Ұялы байланыс желілері

Кіріспе

Байланыс желісі

Ұялы байланыс желісі немесе мобильді желі – бұл телекоммуникациялық желі, онда абоненттік құрылғылармен байланыс сымсыз жүзеге асырылады және желі «ұяшықтар» деп аталатын аумақтарға бөлінген, олардың әрқайсысын кем дегенде бір тұрақты орналасқан трансивер (әдетте үш ұяшық орны немесе базалық станция) қамтиды. Бұл базалық станциялар ұяшықтың желілік жабылуын қамтамасыз етеді, оны дауыс, деректер және басқа да мазмұн түрлерін беру үшін пайдалануға болады. Ұяшықтар әдетте, кедергілерді болдырмау және әрбір ұяшықта қызмет сапасын қамтамасыз ету үшін көрші ұяшықтардан өзге жиіліктер жиынтығын қолданады. Бұл ұяшықтар біріктірілгенде, кең географиялық аумақты радиожабылумен қамтиды. Бұл көптеген портативті трансиверлерге (мысалы, ұялы телефондар, планшеттер және мобильді кеңжолақты модемдермен жабдықталған ноутбуктер, пейджерлер және т.б.) бір-бірімен және желідегі кез келген жердегі тұрақты трансиверлермен және телефондармен базалық станциялар арқылы байланысуға мүмкіндік береді, тіпті кейбір трансиверлер беріліс кезінде бірнеше ұяшықтан өтіп бара жатса да. Ұялы байланыс желілері бірқатар артықшылықтар ұсынады: ірі ұйымдар мен автопарктер үшін, мысалы, жергілікті қоғамдық қауіпсіздік органдарының немесе такси компаниясының диспетчерлік қызметтері үшін, сондай-ақ кәсіпорындар мен өнеркәсіптік орталарда, мысалы, фабрикалар, қоймалар, шахталар, электр станциялары, подстанциялар, мұнай және газ объектілері мен порттарда жергілікті сымсыз байланыс үшін.

Тұжырымдама

Ұялы радио жүйесінде радио қызметімен қамтамасыз етілетін жер аумағы, жер бедері мен қабылдау ерекшеліктеріне байланысты, жасушаларға бөлінеді. Бұл жасушалардың пішіндері көбінесе алтыбұрыш, шаршы немесе шеңбер тәрізді тұрақты болып келеді, алайда алтыбұрышты жасушалар қалыпты саналады. Әрбір жасушаға бірнеше жиілік (f1 – f6) тағайындалады, оларға сәйкес радио базалық станциялар орналасқан. Жиіліктер тобы басқа жасушаларда қайта қолданылуы мүмкін, егер бірдей жиіліктер жанындағы жасушаларда қолданылмаса, себебі бұл бір арналы кедергіге әкелуі мүмкін. Ұялы желідегі қуаттылықтың артуы, жалғыз бергішпен салыстырғанда, Bell Labs ұйымының Амос Джоэл атты ғалымы жасаған ұялы байланыс коммутациялық жүйесінің арқасында мүмкін болды. Бұл жүйе, белгілі бір аймақтағы бірнеше абонентке сол жиілікті пайдалануға мүмкіндік береді, қосылыстарды сол жиілік қолданылатын ең жақын ұялы мұнараға ауыстыру арқылы. Бұл стратегия тиімді, өйткені берілген радиожиілігі басқа аймақта байланыссыз хабар тарату үшін қайта қолданылуы мүмкін. Керісінше, жалғыз бергіш берілген жиілік бойынша тек бір хабарды тарата алады. Әрине, басқа жасушалардан келетін сигналдардың арасында белгілі бір деңгейде кедергі болады, олар бірдей жиілікті пайдаланады. Сондықтан, стандартты жиілік бөлудің көптеуір қол жеткізілуі (FDMA) жүйесінде бірдей жиілікті қайта пайдаланатын жасушалар арасында кем дегенде бір жасушалық аралық болуы керек. Мысалы, әрбір радиода әртүрлі жиіліктерге көшуге арналған қолмен басқарылатын арна таңдаушысы бар. Жүргізушілер орын ауысқанда арнадан арнаға ауысады. Жүргізушілер белгілі бір аймақты қамтитын жиілікті біледі. Егер олар бергіштен сигнал алмаса, жұмыс істейтінін тапқанша басқа арналарды іздейді. Такси жүргізушілері базалық станция операторы шақырғанда ғана бір кезді сөйлейді. Бұл уақыт бөлісімен көптеуір қол жеткізілудің (TDMA) бір түрі.

Тарих

Ұялы телефон технологиясының тарихы 1947 жылдың 11 желтоқсанында Белл Лабораториясының инженері Дуглас Х. Ринг жазған ішкі хатпен басталды, онда ол AT&T компаниясы үшін ұялы телефон жүйесін әзірлеуді ұсынды. Бірінші коммерциялық ұялы байланыс желісі, 1G ұрпағы, 1979 жылы Жапонияда Nippon Telegraph and Telephone (NTT) компаниясымен, бастапқыда Токио қалалық аймағында іске қосылды. Бес жыл ішінде NTT желісі Жапонияның барлық халқына дейін кеңейтіліп, тұңғыш жалпыұлттық 1G желісіне айналды. Бұл аналогты сымсыз желі болды. Bell System 1947 жылдан бері ұялы байланыс технологиясын дамытып келді және 1979 жылға дейін Чикаго мен Далласта ұялы байланыс желілері жұмыс істеді, бірақ Bell System-нің таратылуынан коммерциялық қызмет кешіктірілді, ұялы байланыс активтері өңірлік Bell Operating Companies компанияларына берілді. Сымсыз революция 1990-шы жылдардың басында басталды, бұл аналогтық желілерден цифрлық желілерге өтуге әкелді. Бұл MOSFET технологиясындағы жетістіктердің арқасында мүмкін болды. 1959 жылы Bell Labs-те Мохамед М. Аталла мен Давон Канг тапқан MOSFET 1990-шы жылдардың басында ұялы байланыс желілеріне бейімделді, қуатты MOSFET, LDMOS (радиожиілікті күшейткіш) және RF CMOS (радиожиілікті тізбек) құрылғыларының кеңінен қолданылуы цифрлық сымсыз ұялы байланыс желілерінің дамуына және таралуына ықпал етті. Бірінші коммерциялық цифрлық ұялы байланыс желісі, 2G ұрпағы, 1991 жылы іске қосылды. Бұл секторда бәсекелестікті күшейтті, өйткені жаңа операторлар 1G аналогтық желілерінің операторларына қарсы шықты.

Ұялы байланыс сигналын кодтау

Бірнеше түрлі хабар берушілерден келетін сигналдарды ажырату үшін жиілікті бөлумен көптеген қатынау (аналогты және D AMPS жүйелерінде қолданылатын FDMA), уақыт бойынша бөлумен көптеген қатынау (GSM-де қолданылатын TDMA) және кодты бөлумен көптеген қатынау (CDMA, алғаш рет PCS үшін және 3G негізінде пайдаланылған) әзірленді. Жиілікті қайта пайдалану коэффициенті – желіде бірдей жиілікті қанша рет пайдалануға болатынын көрсетеді. Ол 1/K (немесе кейбір кітаптарда K) тең, мұнда K – бірдей жиілікті беру үшін пайдалана алмайтын жасушалардың саны. Жиілікті қайта пайдалану коэффициентінің жиі кездесетін мәндері 1/3, 1/4, 1/7, 1/9 және 1/12 (немесе 3, 4, 7, 9 және 12, нотацияға байланысты). Егер бір базалық станцияда әрқайсысы әртүрлі бағыттағы N секторлық антенналар болса, базалық станция N түрлі секторға қызмет көрсете алады. N әдетте 3-ке тең. N/K қайта пайдалану схемасы – әрбір сайттағы N секторлық антенналар арасында жиілікті одан әрі бөлуді білдіреді. Кейбір қолданыстағы және тарихи қайта пайдалану схемалары: 3/7 (Солтүстік Америка AMPS), 6/4 (Motorola NAMPS) және 3/4 (GSM). Егер жалпы қолданылатын жолақтың ені B болса, әрбір жасуша тек B/K жолақты еніне сәйкес келетін жиілік каналдарының санын пайдалана алады, ал әрбір сектор B/NK жолақты енін пайдалана алады. Кодты бөлумен көптеген қатынау негізіндегі жүйелер FDMA сияқты бірдей беру жылдамдығына жету үшін кеңірек жиілік жолағын пайдаланады, бірақ бұл жиілікті қайта пайдалану коэффициентін 1-ге дейін жеткізу арқылы өтесіледі, мысалы, 1/1 қайта пайдалану схемасын қолдану арқылы. Яғни, жақын орналасқан базалық станциялар бірдей жиілікті пайдаланады, ал түрлі базалық станциялар мен пайдаланушылар жиіліктер емес, кодтар арқылы ажыратылады. Бұл мысалда N 1 ретінде көрсетілгенімен, CDMA жасушасы тек бір сектордан тұрады дегенді білдірмейді, керісінше, жасушаның барлық жолақты ені әрбір секторға жеке-жеке қолжетімді. Соңғы уақыттарда жиілікті қайта пайдалану коэффициенті 1-ге тең LTE сияқты жүйелер де енгізілуде. Мұндай жүйелер сигналды жиілік жолағы бойынша таратпағандықтан, жасушалар аралық радиоресурстарды басқару, түрлі жасуша сайттары арасында ресурстарды бөлуді үйлестіру және жасушалар аралық кедергілерді шектеу үшін маңызды. Стандартта жасушалар аралық кедергілерді үйлестірудің (ICIC) әртүрлі әдістері анықталған. Үйлестірілген жоспарлау, көпсайтты MIMO немесе көпсайтты сәулелендіру – жасушалар аралық радиоресурстарды басқарудың басқа мысалдары, олар болашақта стандартталуы мүмкін.

To distinguish signals from several different transmitters, frequency division multiple access (FDMA, used by analog and D AMPS systems), time division multiple access (TDMA, used by GSM) and code division multiple access (CDMA, first used for PCS, and the basis of 3G) were developed. The frequency reuse factor is the rate at which the same frequency can be used in the network. It is 1/K (or K according to some books) where K is the number of cells which cannot use the same frequencies for transmission. Common values for the frequency reuse factor are 1/3, 1/4, 1/7, 1/9 and 1/12 (or 3, 4, 7, 9 and 12, depending on notation). In case of N sector antennas on the same base station site, each with different direction, the base station site can serve N different sectors. N is typically 3. A reuse pattern of N/K denotes a further division in frequency among N sector antennas per site. Some current and historical reuse patterns are 3/7 (North American AMPS), 6/4 (Motorola NAMPS), and 3/4 (GSM). If the total available bandwidth is B, each cell can only use a number of frequency channels corresponding to a bandwidth of B/K, and each sector can use a bandwidth of B/NK. Code division multiple access based systems use a wider frequency band to achieve the same rate of transmission as FDMA, but this is compensated for by the ability to use a frequency reuse factor of 1, for example using a reuse pattern of 1/1. In other words, adjacent base station sites use the same frequencies, and the different base stations and users are separated by codes rather than frequencies. While N is shown as 1 in this example, that does not mean the CDMA cell has only one sector, but rather that the entire cell bandwidth is also available to each sector individually. Recently also orthogonal frequency division multiple access based systems such as LTE are being deployed with a frequency reuse of 1. Since such systems do not spread the signal across the frequency band,
inter cell radio resource management is important to coordinate resource allocation between different cell sites and to limit the inter cell interference. There are various means of inter cell interference coordination (ICIC) already defined in the standard. Coordinated scheduling, multi site MIMO or multi site beamforming are other examples for inter cell radio resource management that might be standardized in the future.

Бағыттамалық антенналар

Ұялы байланыс мұнаралары көбінесе жоғары трафик аймақтарында қабылдауды жақсарту үшін бағытталған сигналды пайдаланады. АҚШ-та Федералды байланыс комиссиясы (FCC) барлық бағытты ұялы байланыс мұнараларының сигналдарын 100 ваттқа дейін шектейді. Егер мұнарада бағытталған антенналар болса, FCC ұялы операторға 500 ваттқа дейінгі тиімді сәулелену қуатын (ERP) шығаруға рұқсат береді. Алғашқы ұялы байланыс мұнаралары тегіс, барлық бағытты сигнал жасағанмен, ұялы байланыс картасын үш ұялы байланыс түйіні жиналатын алтыбұрыштардың бұрыштарында орналасқан ұялы байланыс мұнараларымен қайта жасауға болады. Әрбір мұнарада үш түрлі бағытта бағытталған үш жиын антенналар болады, әрбір ұяшқа 120 градус (барлығы 360 градус) бұрышпен, және әртүрлі жиіліктерде үш түрлі ұяшқа сигнал қабылдайды/жібереді. Бұл әрбір ұяшқа кем дегенде үш арна және үш мұнара қамтамасыз етеді, сондай-ақ кем дегенде бір бағыттан пайдалы сигнал алу мүмкіндігін арттырады. Суреттегі сандар – бұл арна нөмірлері, олар әр 3 ұяшта қайталанады. Үлкен ұяштарды жоғары трафик аймақтары үшін кіші ұяштарға бөлуге болады. Ұялы телефон компаниялары да осы бағытталған сигналды автомобиль жолдарында және стадиондар мен ареналар сияқты ғимараттардың ішінде қабылдауды жақсарту үшін пайдаланады. Осының салдарынан АҚШ-та бірнеше сандық стандарттар пайда болды, ал Еуропа мен көптеген елдер GSM стандартына көшті.

Ұялы телефон желілеріндегі ұялы телефонды беру

Телефон пайдаланушысы қоңырау барысында бір ұяшықтан екінші ұяшыққа өткеңде, ұялы станция қоңырауды үзу үшін жаңа арна іздей бастайды. Жаңа арна табылып болған соң, желі ұялы құрылғыға жаңа арнаға ауысуды бұйырады және сонымен бірге қоңырауды жаңа арнаға көшіреді. CDMA технологиясында бірнеше CDMA телефондары белгілі бір радиоарнаны бөліседі. Сигналдар әр телефонқа тән псевдошумақ кодты (PN код) пайдалану арқылы ажыратылады. Пайдаланушы бір ұяшықтан екіншісіне қозғалғанда, телефон бір уақытта бірнеше ұяшық станцияларымен (немесе бір станцияның секторларымен) радиобайланыс орнатады. Бұл "жұмсақ ауысу" деп аталады, себебі дәстүрлі ұялы технологиядан өзгеше, телефонның жаңа ұяшыққа ауысатын нақты бір мезеті болмайды. IS 95 жиіліктер арасындағы ауысуларда және NMT сияқты ескі аналогтық жүйелерде байланыс кезінде мақсатты арнаны тікелей тексеру мүмкін болмайды. Мұндай жағдайда, IS 95-тегі пилоттық сигналдар сияқты басқа тәсілдер қолданылуы керек. Бұл жаңа арна іздеу кезінде байланыста қысқа үзіліс болатынын және содан кейін ескі арнаға күтпеген оралу қаупінің бар екенін білдіреді. Егер байланыс жоқ болса немесе байланысты үзуге болатын болса, ұялы құрылғы бір ұяшықтан екінші ұяшыққа өздігінен өтіп, ең күшті сигналды базалық станцияға хабарлай алады.

Ұялы телефон желілеріндегі ұялы радиожиілік таңдау

Жиіліктің ұялы байланыспен қамту аймағына әсері – әртүрлі жиіліктер әртүрлі мақсаттар үшін тиімдірек екенін білдіреді. Мысалы, 450 МГц NMT сияқты төмен жиіліктер ауылдық жерлерде жақсы қамтуды қамтамасыз етеді. GSM 900 (900 МГц) қалалық аймақтарды шала қамтуға қолайлы. GSM 1800 (1,8 ГГц) құрылыс қабырғаларының әсерінен қамтуы шектеледі. UMTS (2,1 ГГц) GSM 1800-мен салыстырғанда шамамен бірдей қамтуға ие. Жоғары жиіліктер қамту жағынан кемшілік болып табылады, бірақ сыйымдылықты арттыру үшін артықшылық жасайды. Мысалы, ғимараттың бір қабатын қамтитын пико-ұялар пайда болады және бір-біріне жақын орналасқан ұялар үшін бірдей жиілік қолданылуы мүмкін. Ұялы байланыс қамту аймағы сондай-ақ, сол ұя ішіндегі және оның маңындағы тарату жүйелерінен туындайтын кедергілерге байланысты өзгеруі мүмкін. Бұл әсіресе CDMA негізделген жүйелерде көрінеді. Қабылдағыш белгілі бір сигнал-шу қатынасын қажет етеді, ал таратушы басқа таратушылармен кедергі тудырмау үшін тым жоғары қуатпен сигнал жібермеуі керек. Қабылдағыш таратушыдан алшақтаған сайын алынған қуат азаяды, сондықтан таратушының қуатты басқару алгоритмі алынған қуат деңгейін қалпына келтіру үшін қуатын арттырады. Егер кедергі (шу) таратушыдан алынған қуаттан асып кетсе және таратушының қуатын арттыру мүмкін болмаса, сигнал бұзылып, соңында қолдануға жарамсыз болады. CDMA негізделген жүйелерде, бір ұядағы басқа ұялы таратушылардан келетін кедергілердің әсері айқын байқалады және оған «ұялы тыныс алу» деген арнайы атау берілген. Нақты операторлардың веб-сайттарында ұсынылған немесе Opensignal және CellMapper сияқты тәуелсіз көпшілік карталарын қарастыру арқылы ұялы байланыс қамту карталарының мысалдарын көруге болады. Кейбір жағдайларда олар таратушының орнын көрсетеді, ал басқа жағдайларда оны ең күшті қамту нүктесін анықтау арқылы есептеуге болады. Ұялы байланыс ретрансляторы ұялы байланыс қамтуын кеңейту үшін қолданылады. Олар тұтынушылардың үйлері мен кеңселерде пайдалануына арналған кең жолақты ретрансляторлардан бастап, өнеркәсіптік қажеттіліктерге арналған ақылды немесе цифрлық ретрансляторларға дейін болады.

The effect of frequency on cell coverage means that different frequencies serve better for different uses. Low frequencies, such as 450 MHz NMT, serve very well for countryside coverage. GSM 900 (900 MHz) is suitable for light urban coverage. GSM 1800 (1.8 GHz) starts to be limited by structural walls. UMTS, at 2.1 GHz is quite similar in coverage to GSM 1800. Higher frequencies are a disadvantage when it comes to coverage, but it is a decided advantage when it comes to capacity. Picocells, covering e. g. one floor of a building, become possible, and the same frequency can be used for cells which are practically neighbors. Cell service area may also vary due to interference from transmitting systems, both within and around that cell. This is true especially in CDMA based systems. The receiver requires a certain signal to noise ratio, and the transmitter should not send with too high transmission power in view to not cause interference with other transmitters. As the receiver moves away from the transmitter, the power received decreases, so the power control algorithm of the transmitter increases the power it transmits to restore the level of received power. As the interference (noise) rises above the received power from the transmitter, and the power of the transmitter cannot be increased anymore, the signal becomes corrupted and eventually unusable. In CDMA based systems, the effect of interference from other mobile transmitters in the same cell on coverage area is very marked and has a special name, cell breathing. One can see examples of cell coverage by studying some of the coverage maps provided by real operators on their web sites or by looking at independently crowdsourced maps such as Opensignal or CellMapper. In certain cases they may mark the site of the transmitter; in others, it can be calculated by working out the point of strongest coverage. A cellular repeater is used to extend cell coverage into larger areas. They range from wideband repeaters for consumer use in homes and offices to smart or digital repeaters for industrial needs.