СПОСОБ РАДИОСВЯЗИ Российский патент 2005 года по МПК H04B7/26 

Изобретение относится к области связи, а более конкретно к способам радиосвязи в системе связи, основанной на принципе повторного использования частот с множественным доступом.

Рост числа операторов и абонентов сотовой связи обостряет проблему рационального использования частотного ресурса, а это требует разработки способов повышения эффективности повторного использования частот.

Изобретение позволяет увеличить емкость сети связи при заданном количестве отведенных для работы системы полос частот (радиочастот) или обеспечить заданную емкость системы меньшим количеством радиочастот, т.е. сэкономить частотный ресурс и, следовательно, количество приемопередатчиков, повысить качество связи, обеспечив межсистемную электромагнитную совместимость (ЭМС) при сохранении внутрисистемной ЭМС, существенно уменьшить совокупную излучаемую мощность приемопередатчиков, реализовать варианты планирования сетей связи в зависимости от решаемой задачи и поставленных целей и увеличить в целом технико-экономическую эффективность системы с учетом всех компонентов, влияющих на ее технические показатели и полную стоимость.

Заявляемое изобретение относится к системе сотовой связи, построенной в виде совокупности ячеек, покрывающих обслуживаемую территорию. Упрощенно ячейку представляют в виде шестиугольника, в центре которого находится система базовой станции (СБС), состоящая из нескольких базовых станций (БС), обслуживающая всех абонентов (иначе - абонентские терминалы (AT)) в пределах своей ячейки. При перемещении AT из одной ячейки в другую происходит передача его обслуживания от одной БС к другой или от одной СБС к другой (хэндовер). Все СБС системы замыкаются, по крайней мере, на один центр коммутации (ЦК), который управляет всей системой и осуществляет выход в другие системы связи. Общее управление работой ЦК и системой в целом производится от центрального контроллера, входящего в состав ЦК и имеющего мощное математическое обеспечение, включающее перепрограммируемую часть.

Реальные контуры (границы) ячеек имеют вид неправильных кривых, зависящих от условий распространения и затухания радиоволн, и не являются четко определенными, положение БС также лишь приближенно совпадает с центром ячейки.

Принцип повторного использования частот - это основной принцип системы сотовой связи, позволяющий существенно повышать емкость системы и заключающийся в использовании в близких одна относительно другой ячейках разных полос частот и в их повторении через несколько ячеек.

В практике сотовой связи применяют три основных метода множественного доступа - совместного использования ограниченного участка спектра частот многими пользователями: с частотным, временным и кодовым разделениями каналов связи (например, патент РФ №2104615, кл. Н 04 В 7/26). Также используют скачкообразную перестройку частот (пат. РФ №2119255, кл. тот же).

Для любого множественного доступа емкость системы радиосвязи с повторным использованием полос частот повышают несколькими основными способами:

1) Переходят к цифровой обработке информации и более совершенному методу доступа - от частотного к временному и кодовому.

2) Повышают повторяемость частот, уменьшая зоны обслуживания отдельных БС (дробление ячеек) и увеличивая плотность их размещения в районах с интенсивным трафиком. Этого достигают сокращением мощности излучения как БС, так и AT, снижением высоты подвеса антенн и увеличением угла наклона их диаграммы направленности (М.В.Ратынский. Основы сотовой связи. М.: Радио и связь, 2000. стр.82; Технологии и средства связи, 2002, №2, стр.40).

3) Для уменьшения потока передач обслуживания, вызванного дроблением, предполагается использование многоуровневых систем построения сети с обслуживанием в макросотах быстро перемещающихся AT, а в микросотах - малоподвижных AT. При малом трафике ячейки не дробят, а укрупняют.

4) Применяют многосекторные СБС (по 3, 6, 9, 12 секторов) с использованием в секторах направленных антенн (пат. РФ №2172072, кл. Н 04 В 7/26).

5) Предполагается использование адаптивного назначения радиочастот при частотном и временном разделении каналов. В этом случае частотный ресурс не отводится заранее определенным образом между ячейками кластера, а весь или частично находится в оперативном распоряжении ЦК, который выделяет их для пользования базовой станцией по мере поступления вызовов, т.е. в соответствии с реальным трафиком, но при соблюдении необходимого территориально-частотного разноса (например, М.В.Ратынский, цит., стр.83; пат. РФ №2154901, кл. Н 04 В 7/26 ).

6) Увеличивают количество отведенных радиочастот.

Для повышения помехоустойчивости системы радиосвязи БС с одинаковыми полосами частот удаляют друг от друга на расстояние, обеспечивающее заданный уровень соканальных, внутрисистемных помех (М.В.Ратынский. Основы сотовой связи. М., Радио и связь. 2000, раздел 2.4.2).

Известные способы радиосвязи направлены на увеличение емкости и уменьшение внутрисистемных помех систем связи. Однако быстрота развития сотовой связи и капиталовложения в ее создание и эксплуатацию столь велики, что требуется постоянное дальнейшее развитие, усовершенствование, поиск дополнительных возможностей повышения технико-экономической эффективности систем связи.

В качестве прототипа выбран способ радиосвязи по патенту РФ №2223602, кл. Н 04 В 7/26, основанный на принципе повторного использования частот в системе связи, при котором покрывают радиосигналами всю обслуживаемую территорию, состоящую из совокупности ячеек, в каждой ячейке радиосигналами приемопередатчиков ее системы базовой станции покрывают, по крайней мере, две зоны, одна из которых является внутренней, вложенные в контур радиопокрытия ячейки и одна в другую, с контурами зон, квазиподобными контуру радиопокрытия ячейки, без пересечения друг с другом, причем каждую из зон покрывают радиосигналы радиочастот, выделенных для этой зоны, при этом обеспечивают приоритет доступа абонентов, находящихся во внутренней зоне, в первую очередь к радиочастотам, выделенным для обслуживания внутренней зоны.

Известный способ не исчерпывает потенциальные возможности увеличения емкости и уменьшения внутрисистемных помех систем связи, экономии частотного ресурса и поэтому не использует резервы увеличения технико-экономической эффективности системы связи.

Сущность изобретения направлена на увеличение емкости и снижение внутрисистемных помех, экономии частотного ресурса и увеличение технико-экономической эффективности системы связи.

Отличительные особенности заявляемого изобретения от прототипа заключаются в том, что оно позволяет, например, при незначительном увеличении числа частот и сохранении ЭМС существенно увеличить трафик системы связи.

Предложен способ радиосвязи, основанный на принципе повторного использования частот и содержащий существенные признаки прототипа: покрывают радиосигналами всю обслуживаемую территорию, состоящую из совокупности ячеек, в каждой ячейке радиосигналами приемопередатчиков ее системы базовой станции покрывают, по крайней мере, две зоны, одна из которых является внутренней, вложенные в контур радиопокрытия ячейки и одна в другую, с контурами зон, квазиподобными контуру радиопокрытия ячейки, без пересечения друг с другом, причем каждую из зон покрывают радиосигналы радиочастот, выделенных для этой зоны, при этом обеспечивают приоритет доступа абонентов, находящихся во внутренней зоне, в первую очередь к радиочастотам, выделенным для обслуживания внутренней зоны.

Другими существенными, отличительными от прототипа признаками являются следующие: приемопередатчики системы базовой станции передают и принимают радиосигналы, обеспечивая близкое к круговому радиопокрытие внутренней зоны, по крайней мере, на одной выделенной радиочастоте и секторное радиопокрытие внешней зоны на других выделенных для обслуживания каждого сектора радиочастотах.

Кроме того, отношение радиуса R₂ внутренней зоны к радиусу R₁ внешней зоны выбирают преимущественно в диапазоне где m - число секторов в ячейке, k - число радиочастот, выделенных для обслуживания одного сектора, n - число радиочастот, выделенных для обслуживания внутренней зоны.

Также приемопередатчики систем базовых станций передают и принимают радиосигналы, обеспечивая радиопокрытие внутренних зон на радиочастотах, наиболее удаленных от радиочастот, занятых радиоэлектронными средствами других систем радиосвязи, находящихся в окрестности данной системы радиосвязи.

Предлагаемый способ радиосвязи увеличивает технико-экономическую эффективность системы связи благодаря передаче и приему радиосигналов во внутренней, близкой к круговой, зоне, по крайней мере, на одной радиочастоте и возможности использования этой радиочастоты в других ячейках. Это позволяет увеличить емкость, уменьшить внутрисистемные помехи, сэкономить частотный ресурс и вследствие этого снизить стоимость систем сотовой связи, а в некоторых ситуациях вообще обеспечить возможность ее функционирования.

Ниже изобретение описано более детально со ссылками на чертежи и таблицу, схематично иллюстрирующие реализацию заявленного способа.

Способ распространяется как на действующие, так и на проектируемые системы сотовой связи различных стандартов и может быть применен совместно с другими известными способами повышения эффективности использования частотного ресурса, дополняя и развивая их и давая, как показано ниже, существенный технико-экономический эффект.

Предложенный способ осуществляется следующим образом.

Способ распространяется на систему связи, построенную в виде ячеек с СБС, расположенными условно в центре каждой из них. СБС обеспечивает радиосвязью все AT, находящиеся в пределах ячейки. Все СБС функционально соединены с общим ЦК, который передает обслуживание от одной СБС к другой при перемещении AT из одной ячейки (сектора, зоны) в другую.

Приемопередатчики (ПП) СБС, и, соответственно, абонентских терминалов, находящихся в пределах ячейки, передают и принимают сигналы радиосвязи по радиочастотам из отведенных для работы системы радиосвязи полос частот, в совокупности радиопокрывая всю площадь ячейки. Необходимое количество полос частот, используемых в ячейке, повторяют через несколько ячеек по схеме, обеспечивающей требуемую соканальную электромагнитную совместимость, как это принято в системах связи, основанных на принципе повторного использования частот.

Каждая ячейка подразделена, по крайней мере, на две зоны радиопокрытия, одна из которых является внутренней с условным радиусом R₂, а вторая является по отношению к ней внешней с условным радиусом R₁. Все зоны радиопокрытия вложены в контур радиопокрытия ячейки и одна в другую и имеют контуры, квазиподобные контуру радиопокрытия, охватывающему ячейку. Контуры зон радиопокрытия не должны пересекаться друг с другом. Внутренняя зона имеет наибольший номер, а наружная - первый номер. При этом определяющим является то, что каждую из зон покрывают радиосигналы радиочастот, выделенных для обслуживания этой зоны в ячейке.

Необходимое количество радиочастот, используемых в ячейке, повторно используют в каждой другой ячейке или через несколько ячеек по необязательно одинаковым схемам, обеспечивающим требуемое качество связи, соканальную электромагнитную совместимость.

Следующими являются действия по обеспечению доступа AT к радиочастотам. А именно, доступ AT к радиочастотам осуществляют известным средством выделения радиочастот (например, из пат. РФ №2154901, кл. Н 04 В 7/26 ) заданным в конкретной системе связи порядком, но со следующим приоритетом. В первую очередь обеспечивают доступ AT, находящихся во внутренней зоне, к радиочастотам, выделенным для обслуживания внутренней зоны. Эти радиочастоты могут оказаться недоступными в двух случаях: 1) AT находится вне зоны радиопокрытия этими радиочастотами, и 2) AT находится в зоне радиопокрытия этими радиочастотами, но они полностью заняты. В такой ситуации в прототипе обеспечивают доступ к радиочастотам, выделенным для обслуживания внешней зоны (в случае двух зон). При большем числе зон этот процесс последовательно повторяют вплоть до доступа к радиочастотам, выделенным для обеспечения радиопокрытия всей площади ячейки.

Управляющие сигналы действуют на всей ячейке по специально выделенным радиочастотам внешней зоны.

Для достижения технического результата изобретения предпринимают нижеследующие действия.

Приемопередатчики СБС передают и принимают радиосигналы с обеспечением близкого к круговому радиопокрытия внутренней зоны, по крайней мере, на одной радиочастоте, выделенной для обслуживания находящихся в ней AT. Секторное радиопокрытие внешней зоны обеспечивают на других выделенных для каждого сектора радиочастотах.

Реализация способа-прототипа схематически показана на фиг.1, а заявленного способа - на фиг.2, 3, 4. Системы радиосвязи представлены в виде фрагментов совокупности ячеек, покрывающих обслуживаемую территорию.

На фиг.1 ячейки состоят, для примера, из двух зон: внутренней (внутр), внешней (внеш), охватываемой контуром радиопокрытия (контур). Показаны радиусы зон радиопокрытия.

Осуществление заявляемого способа демонстрируется на простом примере 4-элементного, 3-секторного кластера (фиг.2, 3, 4). Ячейки одного кластера обозначены буквами A, B, C, D. Внутри каждой ячейки, для примера, показаны две зоны радиопокрытия с СБС, размещенной условно в центре ячейки. Каждый ПП передает и принимает радиосигналы только на выделенных радиочастотах. Внутренняя зона близка к круговой и на фиг.2-4 обозначена цифрой 13. Для ее обслуживания во всех ячейках кластера выделена, по крайней мере, одна радиочастота f₁ (фиг.2). Внешняя зона в ячейке сформирована в виде трех секторов, выделенные для их обслуживания радиочастоты обозначены цифрами 1-12. Радиосигналы всех радиочастот 1-12 и f₁ покрывают весь кластер.

Осуществление доступа AT к радиочастотам покажем на примере одной ячейки. Пусть AT находится во внутренней зоне радиопокрытия, обслуживаемой радиочастотой f₁, в точке Е. Тогда ему предоставляют доступ в первую очередь к радиочастоте f₁. Если радиочастота f₁ окажется занятой, то AT предоставляют доступ второй очереди - к радиочастоте 8, выделенной для обслуживания сектора, в который попадает точка Е.

Пусть теперь AT находится в точке F во внешней зоне в секторе с радиочастотой 8. Тогда ему недоступна радиочастота f₁ и предоставляется доступ к радиочастоте 8.

В окрестности данной системы радиосвязи могут находиться радиоэлектронные средства других систем радиосвязи, работающие на некоторых радиочастотах. В этом случае приемопередатчики систем базовых станций передают и принимают радиосигналы, обеспечивая радиопокрытие внутренних зон на радиочастотах, наиболее удаленных от радиочастот, занятых радиоэлектронными средствами других систем радиосвязи, находящихся в окрестности данной системы радиосвязи.

Плотность AT (количество AT на единицу площади) можно считать с достаточной точностью одинаковой на всей обслуживаемой территории.

Соотношение радиусов внутренней и внешней зон, полученное из условия равнодоступности AT к радиочастотам, для однородной модели сети имеет вид (обозначения приведены выше)

Для реальной сети это соотношение выбирают преимущественно в диапазоне

На практике задают количество радиочастот для обслуживания соответствующих зон радиопокрытия.

Заявляемый способ позволяет достаточно гибко подходить к планированию сети в зависимости от конкретной ситуации и поставленной задачи. Например, в кластере для обслуживания внутренних зон ячеек можно задать: 1) одинаковые радиочастоты f₁ для всех зон (фиг.2), 2) одинаковые радиочастоты для удаленных друг от друга зон (например, f₂ в ячейках В и D, фиг.3) и разные - для зон, ближе расположенных друг к другу (например, f₁ и f₃ в ячейках А и С, фиг.3), 3) разные радиочастоты f₁, f₂, f₃, f₄ для всех зон кластера (фиг.4). Можно использовать при этом уменьшенную мощность приемопередатчиков, что дает дополнительные экологические и технико-экономические преимущества. При увеличении размерности кластера в рамках заявляемого способа появляются дополнительные варианты задания радиочастот, мощностей и их комбинаций для обслуживания внутренних зон.

Эффективная и качественная работа системы сотовой радиосвязи с обеспечением внутрисистемной ЭМС и ЭМС с другими радиоэлектронными средствами, например с аэродромными средствами ближней навигации и посадки, осуществляют оптимальным образом с учетом конкретных требований, предъявляемых к данной системе радиосвязи.

Использование заявленного способа радиосвязи позволяет увеличить емкость системы связи. Покажем это на нескольких простых примерах:

1) Система сотовой радиосвязи состоит из четырехэлементных трехсекторных кластеров (пример ее показан на фиг.2). Если внутренняя зона по заявляемому способу не предусмотрена, то требуется 12 радиочастот и трафик одного кластера также ~ 12. Пусть выделена одна радиочастота для обслуживания одного сектора внешней зоны, а для обслуживания внутренней зоны выделены 1, или 2, или 3 радиочастоты. Тогда при условии обеспечения равнодоступности AT добавление в кластере одной радиочастоты во внутреннюю зону увеличивает трафик на 33%, двух - на 67%, трех - на 100%. При увеличении количества радиочастот во внутренней зоне растет R₂ и необходимо контролировать условия обеспечения внутрисистемной ЭМС.

2) Система радиосвязи построена по примеру 1, но для обслуживания сектора выделено 2 радиочастоты. Если внутренняя зона по заявляемому способу не предусмотрена, то требуется 24 радиочастоты и трафик одного кластера также ~ 24. Пусть для обслуживания внутренней зоны выделены 1, 2 или 3 радиочастоты. Тогда при условии обеспечения равнодоступности AT добавление в кластер одной радиочастоты во внутреннюю зону увеличивает трафик на 17%, двух - на 33%, трех - на 50%. При увеличении количества радиочастот во внутренней зоне растет R₂, но несколько облегчается обеспечение внутрисистемной ЭМС по сравнению с примером 1.

3) Система радиосвязи построена по примеру 1, но для обслуживания сектора выделено 3 радиочастоты. Если внутренняя зона по заявляемому способу не предусмотрена, то требуется 36 радиочастот и трафик одного кластера также ~ 36. Пусть для обслуживания внутренней зоны выделены 1, 2 или 3 радиочастоты. Тогда при условии обеспечения равнодоступности AT добавление в кластер одной радиочастоты во внутреннюю зону увеличивает трафик на 11%, двух - на 22%, трех - на 33%. При увеличении количества радиочастот во внутренней зоне растет R₂, но облегчается обеспечение внутрисистемной ЭМС по сравнению с примерами 1 и 2.

Результаты оценки эффективности применения заявляемого способа для этих трех примеров более подробно показаны в таблице.

Заявленный способ радиосвязи универсален и может быть применен в комбинации с другими способами при использовании на СБС как антенн с круговой диаграммой направленности, так и секторных антенн, а также и в многоуровневых схемах повторения сотовой сети связи. Отметим также следующее достаточно важное обстоятельство. При создании сети сотовой связи из-за высоких капиталовложений операторы на начальных этапах строительства своих систем стремятся обеспечить максимальную зону радиопокрытия при небольшом количестве AT. Последующее наращивание абонентской емкости путем увеличения количества СБС, их секторизации и умножения числа каналов происходит уже после ввода системы в эксплуатацию. Такой подход требует простого увеличения количества ПП СБС, но он может повлечь за собой полное изменение структуры их антенно-фидерного оборудования (АФО). Чтобы свести к минимуму затраты на модернизацию АФО, включающее не только собственно стоимость аппаратуры, но и достаточно трудоемкие монтажные работы, необходимо на начальном этапе проектирования сети предусмотреть пути дальнейшего развития системы в целом и возможности изменения структуры отдельных СБС. Применение заявленного способа радиосвязи позволяет в значительной степени уменьшить эти трудности, а в ряде случаев устранить их.

Таким образом, отличительные признаки заявляемого способа радиосвязи обеспечивают появление новых свойств, не достигаемых в прототипе и аналогах. Проведенный анализ позволил установить: аналоги с совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа связи условию “новизны”.

Результаты поиска известных решений в области связи с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного способа радиосвязи, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения действий на достижение указанного результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности “изобретательский уровень”.

Изобретение относится к радиосвязи и может использоваться в сотовой радиосвязи. Технический результат состоит в увеличении емкости сотовой связи, экономии частотного ресурса, уменьшении внутрисистемных помех, обеспечении электромагнитной совместимости (ЭМС) с радиоэлектронными средствами других систем связи. Это достигается тем, что в каждой ячейке радиосигналами передатчиков ее системы базовой станции (СБС) покрывают, по крайней мере, две зоны, одна из которых является внутренней, вложенные в контур радиопокрытия ячейки и одна в другую, с контурами зон, квазиподобными контуру радиопокрытия ячейки, без пересечения друг с другом, причем каждую из зон покрывают радиосигналы радиочастот, выделенных для этой зоны, при этом обеспечивают приоритет доступа абонентов, находящихся во внутренней зоне, в первую очередь к радиочастотам, выделенным для обслуживания внутренней зоны. Приемопередатчики передают и принимают радиосигналы, обеспечивая близкое к круговому радиопокрытие внутренней зоны, по крайней мере, на одной выделенной радиочастоте и секторное радиопокрытие внешней зоны на других выделенных для обслуживания каждого сектора радиочастотах. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Способ радиосвязи в системе сотовой связи, в которой вся обслуживаемая территория состоит из совокупности ячеек, каждая из которых имеет, по крайней мере, две зоны, одна из которых является внутренней, основанный на принципе повторного использования частот, покрывающих всю обслуживающую территорию, при котором радиосигналами приемопередатчиков базовой станции покрывают, по крайней мере, две зоны, одна из которых является внутренней, вложенной в контур радиопокрытия ячейки другой, с контурами зон покрытия радиосигналами квазиподобными контуру покрытия ячейки без пересечения друг с другом, причем каждую из зон покрывают радиосигналы радиочастот, выделенных для этой зоны, при этом обеспечивают приоритет доступа абонентов, находящихся во внутренней зоне, в первую очередь к радиочастотам, выделенным для обслуживания внутренней зоны, отличающийся тем, что приемопередатчики базовой станции передают и принимают радиосигналы, обеспечивая близкое к круговому радиопокрытие внутренней зоны, по крайней мере, на одной выделенной радиочастоте и секторное радиопокрытие внешней зоны на других выделенных для обслуживания каждого сектора радиочастотах.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отношение радиуса R₂ внутренней зоны к радиусу R₁ внешней зоны выбирают преимущественно в диапазоне где m - число секторов в ячейке, k - число радиочастот, выделенных для обслуживания одного сектора, n - число радиочастот, выделенных для обслуживания внутренней зоны.3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что приемопередатчики систем базовых станций передают и принимают радиосигналы, обеспечивая радиопокрытие внутренних зон на радиочастотах, наиболее удаленных от радиочастот, занятых радиоэлектронными средствами других систем радиосвязи, находящихся в окрестности данной системы радиосвязи.