A bázisállomás alrendszer (BSS)

A bázisállomás alrendszer (BSS – Base Station Subsystem) feladata a rádiós kapcsolat biztosítása és szervezése az előfizető felé. Háromféle berendezésből épül fel:

• a bázisállomásból (BS vagy BTS – Base Transceiver Station),

• a bázisállomás vezérlőből (BSC – Base Station Controller) és

• a transzkóderből (TRAU – Transcoder and Rate Adaptor Unit).

A celluláris hálózatokban, így a GSM-ben is az egy szolgáltató által lefedett terület ún. cellákra van osztva. Egy cella megfelel egy adótorony vagy ismétlőadók esetén több kisebb adótorony által lefedett területnek. A cella méretét az adó adási erőssége határozza meg. A celluláris hálózatok alapgondolata az, hogy alacsony energiaszintű adók használatával lehetővé tegye a hatékony frekvencia-újrafelhasználást. Ugyanis abban az esetben, ha erős adókat használnának, akkor az adott frekvenciát csak több 100 kilométer távolságban lehetne újra felhasználni.

A celluláris mobil hálózathoz lefoglalt frekvenciasáv cellacsoportok között van elosztva. Ez az elosztás a szolgáltató által lefedett területen cellacsoportonként ismétlődik. Az elérhető rádiócsatornák teljes számban használhatóak minden egyes cellacsoportban, és ez alkotja a szolgáltató lefedett területét. Egy frekvencia, amelyet egy cella használ, pár cellával arrébb is használható, de két, ugyanazt a frekvenciát használó cella között megfelelő távolságnak kell lennie az interferencia elkerülése végett. A frekvencia-újrafelhasználás jelentősen megnöveli a hálózaton lévő felhasználók számában mért kapacitást.

A helyes működés érdekében a celluláris hálózatoknak a következő két fő feltételnek kell megfelelniük:

• egy cellában az adó teljesítménye korlátozott kell, hogy legyen, a szomszédos cellákkal lévő interferencia elkerülése végett. Az interferencia semmilyen kárt nem okoz a rendszerben, ha a két egyazon frekvenciát használó adó között legalább egy cellának az átmérőjével megegyező távolság van. Ezen kívül a vételi szűrők magas teljesítménye is nagyon fontos.

• a szomszédos cellák nem osztozhatnak ugyanazon a csatornán. Az interferencia csökkentése érdekében a frekvencia-újrafelhasználás csak bizonyos minta alapján tehető meg.

A cellákat clusterekbe csoportosítják. A clusterben résztvevő cellák számát úgy kell meghatározni, hogy azok elhelyezése a lefedett területen folyamatosan ismételhető legyen. Egy tipikus cluster 4, 7, 12 vagy 21 cellát tartalmaz. A clusterben lévő cellák száma igen fontos. Minél kevesebb cella van egy clusterben, annál több csatorna jut egy cellának, így az egyes cellák kapacitása nőni fog. Meg kell találni ugyanakkor az egyensúlyt, hiszen a clusterek túl kis mérete esetén a szomszédos cellák között interferencia jöhet létre. Az egy cellán belüli csatornák teljes száma az elérhető csatornák számától és a cluster méretétől függ.

A GSM cellastruktúrája és a frekvencia újrafelhasználása

A fentiek értelmében a bázisállomás (BTS) feladata, hogy a rádiófrekvenciás (RF) kapcsolatot megvalósítsa. Az egy BTS által egy frekvencián lefedett terület, azaz a cella a legkisebb területi egység, amit egy mobil meg tud különböztetni. A bázisállomások a GSM-R-ben is egyszerre több, jellemzően 2, 6, 12 frekvencián működnek, több RF cellát is kialakítva. A cellák alakját elsősorban az alkalmazott sugárzók típusa határozza meg. Vasútvonalak lefedésére szektorsugárzókat, nagy kiterjedésű állomások ellátására körsugárzókat alkalmaznak. A bázis állomások helyének meghatározása, a cellás struktúra kialakítása a mobil hálózat tervezésének sarkalatos pontja.

A bázisállomás alrendszer (Siemens)
(bázisállomás, bázisállomás vezérlő és transzkóder)

GSM-R antennatípusok
(nyílyvonali sugárzó, Mülheim állomás antennái, dupla szektorsugárzó, szolnoki körsugárzó)

Minden cella egy pontosan meghatározott földrajzi területet fed le. Jellemzően a cella közepén helyezkedik el a bázisállomás. A cellák kialakításánál bizonyos mértékű átfedéssel kell számolni, hogy „rádiós lyukak” lehetőleg ne keletkezhessenek. Ahol ez elkerülhetetlen, ott gondoskodni kell a felhasználók (pl. 2-es szinten közlekedő mozdony) megelőző tájékoztatásáról (lásd ETCS-nél a pályaviszonyokat, illetve az M_TRACKCOND változót és a 68-as csomagot). Ha ugyanis a bázisállomások egymástól túl nagy távolságra vannak, akkor lehetetlenné válik a hívások átadása egyik cellából a másikba, így a folyamatban lévő hívások megszakadnának. Márpedig a GSM-R-nek üzemszerűen 500 km/h-s sebességig biztonsági, megszakadás mentes kommunikációt kell tudni biztosítani. Ezt egyfelől azáltal érhetjük el, hogy a központ és a bázisállomás vezérlők gyorsabb „handover”-re képesek, azaz a cellák közötti hívásátadáshoz rövidebb idő elegendő, valamint másként történik a bázisállomások telepítése, nagyobbak a cellák, nagyobbak az átfedések a hagyományos GSM-hez képest.

Az eltérő felhasználói sűrűség egy hálózaton belül is eltérő cellaméreteket igényel. A cellaméret függvényében három fő típust különböztetünk meg: a makrocellát, a mikrocellát és a pikocellát. Elsődlegesen a makrocellák valósítják meg a terület lefedését. Antennái leggyakrabban saját tornyon, esetenként háztetőkön, egyéb létező szerkezeteken kerülnek elhelyezésre, mégpedig olyan magasságban, hogy se környező épület, se a terepviszonyok ne akadályozzák a sugárzását.

Makrocella antennák

A mikrocellák kisegítő szerepet játszanak a makrocellákon belül, ahol a nagyobb felhasználószám ezt indokolja (pl. főpályaudvarok). A mikrocella antennái az utca szintjén helyezkednek el, általában épületek falán, oszlopokon, stb. Méretük kisebb, ezért legtöbbször a környezetbe ágyazva, észrevehetetlenül szolgálják feladatukat. Sugárzási teljesítményük és hatósugaruk ugyancsak kisebb, mint a makrocellák antennáié.

Mikrocella antennák

A pikocella még irányzottabb lefedettséget valósít meg, mint a mikrocella. Általában épületek belsejében, rossz lefedettségű területeken látják el feladatukat, ahol nagy számú felhasználót kell kiszolgálni (pl. utascsarnokok).

Pikocella antenna

Egy mobil akkor tud igénybe venni egy adott cellát, ha előfizetője az adott PLMN-nek, vagy legalábbis az adott PLMN-nek barangolási szerződése van az előfizető PLMN-jével, továbbá a rádiós feltételek kielégítőek a cellában és a cella nincs tiltva az adott mobil számára. Kiemelendő e körből a segélyhívás, amely lehetőség szerint minden körülmény között létre kell, hogy jöjjön.

A bázisállomás vezérlők feladata a bázisállomások konfigurálása és vezérlése, a BSC kezeli továbbá a rádiócsatorna felépítését és a frekvencia-ugrásokat, valamint kapcsolatot biztosít a kapcsolástechnikai alrendszerrel. Az egy BSC-re kapcsolható bázisállomások száma sok mindentől függ, általában kb. 10 BTS kapcsolódik egy BSC-re. A bázisállomásokat különböző topológiák alapján lehet a BSC-khez kapcsolni. A legjellemzőbbek a csillag, a gyűrű és a lánc topológiák. Vasúti alkalmazásnál fontos, hogy valamely bázisállomás vezérlő meghibásodása esetén a lehető legkisebb terület váljon ellátatlanná. Ezért a szomszédos BTS-eket célszerű más BSC-re kapcsolni. Megfelelő cella-átfedésekkel elérhető, hogy ne keletkezzen ellátatlan terület BSC vagy BTS meghibásodásakor. Az átviteltechnika működőképességének minél biztosabb fenntartása érdekében a gyűrű topológiát érdemes választani.

A TRAU egy transzkóderből és egy sebesség illesztő egységből áll. A transzkóder feladata a GSM beszédkódolás konverziója a szokásos PCM hanggá. Általában az MSC-hez közel helyezik el, mert így a szükséges átviteltechnikai kapacitásigény kisebb, illetve azért, mert a transzkódert maga az MSC vezérli. A sebesség illesztő működése akkor válik fontossá, amikor adathívás van folyamatban. Ekkor a transzkóder nem konvertál, ellenben a rate adaptor unit működésbe lép. Működése azért fontos, mert az MSC és a BSC között átviteli sebességkülönbség van, így a 16 kbit/s-os GSM csatornákat a kapcsolóközpont számára 64 kbit/s-osra kell alakítani.

A BSS alrendszer kialakításakor nagy hangsúly kell helyeződjön az EIRENE hálózattal szemben támasztott követelmények teljesítésére. A vonatkozó specifikációs ajánlás szerint a hálózati lefedettség egy adott lefedettségi területen az idő több mint 95%-ában legalább 95%-os kell legyen egy járműbe telepített, külső antennával rendelkező rádióegység esetén. A kiszolgálási sebesség a maximális vonalra engedélyezett sebességgel kell legalább egyenlő legyen, vagy maximum 500 km/h. A hálózatok közötti mozgás során mindössze a hívások 0.5%-a veszhet el. Az egyes hívástípusokra vonatkozó hívásfelépülési idők a következőképpen alakulnak:

Hívásfelépülési időre vonatkozó követelmények

A hívások 95%-ában a fenti határokon belül kell teljesítenie a hálózatnak, és az esetek 99%-ában sem haladhatják meg a tényleges hívásfelépülési idők a másfélszeres időtartamot.

A lefedettséggel kapcsolatos követelmények pontos értékeit a vonat tetején elhelyezett 0 dBi nyereségű körsugárzó antennához képest adják meg, számszerűleg ez a vágánytól mért négy méteres magasságot jelenti. Az elvárt értékeket meghatározott valószínűség mellett kell szolgáltatnia a hálózatnak a meghatározott lefedett területen. A minimum követelmények a következők:

• hang és nem biztonságkritikus adatok számára: 95 %-os valószínűséggel 38.5 dBµV/m (-98 dBm),

• 220 km/h és azalatti vonali sebességű ETCS 2/3-as szintre kiépített vonalakon: 95 %-os valószínűséggel 41.5 dBµV/m (-95 dBm),

továbbá ajánlásként:

• 220 km/h feletti és 280 km/h vagy azalatti vonali sebességű ETCS 2/3-as szintre kiépített vonalakon: 95 %-os valószínűséggel 41.5 dBµV/m és 44.5 dBµV/m (-95 dBm és -92 dBm),

• 280 km/h feletti vonali sebességű ETCS 2/3-as szintre kiépített vonalakon: 44.5 dBµV/m (-92 dBm).

A fenti lefedettségi valószínűség azt jelenti, hogy legalább 95% valószínűséggel minden 100 méteres intervallumban a mért lefedettségi szint legalább a fent megállapított értékkel egyezik meg, vagy nagyobb annál, miközben a az antenna és a vevő közötti veszteség maximum 3 dB, s további 3 dB egyéb veszteség feltételezhető (pl. avulás, öregedés miatt).

Ugyancsak konkrét követelmények fogalmazódnak meg a handover-rel kapcsolatosan. A handover egy folyamatban lévő hívás átkapcsolása másik csatornára vagy cellára. A GSM-ben négy különböző típusú handovert különböztetünk meg:

• csatornák (időrések) közötti, egy cellán belüli (Intra-BTS),

• cellák (BTS-ek) között ugyanazon BSC vezérlése alatt végbemenő (Inter-BTS, Intra-BSC),

• különböző BSC-k által vezérelt, de ugyanazon MSC alá tartozó cellák közötti (Inter-BSC) és

• különböző MSC-k szabályzása alatt lévő cellák közötti handovert (Inter-MSC).

A handover első két típusát belső handovernek hívjuk, amelyben csak egy BSC vesz részt. Ezeket a jelzési sávszélesség megőrzése érdekében a BSC az MSC bevonása nélkül vezérli, ám a handover befejeztekor a BSC értesítést küld az MSC-nek. A handoverek másik két típusa külső handover, ezek az MSC-k kezelése alá tartoznak. A GSM egyik fontos jellemzője, hogy az eredeti MSC, a ’horgony’ MSC marad felelős a legtöbb hívásfüggő funkcióért, kivéve az ezt követő BSC-n belüli handovert, amelyért már az új, relay MSC felel.

A handovert az MS és az MSC is kezdeményezheti. Ilyenkor az idle időrések alatt az MS a szomszédos cellákról bejövő jelek erőssége alapján egy listát készít a legjobb cellákról. Ezt az információt eljuttatja a BSC-nek és az MSC-nek, így ezt követően ezt az információt a handover algoritmus fogja használni. Jóllehet a handover alkalmazási idejére vonatkozó algoritmus nincs a GSM ajánlásban specifikálva, két alapvető algoritmus használatos, mindkettő szorosan az energiaszabályozáshoz kötött. Ez azért van, mert a BSC általában nem tudja, hogy a gyenge jelminőség a többutas elhalkulásnak (fading) tudható be, vagy az MS ment át egy másik cellába. Ez különösképpen igaz kis cellákra. Az ún. "minimum acceptable performance" algoritmus elsőbbséget ad az energia-szabályozásnak a handoverekkel szemben, így amikor a jel bizonyos érték alá esik, a mobil energiaszintje megemelkedik. Ha további energianövelés nem javítja számottevően a jelet, akkor megtörténik a handover. Ez a legegyszerűbb és legáltalánosabb eljárás, viszont elmaszatolja a cellahatárokat, amikor egy mobil energiacsúcson lévő adása átlép az eredeti cella határán egy másik cellába. A "power budget" eljárás a handovert használja arra, hogy megpróbálja fenntartani vagy növelni a jelminőséget ugyanazon vagy alacsonyabb energiaszinten, azaz a handovert részesíti előnyben az energia-szabályozással szemben. Így elkerülhető az elmaszatolt cellahatárok problémája és csökkenthető a közös csatornák interferenciája, azonban e mechanizmus megvalósítása az előbbinél bonyolultabb. (Poós)

A specifikációk szerint a cellahatáron történő hívásátadással (handover) kapcsolatosan a sikeres hívásátadási arány meg kell haladja a 99.5%-ot, normál vonatutat feltételezve. Ahogy már említettük, a nagy cellaátfedések helyett a hangsúlyt az átadási eljárás optimalizálására kell helyezni. A specifikációs ajánlás a minőségi szolgáltatás (QoS) kapcsán a 300 ms-os értékénél húzza meg a kritikus határt, ennél nagyobb, a hívásátadási eljáráshoz kapcsolódó szolgáltatási szünetet nem tart elfogadhatónak. A BTS-ek szinkronizálásával ez az érték a 150 ms alá csökkenthető, amelynek szükségességéről minden nemzeti szolgáltató maga dönthet.

Kapcsolódó anyag:

    Rádióhullámok és antennák...

Lap teteje