Введение

Сеть связи

Сотовая сеть или мобильная сеть — это телекоммуникационная сеть, в которой связь с конечными устройствами осуществляется по беспроводной связи, а сама сеть распределена по географическим областям, называемым сотами. Каждая сота обслуживается как минимум одним стационарным приемопередатчиком (обычно тремя базовыми станциями). Эти базовые станции обеспечивают покрытие соты, которое может использоваться для передачи голоса, данных и других типов контента. Каждая сота обычно использует отличный от соседних набор частот, чтобы избежать помех и гарантировать качество обслуживания в пределах соты. Объединяясь, эти соты обеспечивают радиопокрытие на обширной территории. Это позволяет многочисленным портативным устройствам (например, мобильным телефонам, планшетам и ноутбукам с мобильными широкополосными модемами, пейджерам и т. д.) взаимодействовать друг с другом, а также со стационарными приемопередатчиками и телефонами в любой точке сети через базовые станции, даже если некоторые устройства перемещаются между сотами во время передачи. Сотовые сети предлагают ряд преимуществ, в том числе для крупных организаций и парков техники, таких как диспетчерская связь для служб экстренной помощи или компаний такси, а также для локальной беспроводной связи на предприятиях и в промышленных условиях, таких как заводы, склады, шахты, электростанции, подстанции, объекты нефтегазовой промышленности и порты.

Концепция

В сотовой радиосистеме территория, подлежащая радиопокрытию, разделяется на ячейки в соответствии с рельефом местности и характеристиками радиоприема. Эти структуры ячеек приблизительно имеют форму правильных фигур, таких как шестиугольники, квадраты или круги, хотя наиболее распространены шестиугольные ячейки. Каждой из этих ячеек назначается несколько частот (f1 – f6), которым соответствуют радиобазовые станции. Группу частот можно повторно использовать в других ячейках, при условии, что те же частоты не будут использоваться в соседних ячейках, что приведет к взаимным помехам по каналу. Повышенная емкость сотовой сети по сравнению с сетью с одним передатчиком обеспечивается системой коммутации мобильной связи, разработанной Амосом Джоэлем из Bell Labs, которая позволяет нескольким абонентам в определенной области использовать одну и ту же частоту путем переключения вызовов на ближайшую доступную сотовую вышку, располагающую этой частотой. Эта стратегия возможна, поскольку данная радиочастота может быть повторно использована в другой области для независимой передачи. В отличие от этого, один передатчик может обрабатывать только одну передачу на заданной частоте. Неизбежно, существует определенный уровень помех от сигналов из других ячеек, использующих ту же частоту. Следовательно, в стандартной системе множественного доступа с разделением по частоте (FDMA) между ячейками, использующими одну и ту же частоту, должен быть как минимум один промежуточный интервал. Рассмотрим случай таксомоторной компании, где каждая радиостанция оснащена ручным переключателем каналов для настройки на различные частоты. Водители переключают каналы по мере передвижения. Они знают, какая частота примерно обеспечивает покрытие в определенной области. Если они не принимают сигнал от передатчика, они пробуют другие каналы, пока не найдут рабочий. Таксисты говорят по очереди, только когда их приглашает оператор базовой станции. Это форма множественного доступа с разделением по времени (TDMA).

История

История технологии сотовой связи началась 11 декабря 1947 года с внутренней записки, написанной Дугласом Х. Рингом, инженером Bell Labs, в которой он предложил разработку системы сотовой связи компанией AT&T. Первая коммерческая сотовая сеть, поколение 1G, была запущена в Японии компанией Nippon Telegraph and Telephone (NTT) в 1979 году, первоначально в столичной области Токио. В течение пяти лет сеть NTT была расширена, чтобы охватить всё население Японии, и стала первой общенациональной сетью 1G. Это была аналоговая беспроводная сеть. Компания Bell System разрабатывала сотовую технологию с 1947 года и имела действующие сотовые сети в Чикаго и Далласе до 1979 года, но запуск коммерческого обслуживания был задержан в результате разделения Bell System, а сотовые активы были переданы региональным операторским компаниям Bell. Беспроводная революция 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 изобретённый Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году, был адаптирован для сотовых сетей в начале 1990-х годов, а широкое внедрение мощных MOSFET, LDMOS (RF-усилитель) и RF CMOS (RF-схема) способствовало развитию и распространению цифровых беспроводных мобильных сетей. Первая коммерческая сеть цифровой сотовой связи, поколение 2G, была запущена в 1991 году. Это спровоцировало конкуренцию в отрасли, поскольку новые операторы бросили вызов существующим операторам аналоговых сетей 1G.

Кодирование сотовой связи

Для различения сигналов от нескольких различных передатчиков были разработаны методы множественного доступа с разделением по частоте (FDMA, используемый в аналоговых и D-AMPS системах), множественного доступа с разделением по времени (TDMA, используемый в GSM) и множественного доступа с кодовым разделением (CDMA, впервые примененный в PCS и являющийся основой 3G). Коэффициент повторного использования частот – это показатель, определяющий, с какой скоростью одна и та же частота может быть использована в сети. Он равен 1/K (или K, согласно некоторым источникам), где K – количество ячеек, которые не могут использовать одни и те же частоты для передачи. Типичные значения коэффициента повторного использования частот: 1/3, 1/4, 1/7, 1/9 и 1/12 (или 3, 4, 7, 9 и 12, в зависимости от обозначений). В случае N секторных антенн на одной базовой станции, каждая из которых направлена в разные стороны, базовая станция может обслуживать N различных секторов. Обычно N равно 3. Схема повторного использования N/K обозначает дальнейшее разделение частот между N секторными антеннами на одной площадке. Некоторые текущие и исторические схемы повторного использования: 3/7 (North American AMPS), 6/4 (Motorola NAMPS) и 3/4 (GSM). Если общая доступная полоса пропускания равна B, каждая ячейка может использовать количество частотных каналов, соответствующее полосе пропускания B/K, а каждый сектор – полосе пропускания B/NK. Системы на основе множественного доступа с кодовым разделением используют более широкую полосу частот для достижения той же скорости передачи, что и FDMA, но это компенсируется возможностью использования коэффициента повторного использования частот, равного 1, например, схемы повторного использования 1/1. Иными словами, соседние базовые станции используют одни и те же частоты, а различные базовые станции и пользователи разделяются кодами, а не частотами. Хотя в этом примере N показан как 1, это не означает, что ячейка CDMA имеет только один сектор, а скорее, что вся полоса пропускания ячейки доступна каждому сектору в отдельности. В последнее время также развертываются системы на основе ортогонального частотного множественного доступа, такие как LTE, с коэффициентом повторного использования частот, равным 1. Поскольку такие системы не распределяют сигнал по полосе частот, управление радиоресурсами между ячейками (inter-cell radio resource management) важно для координации распределения ресурсов между различными базовыми станциями и ограничения межячеечных помех. В стандарте уже определены различные средства координации межячеечных помех (ICIC). Координированное планирование, многосайтовое MIMO или многосайтовое формирование луча – другие примеры управления радиоресурсами между ячейками, которые могут быть стандартизированы в будущем.

Антенны направленные

Мобильные вышки часто используют направленный сигнал для улучшения приема в районах с высокой загруженностью. В Соединенных Штатах Федеральная комиссия по связи (FCC) ограничивает мощность всенаправленных сигналов сотовых вышек 100 Вт. Если вышка оснащена направленными антеннами, FCC разрешает оператору сотовой связи излучать до 500 Вт эффективной излучаемой мощности (ERP). Хотя изначально сотовые вышки создавали равномерный всенаправленный сигнал и располагались в центрах сотовых секторов, карту сотовой сети можно перестроить, разместив вышки сотовой связи в углах шестиугольников, где сходятся три сектора. Каждая вышка имеет три комплекта направленных антенн, направленных в трех различных направлениях под углом 120 градусов для каждого сектора (в сумме 360 градусов), осуществляющих прием и передачу в три разных сектора на разных частотах. Это обеспечивает минимум три канала и три вышки для каждого сектора, значительно повышая вероятность приема полезного сигнала хотя бы в одном направлении. Числа на иллюстрации обозначают номера каналов, которые повторяются каждые 3 сектора. Большие сектора могут быть разделены на более мелкие для зон с высокой плотностью трафика. Операторы сотовой связи также используют этот направленный сигнал для улучшения приема на автомагистралях и внутри зданий, таких как стадионы и арены. В результате в США появилось множество цифровых стандартов, в то время как Европа и многие другие страны перешли к стандарту GSM.

Передача сотовой связи в сетях мобильной связи

Когда пользователь телефона перемещается из одной зоны сотовой связи в другую во время разговора, мобильная станция будет искать новый канал для подключения, чтобы не прервать вызов. Как только новый канал найден, сеть даст команду мобильному устройству переключиться на него и одновременно перенаправит вызов на этот канал. В CDMA несколько абонентских устройств CDMA совместно используют один радиоканал. Сигналы разделяются с помощью псевдослучайного шумового кода (PN-кода), уникального для каждого телефона. По мере перемещения пользователя из одной соты в другую, абонентское устройство одновременно устанавливает радиосвязь с несколькими базовыми станциями (или секторами одной и той же станции). Это называется "мягкой передачей", поскольку, в отличие от традиционных сотовых технологий, нет четко определенного момента переключения телефона на новую соту. В системах IS-95 и более старых аналоговых системах, таких как NMT, обычно невозможно напрямую проверить целевой канал во время установленной связи. В этом случае приходится использовать другие методы, например, пилотные сигналы в IS-95. Это означает, что почти всегда происходит кратковременный разрыв связи во время поиска нового канала, за которым следует риск неожиданного возврата к старому каналу. Если текущей связи нет или ее можно прервать, мобильное устройство может самопроизвольно переходить из одной соты в другую и затем уведомлять базовую станцию с самым сильным сигналом.

Выбор частоты сотовой связи в сетях мобильной связи

Влияние частоты на покрытие сотовой связи означает, что разные частоты лучше подходят для разных задач. Низкие частоты, такие как 450 МГц NMT, отлично подходят для покрытия сельской местности. GSM 900 (900 МГц) подходит для покрытия в малонаселенных городских районах. GSM 1800 (1,8 ГГц) начинает испытывать ограничения из-за стен зданий. UMTS на частоте 2,1 ГГц имеет схожий радиус действия с GSM 1800. Более высокие частоты снижают зону покрытия, но обеспечивают большую емкость сети. Становятся возможными пикоячейки, охватывающие, например, один этаж здания, и одну и ту же частоту можно использовать для практически соседних ячеек. Зона обслуживания сотовой связи также может меняться из-за помех от передающих систем как внутри, так и вокруг ячейки. Это особенно актуально для систем на основе CDMA. Приемнику требуется определенное отношение сигнал/шум, а передатчик не должен излучать с чрезмерной мощностью, чтобы не создавать помехи другим передатчикам. По мере удаления приемника от передатчика мощность принимаемого сигнала уменьшается, поэтому алгоритм управления мощностью передатчика увеличивает мощность излучения для восстановления уровня принимаемого сигнала. Если помехи (шум) превышают мощность принимаемого сигнала от передатчика, и мощность передатчика больше не может быть увеличена, сигнал искажается и становится непригодным для использования. В системах на основе CDMA влияние помех от других мобильных передатчиков в одной и той же ячейке на зону покрытия особенно заметно и называется "клеточное дыхание". Примеры покрытия сотовой связью можно увидеть, изучая карты покрытия, предоставляемые операторами на своих веб-сайтах, или используя карты, созданные на основе краудсорсинга, такие как Opensignal или CellMapper. В некоторых случаях на картах указывается местоположение передатчика, в других – его можно вычислить, определив точку с максимальным уровнем сигнала. Клеточный репитер используется для расширения зоны покрытия сотовой связи. Они варьируются от широкополосных репитеров для домашнего и офисного использования до интеллектуальных или цифровых репитеров для промышленных нужд.