и реализуется функциональный подход, оценивающий функции, которые выполняет система, причем под функцией пони- мается свойство, приводящее к достижению цели. Поскольку функ- ция отображает свойство, а свойство отображает взаимодействие системы S с внешней средой Е, то свойства могут быть выражены в виде либо некоторых характеристик элементов Si(V) и подсистем Si системы, либо системы S в целом.

При наличии некоторого эталона сравнения можно ввести коли- чественные и качественные характеристики систем. Для количе- ственной характеристики вводятся числа, выражающие отношения между данной характеристикой и эталоном. Качественные характе- ристики системы находятся, например, с помощью метода эксперт- ных оценок.

Проявление функций системы во времени S(t), т. е. функциони- рование системы, означает переход системы из одного состояния в другое, т. е. движение в пространстве состояний Z. При эксплуата- ции системы S весьма важно качество ее функционирования, опре-

120