Способ радиосвязи в цифровых сотовых системах с замыканием внутренней нагрузки на базовых станциях Советский патент 1993 года по МПК H04B7/00 

Сотовые стационарные цифровые радиотелефонные системы применяются для организации связи с удаленными и труднодоступными абонентами.

Известны системы Rurtel (ФРГ), DRSS, DRCS (Япония). .

В состав таких систем входят:

- центральная станция (ЦС), которая обеспечивает подключение всей системы к автоматической телефонной станции (АТС) существующей местной сети, осуществляет связь по радиоканалу с базовыми станциями и управляет работой всей системы;

- базовые станции (ВС), служащие для ретрансляции пакетов сообщений от (к) ЦС и соседних БС и взаимодействия по радиоканалу с абонентскими станциями (АС), расположенными в зоне данной БС;

- АС, предназначенные для подключения к ним проводными линиями связи групп абонентов или индивидуальных абонентов и взаимодействия по радиоканалу с БС своей зоны,

В качестве прототипа рассматривается система DRMASS. Организация связи в такой системе показана на фиг.1. Работа системы основана на использовании принципов территориально-частотного планирования сети, многост;знционного доступа с временным разделением каналов (МДВР), метода пакетной передачи. ,

Структура кадра МДВР представлена на фиг.2. Он состоит из N временных канаXI

О

о о ю

ов, из которых нулевой временной канал В Ко) я вляется контрольным и предназначен ля передачи управляющей информации, В остальных временных каналах (BKi-BKn) осуществляется передача данных и речевой информации.

Основные принципы работы Таких систем заключаются следующем. Вся территория обслуж ванйя раздёляется на зоны. В одной из зон располагается ЦС, которая в синхронном режиме на частоте fi всенап- равленнр излучает поток цифровой информации формата МДВР. ЦС имеет выход на АТС местной сети, где осуществляется коммутация разговорных трактов абонентов системы. В центре каждой из остальных зон установлена БС, которая работает как ретранслятор, передающий информацию в соседнюю зону. В своей зоне БС осуществляет радиосвязь с АС. Приняв информационный пакет от ЦС или БС соседней зоны, данная БС регенерируется и всенапрэвле н- нб из лучает пакет на другой частоте. Абонентские станции располагаются в зоне обслуживания БС и поддерживают с ней обмен по радиотракТу, на частоте работы данной БС, Выбор рабочей частоты ЕС осу- щ ёств ли етс я в с оот вётствиЙ1 с Тпр и н цй п ом терр йториально-частЬтного планйр бвания.

Структурная Схема БС прототипа представлена на фиг.З. Она включает в себя два комплекта радиооборудования, контроллер МДВР, процессор управления и интерфейсное оборудование для подключе нй:я телефонных абонентов и пользователей данных непосредственно к БС по проводным линиЯМ. V .. . /..

Принцип передачи информации от ЦС к БС и АС (сверху-вниз) прототипа показан на фиг,4а. На фиг.4б показана передача от АС и БС к ЦС (снизу-вверх), При установлении телефонной связи или передаче дан- .ных занимается любой свободный временной канал из группы BKi - ВКП.

Вследствие того, что БС работает в режиме р етра нсл йтЪ р й Ш рёШлуШёт всю ин- фор мацию:, принутую из соседней ячейки или от (к) ЦС, а временные каналы представляются центральной станцией, то занятие любого временного канала в любой зоне означает его занятость во всей системе.

Рассмотрим порядок установления соединения между двумя абонентами системы. У ста н о в л е nVte tf (5ёЙйне и и# в Си стё м ё о су ще - ствляется под управлением ЦС. Управляющая информация передается от ЦС к БС и АС в прямом канале управления (ПКУ), а от АС и БС к ЦС в о братном канале управления (ОКУ). Для.устзновле ния исходя щего вызова АС; к которой подключён абонент AI, передает в ОКУ требуемую информацию на ЦС. Эта информация содержит необходимые данные об абоненте Ач и абоненте А2, с которым AI желает установить соединение.

После обработки полученной информации и завершения обмена служебной информацией с абонентскими станциями, к которым подключены абоненты AI и А2, ЦС в ПКУ передает на абонентские станции данные о

0 номерах временных каналов, представляемых этим абонентам для передачи речи или данных. Приняв эти номера, абоненты,зани- Мают предоставленные каналы. При таком порядке для установления соединения меж5 ду двумя абонентами системы требуются

два дуплексных канала, которые на время сеанса между AI и Аа считаются для остальных абонентов системы занятыми, Одновременно с этим ЦС выдает сигналы

0 управления для коммутации линий связи на АТС, за которыми на данный момент времени закреплены временные каналы, выделенные для разговора. На фиг.4а, 46 показано установление соединений между

5 абонентами AI и А2 и абонентами Аз и Ад, которым соответственно предоставляются временные каналы BKi, BK2, ВКз, BKU. Установление соединения осуществляется согласно изложенному порядку, независимо

0 от того, находятся ли абоненты в одной и той же зоне или в разных.

Недостатком данного способа организации является следующее. Так как занятие каких-либо временных радиоканалов

5 означает занятость этих каналов во всей системе, то эти каналы будут непрерывно излучаться на всех частотах независимо от того, заняты они или нет. Это приводит к недостаточно эффективному использова0 нию временных каналов и, как следствие, к ограничению емкости системы,

Целью изобретения является увеличение емкости системы без увеличения количества каналов и сохранения без изменения

5 остальных параметров системы за счет организации связи с замыканием внутренней нагрузки (ЗВН) на ВС. - -.

Цель достигается тем, что в способе организации связи в цифровых состовых сис0 темах с замыканием внутренней нагрузки на базовых станциях, заключающемся в том, что всю территорию обслуживания разделяют на зоны, в одной из зон располагают центральную станцию, которая в синхрон5 ном режиме на одной частоте всенаправ- ленно излучает поток информации формата МДВР, при этом центральную станцию соединяют с автоматической станцией местной сети, в центре каждой из остальных зон устанавливают базовые станции, которые регенерируют и всенаправленно излучают поток информации на соответствующей частоте, и осуществляют радиосвязь с абонентскими станциями, расположенными в зоне обслуживания, соседними базовыми станциями, при этом управляющая информация передается от центральной станции к базовым станциям и абонентским станциям в прямом канале управления, а от абонентской станции и базовых станций к центральной станции в обратном канале управления, причем при установлении исходящего вызова абонентская станция передает в обратном канале необходимые данные об абоненте AI и абоненте Аа, после обработки полученной информации и завершения обмена служебной информацией с абонентскими станциями, к которым подключены абоненты AI и А2, центральная станция в прямом канале управления передает на абонентские станции данные о номерах временных каналов, представляемых этим абонентам, приняв эти номера, абоненты занимают предоставленные каналы, одно-- временно с этим центральная станция выдает сигналы управления для коммутации линией связи на автоматической телефонной станции, за которыми закреплены временные каналы, выделенные для разговора, введены новые операции временные каналы в кадре МДВР условно разделяют на две группы, первая группа каналов служит для обеспечения внутризоновых соединений, а вторая группа - для установления соединений между абонентами различных зон, при этом в программное обеспечение центральной станции вводят информацию о принадлежности абонентов к определенной базовой станции, центральная станция, анализируя номера вызывающего и вызываемого абонентов, определяет их принадлежность к одной или разным базовым станциям и предоставляет канал из первой либо из второй группы каналов, кроме того центральная станция хранит информацию о занятости каналов из первой группы для каждой базовой станции. .

Предлагаемый способ основан на том, что в силу принятого принципа обмена радиосигналами между ЦС, БС и АС в режиме без замыкания внутренней нагрузки (БЗН) временные радиоканалы непрерывно излучаются на всех частотах. Однако, благодаря тому, что абоненты разных зон оказываются разнесенными не только во времени, но и по частоте, появляется возможность повторно использовать бесполезно излучаемые, на разных частотах одни и те же временные каналы, например, для внутри- зоновых соединений, т.е. осуществить внутреннее замыкание некоторой части общей нагрузки на базовых станциях. Такой ре-, жим, который назван режимом замыкания внутренней нагрузки (3ВН), реализуется пу- 5 тем частичной децентрализации возложенных на ЦС функций и оснащения каждой Б С дополнительной аппаратурой в объеме, достаточном для осуществления связи между абонентами своих зон. Заметим, что в этом

0 случае организация связи между абонентами разных ячеек ничем не отличается от варианта без замыкания нагрузки, описанного в прототипе. В результате более рациональное использование радиоспектра,

5 обеспечиваемое режимом ЗВН, позволяет получить выигрыш б количестве обслуживаемых абонентов (т.е. увеличении абонентской емкости системы) при неизменных других параметрах системы и качестве об0 служивания.

На фиг.5 представлены согласно предлагаемому способу две группы временных каналов в кадре МДВР..

На фиг.6 представлена структурная схе5 ма Б С при работе системы с ЗВН на БС.

На фиг.Та, 76 представлена схема взаимодействия ЦСБ согласно предлагаемому способу.

Для реализации данного способа рабо0 ты временные каналы в кадре МДВР услов- но разделяются на две группы (фиг.5). Первая группа каналов (ВКт-ВКп) служит для обеспечения внутризоновых соединений, а вторая группа (BKk-и - ВКП) предназ5 начается для установления соединения между абонентами различных зон и внешней связи. Таким образом, принцип работы системы и порядок установления соединений при использовании каналов второй

0 группы идентичен принципу работы и по. рядку взаимодействия, описанному для

прототипа. Предоставление каналов из той

или другой группы осуществляется ЦС на

основе обработки данных, получаемых в ка5 нале управления. Для этого в программное обеспечение ЦС вводится дополнительная . информация о принадлежности абонентов к определенной БС. Анализируя номера вызывающего и вызываемого абонентов, ЦС

0. определяет их принадлежность к одной или разным Б С. Если абоненты принадлежат одной базовой станции, то им представляется канал из первой группы каналов, в противном случае.- из второй труппы. Кроме того,

5 ЦС хранит информацию о занятости каналов из первой группы для каждой БС.

На ВС требуется произвести следующую доработку оборудования. В состав БС (фиг.6) вводится блок временной коммутации (БВК). который управляется процессером управления. Данные для процессора управления о коммутации требуемых временных каналов непосредственно на БС при внутризоновом замыкании передаются от ЦС в ОКУ. Кроме того, процессор управления обеспечивает запрещения приема информации базовыми станциями в соседних зонах во временных каналах первой группы. Т.е. в программное обеспечение процессора управления БС добавляется програмнный модуль для реализации этих функций. С учетом этого структурная схема БС будет иметь вид, показанный на фиг.6.

Данный подход полностью сохранит существующую в прототипе структуру кадра МДВР, При этом на ЦС производится изменение только функционального программного обеспечения системы, куда вводятся дополнительные программные модули для реализации способа ЗВН на БС,

Взаимодействие ЦС, БС и АС согласно предлагаемому способу работы системы с ЗВН на БС показано на фиг.7а, 76, где показан фрагмент структуры сотовой сети связи ,с ЗВН. На фиг,7а, 76 показаны две базовые станции (БС) и расположенные, в их зонах обслуживания абонентские станции (АС). ; Абоненты AI, Аа, Аз, An подключены к-соответствующим АС проводными л и ниши ;

Рассмотрим процесс установления соединения между двумя абонентами системы, находящимися в зоне обслуживания одной ВС, Для установления исходящего вызова АС, которой принадлежит данный абонент, занимает ОКУ и передает в нем необходимую для установления-исходящего вызова информацию. Данная информация по ради- оканалу передается на БС данной ячейки и далее ретранслируется на ЦС. После пол- .учения информации, ЦС анализирует, принадлежат ли абоненты к одной базовой станции или нет. Если абоненты не находятся в зоне обслуживания одной БС, то порядок установления соединения между ними идентичен порядку установления соединения, описанному для прототипа, с учетом того, что временные каналы для связи предоставляются из свободных каналов второй группы (BKk+1 - ВКп). Для абонентов, находящихся в зоне обслуживания одной БС, ЦС и ОКУ передает данные о номерах врёмен- ны х каналов , выделенных для установления соединения между этими абонентами. Причем для: связи внутри ячейки выбираются свободные каналы из первой группы (BKi - BKk). В ПКУ от ЦС также передается информация к процессору управления той БС, которая обслуживает данных абонентов. Проанализировав эту информацию, процессор управления вырабатывает сигналы, по

которым БВК осуществляет коммутацию тех временных каналов, которые были представлены этим абонентам центральной станцией. На фиг.7а абоненту Ai предоставлен канал BKi, а абоненту Аа канал - BKj, где .I, j - номера каналов из группы каналов для внутризонового замыкания. Соседняя базовая станция принимает пакет от первой БС, начиная с (к+1)-го временного канала, а времененые каналы BKi - BKk используются для внутреннего замыкания, причем каналы BKi, BK, также могут быть предоставлены и абонентам Аз и А4. На фиг,76 показана передача информации снизу - вверх в системе с ЗВН. БС ретранслирует информацию от БС к БС (ЦС) начиная с (к+1)-го временного канала, а временной интервал BKi - BKk используется для приема информации от абонентов при внутризоновом соединении

между ними,

Исходя из изложенных принципов ра-. боты, в данной системе имеется возможность Одновременного использования всех каналов первой группы во всех зонах для

внутризоновых замыканий.

Для количественного обоснования преимуществ предлагаемого способ ЗВ Н над БЗН, применяемым в протоколе, с точки зрения увеличения абонентской емкости системы при заданном качестве обслуживания (вероятности отказов вызовов В0тк) сравниваемые способы были проанализированы с позиции теории массового, обслуживания,

При допущении о простейшем потоке

выЗовое и экспоненциальном распределении длительности телефонного разговора обслуживание абонентов по способу БЗН может быть представлена как простейшая

система массового обслуживания (CMQ) вида M/M/N с конечным числом источников, для которой вероятность отказа вызовов любому абоненту находится по формуле Эн- геста, краткая запись которой имеет вид:

Вотк е{М,А, Y},(1)

где Вотк - вероятность отказа вызовов;

N-число пар временных радиоканалов: А - общее число, пар абонентов в системе: - : . ,

Y - интенсивность потенциальной нагрузки, создаваемой одним абонентом.

Для предлагаемого способа ЗВН была та кже составлена модель ввиде СМО, в которой из имеющихся N пар временных радиоканалов М пар(1 М N-1) выделяется для обслуживания только внутренних нагу- зок, а оставшиеся Q N-M пар - только для обслуживания внешних вызовов. В реэультате была получена следующая формула для расчета вероятности отказа вызовов от абонентов, расположенных в 1-й зоне,.

Bt- Pi -Ј{Mi(PL -Д. -AiY)} +

не хуже, чем в режиме БЗН, применяемом в системе-прототипе. Для количественной оуценки такого выигрыша в абонентской емкости при заданных , Y, $ и S был введен относительный коэффициент

Использование: для организации связи с удаленными и труднодоступными абонентами. Сущность изобретения: в силу принятого принципа обмена радиосигнала между центральной станцией, базовыми станциями и абонентскими станциями в режиме без замыкания внутренней нагрузки временные радиоканалы непрерывно излучаются на всех частотах. Однако, благодаря тому, что абоненты разных зон оказываются разнесенными не только во времени, но и по частоте, появляется возможность повторно использовать бесполезно излучаемые на разных частотах одни и те же временные каналы для внутризоновых соединений, т.е. осуществить внутреннее замыкание некоторой части общей нагрузки на базовые станции. В цифровых сотовых системах обеспечивается увеличение емкости системы без увеличения количества каналов и сохранение без изменения остальных пара- . метров системы за счет организации связи с замыканием внутренней нагрузки на базовые станции. 1 табл. 8 ил. (Л t

+ (1-Pi) 2 $ (1-Pi)Y}, 1 1

где I 1 ,S - ткущий номер зоны,

S-общее число зон,

-Pi - вероятность того, что абонент 1-ой зоны хочет связаться с другим абонентом той же самой зоны, и характеризующая внутреннее тяготение между .абонентами, а значит, и долю замыкания внутренней нагрузки в пределах l-ой зоны.

$ -Ј-. - коэффициент, учитывающий

/А. . неравномерность плотности размещения абонентов в разных зонах, которая характерна для сельской местности, AI - число пар абонентов, расположенных в 1-й зоне из общего числа А пар абонентов.

Другие параметры, входящие в (2), были определены выше.

Формула (1), соответствующая способу БЗН в системе-прототипе, получается как частный случай соотношения (2) при Р 0 и М 0 (а следовательно, при Q - М) с учетом

- . s.. . того, что 2 ft 1i 1 .

Обозначим первое и второе слагаемое в первой части соотношения (2) соответственно через Bj и Bi. При фиксированных значениях/ и PI для М 0 имеет BI B imin PI, B| (1-P|), Ј{N, A, Y} Вотк, Т.К.

. , -. s - , ......

A A 2) (1-Pi) А. При другом граничj r 1 -. : .

ном значении М N B lmin PI Ј{N, A, Y} Вотк, т.к. A PI p A A, B Wn 1 - Pi. Из (2) видно, что при неизмененных других параметрах с увеличением М слагаемое Bi будет уменьшаться, а ВГ - увеличиваться (поскольку уменьшается Q N - М). Следовательно, функция Bi f(M). будет иметь экстремум (минимум), как показано на фиг.8. Этот минимум достигается при вполне определенном значении М M0pt и в зависимости от конкретных значенийД и PI может приобретать значение Bimin В0тк. Таким образом появляется возможность обменять уменьшение вероятности отказа В в режиме ЗВН на эквивавалентное увеличение абонентской емкости системы так, чтобы Bi Вотк, т.е. чтобы качество обслуживания в предлагаемом способе было

(2)

.г А

(3)

где А - кол-во пар абонентов в системе, обслуживаемых в режиме БЗН с вероятно- сть:ю ртказа вызбвбвВ;

А А - новое число пар абонентов, которое может обслужить та же самая сис- тема изд зон благодаря применению способа ЗВН с вероятностью отка за не хуже Вотк. Тогда может быть, поставлена следующая задача о П ймйзации

тах{(5 f(M)}.: : ;...

Найти

1 м N-i;;

при АВ| Вотк- Bi О и АВь

:: №

0

5

0

5

0

5

. Задача решалась по формуле (2) варьи- . рованием параметра.М методом золотогоо сечения при различных вероятностях Р. Были приведены расчеты при S 5, N 15, А - 110, Y 0.09.V 0,2 и Вотк 0,03 в виде графиков зависимости от вероятности замыкания внутренней нагрузки Pi Р при различных М, позволяющих по заданной вероятности Р выбрать такое оптимальное значение числа каналов. М,. выделяемых на вну тренее замыкание, при котором обеспечивается максимальное значение 5. Так, например, при Р 0,55 значение (5ГЛах 0,46 достигается при М Mopt 5, 4to позволяет увеличить число абонентов в системе на 46%.

Ряд других результатов приведен в таблице.

Формула изобретения Способ радиосвязи в цифровых сотовых системах с замыканием внутренней нагрузки на базовых станциях,.заключающийся в том, что всю территорию обслуживания разделяют на зоны, в одной из зон располагают центральную станцию, которая в синхронном режиме на одной частоте всенаправ- ленно излучает поток информации формата многостанционного доступа с временным разделением каналов (МД В Р), при этом центральную станцию соединяют с автоматической телефонной станцией местной сети, в центре каждой из остальных зон устанавли- , вают базовые станции, которые регенерируют, и всеналравленно излучают поток информации на соответствующей частоте, осуществляют радиосвязь с абонентскими станциями, расположенными в зоне обслуживания, и соседними базовыми станция- .ми, при этом управляющую информацию передают от центральной станции к базр- вым станциям и абонентским станциям в прямом канале управления, а от абонентской станции и базовых станций -к центральной станции в обратном канале управления, причем при установлении исхо- дящёго вызова с абонентской станции перё; дают в обратном канале необходимые данные об абоненте Ai и абоненте Ag, после обработки полученной информации и завёр- шения обмена служебной информацией с абонентскими, станциями, к которым подключены абоненты. AI и Аа, с центральной станции в прямом канале управления передают на абонентские станции данные о номера временных каналов, предоставля- ёмых этим абонентам, приняв эти номера, абоненты занимают предоставленные канаS ;6, А Т20, V 0;09, N 15

лы, одновременно с этим с центральной станции выдают сигналы управления для коммутации линий связи на автоматической телефонной станции, за которыми закреплены временные каналы, выделенные для передачи, от л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью увеличения абонентской емкости системы за счет обеспечения эффективного использования временных каналов, временные каналы ВКч-ВКп в кадре МДВР разделяют на две группы, в первой группе каналов ВKi-BKk производят внутризоновые соединения, во второй группе каналов BKk-t-i-BKn устанавливают соединения между абонентами различных зон, при этом в программное обеспечение центральной станций вводят информацию о принадлежности абонентов к определенной базовой станций, на центральной станции анализируют номера вызывающего и вызываемого абонентов, Определяют их принадлежность к одной или разным базовым станциямй п редоставлйют канал из первой либо из второйтрупih каналов, кроме того, на центральной станции хранят информацию о занятости каналов из первой группы для каждой базовой станции.

канал управления

информационные каналы

Фиг, 2

Приема- передатчик

f

Группа каналоб для внутризонабых

замыканий

Кана/i управления

Фиг. 6

Группа каналов для межзоновых замыканий и внешней сВяза

Информационные каналы

Фцг.5