Способ радиосвязи в цифровых сотовых системах с замыканием внутренней нагрузки на базовых станциях

 

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

СОЮЗ СОВЕ ТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)1 Н 04 В 7/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

4 4

О

1Ю

{21) 4919844/09 (22) 18.03,91 (46) 30.01.93. Бюл. М 4 (71) Центральный научно-исследовательский институт связи (72) В.Н.Трубин, В.П.Швецов, О,А.Трепыхалин и В.Н.Квартальнов (56) Системы QPMASS, Каталог фирмы NEC

N. E421687091007KM. (54) СПОСОБ РАДИОСВЯЗИ В ЦИФРОВЫХ

СОТОВЫХ СИСТЕМАХ С ЗАМЫКАНИЕМ

ВНУТРЕННЕЙ НАГРУЗКИ НА БАЗОВЫХ

СТАНЦИЯХ (57) Использование: для организации связи с удаленными и труднодоступными абонентами, Сущность изобретения; в силу принятого принципа обмена радиосигнала между центральной станцией, базовыми станцияСотовые 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 (ATC) существующей местной сети, осуществляет связь по радиоканалу с базовыми станциями и управляет работой всей системы; — базовые станции (БС), служащие для ретрансляции пакетов сообщений от,к) ЦС и соседних БС и взаимодействия по радио„„5Q„„1791962 А1 ми и абонентскими станциями в режиме без замыкания внутренней нагрузки speменные 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 параметров системы за счет организации связи с замыканием внутренней нагрузки на базовые станции. 1 табл. 8 ил. каналу 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, многостанционного доступа с временным разделением каналов (МДВР), метода пакетной передачи.

Структура кадра МДВР представлена на фиг.2. Он состоит из N временных кана1791962 лов, из которых нулевой временной канал (В Ко) является контрольным и предназначен для передачи управляющей информации, В остальных временных каналах (ВК1 — BKn) осуществляется передача данных и речевой информации, Основные принципы работы таких систем заключаются в следующем. Вся территория обслуживания разделяется на зоны, В одной из зон распэлагается ЦС, которая в синхронном режиме на частоте fl всенаправленно 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 AC. Приняв информационный пакет от ЦС или БС соседней зоны, данная БС регенерируется и всенаправленно излучает 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 БС осуществляется в соответствии с принципом территориально-частотного планирования.

Структурная схема БС прототипа представлена на фиг.3. Она включает в себя два комплекта радиооборудования, контроллер

ЧДВР, процессор управления и интерфейсное оборудование для подключения телефонных абонентов и пользователей данных непосредственно к БС по проводным линиям.

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 данных занимается любой свободный временной канал из группы BK> — ВКп.

Вследствие того, что БС работает в режиме ретранслятора и переизлучает всю информацию, 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.

Установление соединения в системе осуществляется под управлением ЦС. Управляющая информация передается от ЦС к БС и

АС в прямом канале управления (ПКУ), а о

АС и БС к ЦС в обратном канале управления (ОКУ). Для установления исходящего вызова

АС, к которой подключен абонент А1, пере5

55 дает в ОКУ требуемую информацию на ЦС.

Эта информация содержит необходимые данные об абоненте А1 и абоненте А2, с которым А> желает установить соединение, После обработки полученной информации и завершения обмена служебной информацией с абонентскими станциями, к которым подключены абоненты A) и А2, ЦС в ПКУ передает на абонентские станции данные о номерах временных каналов, представляемых этим абонентам для передачи речи или данных. Приняв эти номера, абоненты занимают предоставленные канальк При таком порядке для установления соединения между двумя абонентами системы требуются два дуплексных канала, которые на время сеанса между А1 и Аг считаются для остальных абонентов системы занятыми. Одновременно с этим ЦС выдает сигналы управления для коммутации линий связи на

АТС, за которыми на данный момент времени закреплены временные каналы, выделенные для разговора, На фиг.4а, 4б показано установление соединений между абонентами А1 и Az и абонентами Аэ и А4, которым соответственно предоставляются временные каналы ВК1, BKz, ВКэ, ВК4. Установление соединения осуществляется согласно изложенному порядку, независимо от того, находятся ли абоненты в одной и той же зоне или в разных.

Недостатком данного способа органиэации является следующее. Так как занятие каких-либо временных радиоканалов 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 использованию временных каналов и, как следствие, к ограничению емкости системы, Целью изобретения является увеличение емкости системы без увеличения количества каналов и сохранения без изменения остальных параметров системы за счет организации связи с замыканием внутренней нагрузки (ЗВН) на ВС.

Цель достигается тем, что в способе органиэации связи B цифровых cocTQBblx системах с замыканием внутренней нагрузки на базовых станциях, заключающемся в том, что всю территорию обслуживания разделяют на зоны, в одной иэ зон располагают центральную станцию, которая в синхронном режиме на одной частоте всенаправленно излучает поток информации формата

МДВР, при этом центральную станцию соединяют с автоматической станцией местьol сети, в центре каждой из остальных зон устанавливают базовые станции, которые ре1791962 генерируют 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 А1 и абоненте А2, после обработки полученной информации и завершения обмена служебной информацией с абонентскими станциями, к которым подключены абоненты А1 и Az, 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, одновременно с этим центральная станция выдает сигналы управления для коммутации линией связи на автоматической телефон-. ной станции, за которыми закреплены Временные каналы, выделенные для разговора, введены новые опеоации 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 внутризоновых соединений, т.е. осуществить внут10

20

30

50 определяет их принадлежность к одной или разным БС, Если абоненты принадлежат од55

45 реннее замыкание некоторой части общей нагрузки на базовых станциях. Такой ре-. жим, который назван режимом замыкания внутренней нагрузки (3 В Н), реализуется путем частичной децентрализации возложенных на ЦС функций и оснащения каждой БС дополнительной аппаратурой в объеме, достаточном для осуществления связи между абонентами своих зон. Заметим, что в этом случае организация связи между абонентами разных ячеек ничем не отличается от варианта без замыкания нагрузки. описанного в прототипе, В результате более рациональное использование радиоспектра, обеспечиваемое режимом ЗВН, позволяет получить выигрыш в количестве обслуживаемых абонентов (т,е. увеличении абонентской емкости системы) при неизменных других параметрах системы и качестве обслуживания, На фиг.5 представлены согласно предлагаемому способу две группы временных каналов в кадре МДВР.

На фиг.б представлена структурная схема БС при работе системы с ЗВН на БС, На фиг,7а, 76 представлена схема взаимодействия ЦСБ согласно предлагаемому способу, Для реализации данного способа работы временные каналы в кадре МДВР условно разделяются на две группы (фиг,5).

Первая группа каналов (BK>-ВКп) служит для обеспечения внутризоновых соединений, а вторая группа (BKk+1 — ВКл) предназначается для установления соединения между абонентами различных зон и внешней связи. Таким образом, принцип работы системы и порядок установления соединений при использовании каналов второй группы идентичен принципу работы и порядку взаимодействия, описанному для прототипа, Предоставление каналов из той или другой группы осуществляется ЦС на основе обработки данных, получаемых в канале управления. Для этого в программное обеспечение ЦС вводится дополнительная информация о принадлежности абонентов к определенной БС. Анализируя номера вызывающего и вызываемого абонентов, ЦС ной базовой станции, то им представляется канал из первой группы каналов, в противном случае — иэ второй группы. Кроме того, ЦС хранит информацию о занятости каналов из первой группы для каждой БС, На БС требуется произвести следующую доработку оборудования. В состав БС (фиг.6) вводится блок временной коммутации (БВК). который управляется процессо1791962 ром 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 группь.. 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.б, 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, 7б показаны две базовые станции (БС) и расположенные в их зонах обслуживания абонентские станций (АС).

Абоненты А>, А2, Аз, А4 подключены к соответствующим АС проводными линиями, Рассмотрим процесс установления соединения между двумя абонентами системы, находящимися в зоне обслу>кивания одной

БС. Для установления исходящего вызова

АС, которой принадлежит данный абонент, занимает ОКУ и передает в нем необходимую для установления исходящего вызова информацию. Данная инфопмация по радиоканалу передается на БС данной ячейки и далее ретранслируется íà LJ,C, После получения информации, ЦС анализирует, принадлежат ли абоненты к одной базовой станции или нет. Если абоненты не находятся в зоне обслу>кивания 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 второи группы (8K@+a — ВК„). Для абонентов, находящихся в зоне обслу>кивания одной БС, ЦС и OKY передает данные о номерах временных каналов, выделенных для установления соединения между этими абонентами, Причем для связи внутри ячейки выбираются свободные каналы из первой группы (ВК вЂ” . BKI<). В ПКУ от ЦС также передается информация к проиессору 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 А предоставлен канал BKI, а абоненту Az канал — ВК, где

i, ) — номера каналов из группы каналов для внутризонового замыкания, Соседняя базовая станция принимает пакет от первой БС, начиная с (1<+1)-ro временного канала, а времененые каналы ВК вЂ” ВКк используются для внутреннего замыкания, причем каналы

10

ВКь ВК1, 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 (k+1)-ro временно15 го канала, а временной интервал BK1 — BKk используется для приема информации от абонентов при внутризоновом соединении между ними, Исходя из изложенных принципов работы, в данной системе имеется возможность одновременного использования всех каналов первой группы so всех зонах для

25 внутризоновых замыканий.

Для количественного обоснования преимуществ предлагаемого способ ЗВН над

БЗН, применяемым в протоколе, с точки зрения увеличения абонентской емкости си30 стемы при заданном качестве обслуживания (вероятности отказов вызовов Во ) сравниваемые способы были проанализированы с позиции теории массового обслу>кивания, При допущении о простейшем потоке вызовов и экспоненциальном распределении длительности телефонного разговора обслу>кивание абонентов по способу БЗН да MIMlN с конечным числом источников, для которой вероятность отказа вызовов любому абоненту находится по формуле Энгеста, краткая запись которой имеет вид, Вотк = (й, A, Y), где Во к 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 также составлена модель ввиде СМ0, в которой из имеющихся N пар временных радиоканалов M пар (1 MI -- N — 1) выделяется для обслу>кивания только внутренних нагузок, а оставшиеся Q = М-M nap -- только для обслуживания внешних вызoвoв. R резуль50

55 может быть представлена как простейшая

40 система массового обслуживания (СМО) ви1791962

10 тате была получена следующая формула для расчета вероятности отказа вызовов от абонентов, расположенных в 1-й зоне, Bl = Рi E{M1(PI .Pl А Y))+

+ (1 — Pi) E{Q(A „),Я (1 — Pt))Y}, (2) I=1 где i = 1,S — ткущий номер зоны, S — общее число зон, Pi — вероятность того, что абонент i-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 i-ой зоны.

Ai

P = — — коэффициент, учитывающий

А неравномерность плотности размещения абонентов в разных зонах, которая характерна для сельской местности, Ai — число пар абонентов, расположенных в i-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 P = 0 и

М = 0 (а следовательно, при Q = M) с учетом

S того, что ) II = 1. =т

Обозначим первое и второе слагаемое в первой части соотношения (2) соответственно через Bi и В .". При фиксированных значениях j3I и Pl для М = 0 имеет В = В tmln= Pl.

В " = В" tmtn = (1 — Р ), Е {И, А, Y) < Вотк, т.к, S

А" = А g pt (1 — Р ) < А. При другом граничl =1

НОМ ЭНаЧЕНИИ M = N Btmt> = Pl Я {й, А, Y) <

< Вотк. тк. А = Pi Pl А< А, В"I = B imln 1 — Pt.

Из (2) видно, что при неизмененных других параметрах с увеличением M слагаемое В будет уменьшаться, а Bi" — увеличиваться (поскольку уменьшается Q = N — M). Следовательно, функция Bi = 1(М). будет иметь экстремум (минимум), как показано на фиг,8, Этот минимум достигается при вполне определенном значении M = Морт и в зависимости от конкретных эначений ф и

Pi может приобретать значение Btmtn < Вотк.

Таким образом появляется возможность

"обменять" уменьшение вероятности отказа В в режиме ЗВН на эквивавалентное увеличение абонентской емкости системы так, чтобы Bi < В<тк, т.е, чтобы качество обслуживания в предлагаемом способе было не хуже, чем в режиме БЗН, применяемом в системе-прототипе. Для количественной оуценки такого выигрыша в абонентской емкости при заданных N, Y, pt u S был введен относительный коэффициент

А — А

10 где А — кол-во пар абонентов в системе, обслуживаемых в режиме БЗН с вероятностью отказа вызовов В;

А < А — новое число пар абонентов, которое может обслужить та же самая система из д зон благодаря применению способа ЗВН с вероятностью отказа не хуже Вот,.

Тогда может быть поставлена следующая задача оптимизации

max{ д= f(M)j.

Найти

1 <М

25 при Л Bl = Вотк — Bl > 0 и ЛВ = min ЛВь i =1,S (4) Формула изобретения

Способ радиосвязи в цифровых сотовых системах с замыканием внутренней нагрузки на базовых станциях,.заключающийся в

50. том, что всю территорию обслуживания разделяют на зоны, в одной из зон располагают центральную станцию, которая в синхронном режиме на одной частоте всенаправленно излучает поток информации формата

55 многостанционного доступа с временным разделением каналов(МДВР), при этом центральную станцию соединяют с автоматичеЗадача решалась по формуле (2) варьи, рованием параметра М методом "золотогоо сечения" при различных вероятностях Р, Были приведены расчеты при S = 5, N = i5, А=110, Y=0,09;P=0,2 и B«K=О,ОЗ в виде графиков зависимости от вероятности замыкания внутренней нагрузки Р; ;= P при различных М, позволяющих по заданной вероятности Р выбрать такое оптимальное значение числа каналов

40 М вьде яе х а утре ее за ь а ние, при котором обеспечивается максимальное значение д. Так, например, при

P = 0,55 значение д)лак = 0,46 достигается при M = Mopy = 5, что позволяет увеличить

45 число абонентов в системе на 467.

Ряд других результатов приведен в таблице.

1791962

S = 6, А=120, Y =009, N =15 ской телефонной станцией местной сети, в центре каждой из остальных зон устанавливают базовые станции, которые регенерируют, и всенаправленно излучают поток информации на соответствующей частоте, осуществляют радиосвязь с абонентскими станциями, расположенными в зоне обслуживания, и соседними базовыми станциями, при этом управляющую информацию передают 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 с абонентской станции передают в обратном канале необходимые данные об абоненте А1 и абоненте А, после обработки полученной информации изавершения обмена служебной информацией с абонентскими станциями, к которым подключены абоненты А и Аг, с центральной станции в прямом канале управления передают на абонентские станции данные о номерах временных каналов, предоставляемых этим абонентам, приняв эти номера, абоненты занимают предоставленные каналы, одновременно с этим с центральной станции выдают сигналы управления для коммутации линий связи на автоматической телефонной станции, за которыми закреп5 лены временные каналы, выделенные для передачи, отличающийся тем, что, с целью увеличения абонентской емкости системы за счет обеспечения эффективного использования временных каналов, вре10 менные каналы ВК1-ВКп в кадре МДВР разделяют на две группы, в первой группе каналов ВК вЂ” ВКк производят внутризоновые соединения, во второй группе каналов

ВКК+1-ВКп уСтанавливают соединения меж15 ду абонентами различных зон, при этом в программное обеспечение центральной . станции вводят информацию о принадлежности абонентов к определенной базовой станции, на центральной станции анализи20 руют номера вызывающего и вызываемого . абонентов, определяют их принадлежность к одной или разным базовым станциям и предоставляют канал из первой либо из второй групп каналов, кроме того, на

25 центральной станции хранят информацию о занятости каналов из первой группы для каждой базовой станции, 1791962

ВКп канал

xnan>aaленкя вк вк инаогиапнонние каналь-, 1791962

1791962

1791962

Иа

I jynna waeanaE

dms 3нрпрвзпнп5юи замыкании

ИнФврмационте кпнапы

Ipgnnu кпнсйаа ku межгпнп5ых ыткании и 3нешнеи сЬЗм

1791962

1791962

1791962

Б

3 век

ФиР. 8.

Составитель И. Шкрадюк

Редактор 3. Ходакова Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор В, Петраш

Заказ 159 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва; Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101