Войти
Вершина сотовой радиовышки 
Внутренняя сотовая сеть в Германии A сотовая сеть или мобильная network - это сеть связи, в которой последним звеном является беспроводной. Сеть распределена по наземным территориям, называемым «соты », каждая из которых обслуживается по крайней мере одним фиксированным приемопередатчиком, но, как правило, тремя сотами или базовые приемопередающие станции. Эти базовые станции обеспечивают сотовую зону покрытия сети, которая может использоваться для передачи голоса, данных и других типов контента. Сота обычно использует другой набор частот от соседних сот, чтобы избежать помех и обеспечить гарантированное качество обслуживания в каждой соте.
При объединении эти соты обеспечивают радиопокрытие в широкой географической области. Это позволяет использовать множество портативных трансиверов (например, мобильные телефоны, планшеты и ноутбуки, оборудованные мобильными широкополосными модемами, пейджерами и т. д.) для связи друг с другом и со стационарными приемопередатчиками и телефонами в любом месте сети через базовые станции, даже если некоторые из приемопередатчиков во время передачи перемещаются через несколько сот.
Сотовые сети предлагают ряд желаемых характеристик:
Основные поставщики телекоммуникационных услуг развернули сотовые сети для передачи голоса и данных на большей части обитаемой территории Земли. Это позволяет подключать мобильные телефоны и мобильные вычислительные устройства к коммутируемой телефонной сети общего пользования и общедоступному Интернету. Частные сотовые сети могут использоваться для исследований или для крупных организаций и парков, например, для отправки местным агентствам общественной безопасности или компании такси.
Пример коэффициента повторного использования частоты 1/4 В системе сотовой радиосвязи наземная зона, на которую будет распространяться радиослужба, разделена на ячейки в зависимости от местности и характеристик приема. Эти образцы ячеек примерно имеют форму правильных форм, таких как шестиугольники, квадраты или круги, хотя шестиугольные ячейки являются обычными. Каждой из этих ячеек назначается несколько частот (f 1 - f 6), которым соответствуют базовые радиостанции. Группа частот может быть повторно использована в других сотах при условии, что те же частоты не используются повторно в соседних сотах, что может вызвать межканальные помехи.
Увеличенная пропускная способность в сотовой сети, по сравнению с сетью с одним передатчиком, исходит из системы коммутации мобильной связи, разработанной Амосом Джоэлем из Bell Labs, которая позволяла нескольким абонентам в заданном районе использовать одну и ту же частоту, переключая вызовы на ближайшую доступную сотовую вышка, имеющая эту частоту. Эта стратегия жизнеспособна, потому что данная радиочастота может быть повторно использована в другой области для несвязанной передачи. Напротив, один передатчик может обрабатывать только одну передачу для данной частоты. Неизбежно существует некоторый уровень помех от сигнала из других сот, которые используют ту же частоту. Следовательно, должен быть по меньшей мере один промежуток между ячейками, которые повторно используют одну и ту же частоту в стандартной системе множественного доступа с частотным разделением (FDMA).
Рассмотрим случай с компанией такси, где каждая радиостанция имеет ручку переключателя каналов с ручным управлением для настройки на разные частоты. По мере того как водители перемещаются, они переходят от канала к каналу. Драйверы знают, какая частота примерно покрывает какую-то область. Когда они не получают сигнал от передатчика, они пробуют другие каналы, пока не найдут тот, который работает. Таксисты говорят по одному только по приглашению оператора базовой станции. Это форма множественного доступа с временным разделением (TDMA).
Первая коммерческая сотовая сеть поколения 1G была запущена в Японии компанией Nippon Telegraph and Telephone (NTT) в 1979 году. первоначально в столичном районе Токио. За пять лет сеть NTT была расширена, чтобы охватить все население Японии, и стала первой общенациональной сетью 1G. Это была аналоговая беспроводная сеть. Bell System разрабатывала сотовую технологию с 1947 года, и до 1979 года использовались сотовые сети в Чикаго и Далласе, но коммерческое обслуживание было отложено из-за распада Bell System с сотовые активы переданы региональным операционным компаниям Bell.
революция беспроводной связи началась в начале 1990-х годов, что привело к переходу от аналоговых к цифровым сетям. Это стало возможным благодаря достижениям в технологии MOSFET. MOSFET, первоначально изобретенный Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году, был адаптирован для сотовых сетей к началу 1990-х гг. внедрение устройств power MOSFET, LDMOS (RF-усилитель ) и RF CMOS (RF-схема ), что привело к развитие и распространение цифровых беспроводных мобильных сетей.
Первая коммерческая цифровая сотовая сеть поколения 2G была запущена в 1991 году. Это вызвало конкуренцию в этом секторе, поскольку новые операторы бросили вызов традиционные операторы аналоговой сети 1G.
Чтобы различать сигналы от нескольких разных передатчиков, множественный доступ с частотным разделением (FDMA, используется аналоговым и D-AMPS систем), множественный доступ с временным разделением (TDMA, используемый GSM) и множественный доступ с кодовым разделением (CDMA, впервые использованный для PCS, и основа из 3G ).
При использовании FDMA частоты передачи и приема, используемые разными пользователями в каждой соте, отличаются друг от друга. Каждому сотовому вызову была назначена пара частот (одна для базовой станции, другая для мобильной связи) для обеспечения работы полнодуплексного. Исходные системы AMPS имели 666 пар каналов, по 333 каждой для системы CLEC «A» и системы ILEC «B». Количество каналов было расширено до 416 пар на несущую, но в конечном итоге количество радиочастотных каналов ограничивает количество вызовов, которые может обрабатывать сотовый узел. Обратите внимание, что технология FDMA знакома телефонным компаниям, которые использовали мультиплексирование с частотным разделением для добавления каналов к своим проводным линиям связи точка-точка до того, как мультиплексирование с разделением по времени сделало FDM устаревшим.
В TDMA временные интервалы передачи и приема, используемые разными пользователями в каждой соте, отличаются друг от друга. TDMA обычно использует цифровую сигнализацию для хранения и пересылки пакетов голосовых данных, которые укладываются во временные интервалы для передачи и расширяются на принимающей стороне для создания несколько нормально звучащего голоса на приемник. TDMA должна вводить задержку (временную задержку) в аудиосигнал. Пока время задержки достаточно мало, чтобы задержанный звук не воспринимался как эхо, это не проблема. Обратите внимание, что TDMA - знакомая технология для телефонных компаний, которые использовали мультиплексирование с временным разделением для добавления каналов к своим проводным линиям связи точка-точка до того, как коммутация пакетов сделала FDM устаревшим.
Принцип CDMA основан на технологии с расширенным спектром, разработанной для военного использования во время Второй мировой войны и улучшенной во время холодной войны до расширенный спектр прямой последовательности, который использовался для ранних сотовых систем CDMA и Wi-Fi. DSSS позволяет вести несколько одновременных телефонных разговоров по одному широкополосному радиочастотному каналу без необходимости их разделения по времени или частоте. Хотя CDMA более сложен, чем старые схемы множественного доступа (и незнаком для старых телефонных компаний, поскольку не был разработан Bell Labs ), он хорошо масштабируется, чтобы стать основой для систем сотовой радиосвязи 3G.
Другие доступные методы мультиплексирования, такие как MIMO, более сложная версия разнесения антенн, в сочетании с активным формированием диаграммы направленности обеспечивает гораздо большее возможность пространственного мультиплексирования по сравнению с исходными ячейками AMPS, которые обычно адресовали только от одного до трех уникальных пространств. Массовое развертывание MIMO позволяет многократно использовать гораздо больший объем каналов, тем самым увеличивая количество подписчиков на каждую ячейку, увеличивая пропускную способность данных на пользователя или некоторые их комбинации. Модемы с квадратурной амплитудной модуляцией (QAM) предлагают увеличивающееся количество битов на символ, что позволяет большему количеству пользователей на мегагерц полосы пропускания (и децибелам SNR), большей пропускной способности данных на пользователя или некоторой их комбинации.
Ключевой характеристикой сотовой сети является способность повторно использовать частоты для увеличения покрытия и пропускной способности. Как описано выше, соседние соты должны использовать разные частоты, однако нет проблем с двумя сотами, достаточно удаленными друг от друга, работающими на одной и той же частоте, при условии, что мачты и оборудование пользователей сотовой сети не передают слишком большую мощность.
Элементами, определяющими повторное использование частоты, являются расстояние повторного использования и коэффициент повторного использования. Расстояние повторного использования D рассчитывается как
,, где R - радиус ячейки, а N - количество ячеек в кластере. Ячейки могут иметь радиус от 1 до 30 километров (от 0,62 до 18,64 миль). Границы ячеек также могут перекрываться между соседними ячейками, а большие ячейки могут быть разделены на меньшие ячейки.
Коэффициент повторного использования частоты - это скорость, с которой одна и та же частота может использоваться в сети. Это 1 / K (или K согласно некоторым книгам), где K - количество ячеек, которые не могут использовать одни и те же частоты для передачи. Общие значения коэффициента повторного использования частоты: 1/3, 1/4, 1/7, 1/9 и 1/12 (или 3, 4, 7, 9 и 12 в зависимости от обозначения).
In В случае N секторных антенн на одном сайте базовой станции, каждая с разным направлением, сайт базовой станции может обслуживать N разных секторов. N обычно равно 3. Шаблон повторного использования N / K обозначает дополнительное разделение по частоте между N секторными антеннами на каждую площадку. Некоторые текущие и исторические шаблоны повторного использования: 3/7 (Североамериканский AMPS), 6/4 (Motorola NAMPS) и 3/4 (GSM).
Если общая доступная полоса пропускания равна B, каждая сота может использовать только количество частотных каналов, соответствующих полосе пропускания B / K, и каждый сектор может использовать полосу пропускания B / NK.
Множественный доступ с кодовым разделением каналов -системы используют более широкую полосу частот для достижения той же скорости передачи, что и FDMA, но это компенсируется возможностью использовать коэффициент повторного использования частоты, равный 1, например, используя шаблон повторного использования 1/1. Другими словами, соседние узлы базовых станций используют одни и те же частоты, а разные базовые станции и пользователи разделены кодами, а не частотами. Хотя N в этом примере показано как 1, это не означает, что сота CDMA имеет только один сектор, а скорее, что вся полоса пропускания соты также доступна каждому сектору индивидуально.
В последнее время также развертываются системы множественного доступа с ортогональным частотным разделением, такие как LTE с повторным использованием частоты 1. Поскольку такие системы не распространяют сигнал по полоса частот, межсотовое управление радиоресурсами важно для координации распределения ресурсов между разными сотовыми узлами и для ограничения межсотовых помех. Существуют различные средства координации межсотовых помех (ICIC), уже определенные в стандарте. Скоординированное планирование, многосайтовый MIMO или многосайтовое формирование диаграммы направленности - другие примеры межсотового управления радиоресурсами, которые могут быть стандартизированы в будущем.
Схема повторного использования частоты сотового телефона. См. США Патент 4,144,411 В вышках сотовой связи часто используется сигнал направления для улучшения приема в зонах с повышенным трафиком. В США Федеральная комиссия по связи (FCC) ограничивает всенаправленные сигналы вышек сотовой связи мощностью 100 Вт. Если вышка имеет направленные антенны, FCC позволяет оператору сотовой связи передавать до 500 Вт эффективной излучаемой мощности (ERP).
Хотя исходные вышки сотовой связи создавали ровный, всенаправленный сигнал, находились в центре ячеек и были всенаправленными, сотовую карту можно перерисовать с помощью вышек сотовых телефонов, расположенных по углам шестиугольников, где сходятся три ячейки. Каждая башня имеет три набора направленных антенн, направленных в трех разных направлениях с углом 120 градусов для каждой ячейки (всего 360 градусов) и принимающих / передающих в трех разных ячейках на разных частотах. Это обеспечивает минимум три канала и три башни для каждой ячейки и значительно увеличивает шансы получить полезный сигнал хотя бы с одного направления.
Цифры на рисунке - это номера каналов, которые повторяются каждые 3 ячейки. Большие соты могут быть разделены на более мелкие соты для зон с большим объемом трафика.
Компании сотовой связи также используют этот направленный сигнал для улучшения приема на шоссе и внутри зданий, таких как стадионы и арены.
Практически каждая сотовая система имеет какой-то механизм вещания. Это можно использовать напрямую для распространения информации на несколько мобильных телефонов. Обычно, например, в системах мобильной телефонии наиболее важным применением широковещательной информации является установка каналов для однозначной связи между мобильным приемопередатчиком и базовой станцией. Это называется пейджингом . Обычно используются три различных процедуры поискового вызова: последовательный, параллельный и выборочный.
Детали процесса пейджинга несколько различаются от сети к сети, но обычно мы знаем ограниченное количество ячеек, где расположен телефон (эта группа ячеек называется зоной местоположения в GSM Система или UMTS или область маршрутизации, если задействован сеанс пакета данных; в LTE ячейки сгруппированы в области отслеживания). Пейджинг осуществляется путем отправки широковещательного сообщения во все эти ячейки. Пейджинговые сообщения могут использоваться для передачи информации. Это происходит в пейджерах, в системах CDMA для отправки сообщений SMS и в системе UMTS, где это обеспечивает низкую задержку нисходящего канала в пакетные соединения.
В примитивной системе такси, когда такси отъезжало от первой вышки и приближалось ко второй вышке, водитель такси вручную переключался с одной частоты другому по мере необходимости. Если связь прерывалась из-за потери сигнала, водитель такси просил оператора базовой станции повторить сообщение на другой частоте.
В сотовой системе, когда распределенные мобильные приемопередатчики перемещаются от ячейки к ячейке во время непрерывной связи, переключение с частоты одной ячейки на другую частоту ячейки выполняется электронным способом без прерывания и без оператора базовой станции или вручную. переключение. Это называется передачей обслуживания или передачей обслуживания. Обычно новый канал автоматически выбирается для мобильного устройства на новой базовой станции, которая будет его обслуживать. Затем мобильная часть автоматически переключается с текущего канала на новый, и связь продолжается.
Точные детали перехода мобильной системы от одной базовой станции к другой значительно различаются от системы к системе (см. Пример ниже, чтобы узнать, как сеть мобильной связи управляет передачей обслуживания).
Архитектура сети WCDMA Наиболее распространенным примером сотовой сети является сеть мобильного телефона (сотового телефона). мобильный телефон - это портативный телефон, который принимает или совершает звонки через сотовый узел (базовую станцию) или передающую вышку. Радиоволны используются для передачи сигналов на сотовый телефон и обратно.
Современные сети мобильной связи используют ячейки, потому что радиочастоты - это ограниченный общий ресурс. Сотовые станции и телефоны изменяют частоту под управлением компьютера и используют маломощные передатчики, так что обычно ограниченное количество радиочастот может одновременно использоваться многими абонентами с меньшими помехами.
Сотовая сеть используется оператором мобильной связи для обеспечения покрытия и пропускной способности для своих абонентов. Большие географические области разделены на более мелкие соты, чтобы избежать потери сигнала прямой видимости и для поддержки большого количества активных телефонов в этой области. Все сотовые узлы подключены к телефонным станциям (или коммутаторам), которые, в свою очередь, подключаются к телефонной сети общего пользования.
. В городах каждый сотовый узел может иметь радиус действия примерно до ⁄ 2 мили (0,80 км), в то время как в сельской местности диапазон может достигать 5 миль (8,0 км). Возможно, что на чистой открытой местности пользователь может принимать сигналы от сотовой станции на расстоянии 25 миль (40 км).
Поскольку почти все мобильные телефоны используют сотовую технологию, включая GSM, CDMA и AMPS (аналоговый), термин «сотовый телефон» используется в некоторых регионах, особенно в США, как синоним «мобильного телефона». Однако спутниковые телефоны - это мобильные телефоны, которые не связываются напрямую с наземной вышкой сотовой связи, но могут делать это косвенно через спутник.
Существует ряд различных технологий цифровой сотовой связи, в том числе: Глобальная система мобильной связи (GSM), Общая служба пакетной радиосвязи (GPRS), cdmaOne, CDMA2000, Evolution-Data Optimized (EV-DO), Повышенная скорость передачи данных для развития GSM (EDGE), Universal Mobile Система связи (UMTS), Цифровая усовершенствованная беспроводная связь (DECT), Цифровая AMPS (IS-136 / TDMA) и Интегрированная цифровая расширенная сеть (IDEN). Переход от существующего аналогового стандарта к цифровому в Европе и США шел по совершенно иному пути. Как следствие, в США появилось множество цифровых стандартов, в то время как Европа и многие страны приблизились к стандарту GSM.
Простой вид сотовой сети мобильной радиосвязи состоит из следующего:
Эта сеть является основой системной сети GSM. Эта сеть выполняет множество функций, чтобы гарантировать клиентам получение желаемой услуги, включая управление мобильностью, регистрацию, установку вызова и передачу обслуживания.
Любой телефон подключается к сети через RBS (Базовая радиостанция ) в углу соответствующей соты, которая, в свою очередь, подключается к центру коммутации мобильной связи (MSC). MSC обеспечивает соединение с телефонной сетью общего пользования (PSTN). Ссылка от телефона к RBS называется восходящей линией, а другой путь - нисходящей линией.
Радиоканалы эффективно используют среду передачи за счет использования следующих схем мультиплексирования и доступа: множественный доступ с частотным разделением (FDMA), множественный доступ с временным разделением (TDMA), множественный доступ с кодовым разделением (CDMA) и множественный доступ с пространственным разделением (SDMA).
Маленькие соты, которые имеют меньшую зону покрытия, чем базовые станции, подразделяются на следующие категории:
Когда пользователь телефона перемещается из одной области соты в другую во время разговора, мобильная станция будет искать новый канал для подключения, чтобы не прервать вызов. Как только новый канал будет найден, сеть даст команду мобильному устройству переключиться на новый канал и одновременно переключить вызов на новый канал.
С CDMA несколько телефонов CDMA совместно используют определенный радиоканал. Сигналы разделяются с помощью кода псевдошума (PN-кода), который является специфическим для каждого телефона. Когда пользователь перемещается из одной ячейки в другую, телефон устанавливает радиоканалы одновременно с несколькими сотовыми сайтами (или секторами одного сайта). Это известно как «мягкая передача обслуживания», потому что, в отличие от традиционной сотовой технологии, нет определенной точки, в которой телефон переключается на новую ячейку.
В IS-95 переключателях между частотами и более старых аналоговых системах, таких как NMT, обычно будет невозможно тестировать целевой канал напрямую во время связи. В этом случае должны использоваться другие методы, такие как пилотные маяки в IS-95. Это означает, что при поиске нового канала связи почти всегда бывает кратковременный перерыв, за которым следует риск неожиданного возврата к старому каналу.
Если связь отсутствует или связь может быть прервана, мобильный объект может самопроизвольно перемещаться из одной соты в другую, а затем уведомить базовую станцию самым сильным сигналом.
Влияние частоты на покрытие соты означает, что разные частоты лучше подходят для разных целей. Низкие частоты, такие как 450 МГц NMT, очень хорошо подходят для сельской местности. GSM 900 (900 МГц) - подходящее решение для городского освещения. GSM 1800 (1,8 ГГц) начинает ограничиваться несущими стенами. UMTS на частоте 2,1 ГГц во многом аналогичен GSM 1800.
Более высокие частоты являются недостатком, когда дело касается покрытия, но неоспоримым преимуществом, когда речь идет о емкости. Пикоячейки, например один этаж здания, и такая же частота может использоваться для ячеек, которые практически являются соседями.
Зона обслуживания соты также может изменяться из-за помех от передающих систем как внутри, так и вокруг этой соты. Это особенно верно в отношении систем на основе CDMA. Для приемника требуется определенное отношение сигнал / шум, а передатчик не должен передавать со слишком высокой мощностью передачи, чтобы не создавать помех другим передатчикам. По мере удаления приемника от передатчика принимаемая мощность уменьшается, поэтому алгоритм управления мощностью передатчика увеличивает мощность, которую он передает, для восстановления уровня принимаемой мощности. Поскольку помеха (шум) превышает мощность, принимаемую передатчиком, и мощность передатчика больше не может быть увеличена, сигнал искажается и в конечном итоге становится непригодным для использования. В системах на основе CDMA влияние помех от других мобильных передатчиков в той же соте на зону покрытия очень заметно и имеет специальное название Cell дышит.
. Примеры покрытия соты можно увидеть, изучив некоторые из карты покрытия, предоставляемые реальными операторами на их веб-сайтах или путем просмотра независимых краудсорсинговых карт, таких как OpenSignal. В некоторых случаях они могут отмечать место нахождения передатчика, в других это можно вычислить, определив точку наибольшего покрытия.
A повторитель сотовой связи используется для расширения зоны покрытия соты на большие территории. Они варьируются от широкополосных повторителей для домашнего использования в домах и офисах до интеллектуальных или цифровых повторителей для промышленных нужд.
В следующей таблице показана зависимость зоны покрытия одной ячейки от частоты сети CDMA2000 :
| Частота (МГц) | Радиус ячейки (км) | Площадь ячейки (км) | Относительное количество ячеек |
|---|---|---|---|
| 450 | 48,9 | 7521 | 1 |
| 950 | 26,9 | 2269 | 3,3 |
| 1800 | 14,0 | 618 | 12,2 |
| 2100 | 12.0 | 449 | 16.2 |
Списки и техническая информация:
Начиная с EVDO, для повышения производительности также могут использоваться следующие методы:
.
Оборудование:
Другое:
| journal =()