Сотовая сеть или мобильная сеть — это телекоммуникационная сеть , в которой связь между конечными узлами и узлами является беспроводной , а сеть распределена по территориям, называемым ячейками , каждая из которых обслуживается как минимум одним фиксированным приемопередатчиком (например, базовой станцией ). Эти базовые станции обеспечивают ячейку сетевым покрытием, которое может использоваться для передачи голоса, данных и других типов контента. Ячейка обычно использует другой набор частот из соседних ячеек, чтобы избежать помех и обеспечить гарантированное качество обслуживания в каждой ячейке. [ необходима цитата ] [1]
При объединении эти ячейки обеспечивают радиопокрытие на большой географической территории. Это позволяет многочисленным портативным трансиверам (например, мобильным телефонам , планшетам и ноутбукам , оснащенным мобильными широкополосными модемами , пейджерам и т. д.) связываться друг с другом и со стационарными трансиверами и телефонами в любой точке сети через базовые станции, даже если некоторые из трансиверов перемещаются через более чем одну ячейку во время передачи.
Сотовые сети предлагают ряд желаемых функций: [1]
Крупнейшие поставщики телекоммуникационных услуг развернули голосовые и информационные сотовые сети на большей части обитаемой территории Земли . Это позволяет подключать мобильные телефоны и мобильные вычислительные устройства к телефонной сети общего пользования и общедоступному доступу в Интернет . Частные сотовые сети могут использоваться для исследований [2] или для крупных организаций и автопарков, таких как диспетчерские службы местных органов общественной безопасности или таксомоторные компании, а также для локальной беспроводной связи в корпоративных и промышленных условиях, таких как заводы, склады, шахты, электростанции, подстанции, нефтегазовые объекты и порты. [3]
В системе сотовой радиосвязи территория, на которую необходимо подать радиообслуживание, делится на ячейки в зависимости от рельефа местности и характеристик приема. Эти ячейки имеют примерно правильную форму, например, 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 ячейках, при условии, что те же частоты не будут повторно использоваться в соседних ячейках, что может вызвать помехи в соседнем канале .
Увеличение емкости сотовой сети по сравнению с сетью с одним передатчиком происходит из-за системы коммутации мобильной связи, разработанной Амосом Джоэлом из Bell Labs [4] , которая позволяла нескольким абонентам в заданной области использовать одну и ту же частоту, переключая вызовы на ближайшую доступную сотовую вышку, имеющую эту частоту. Эта стратегия жизнеспособна, поскольку заданная радиочастота может быть повторно использована в другой области для несвязанной передачи. Напротив, один передатчик может обрабатывать только одну передачу для заданной частоты. Неизбежно, существует некоторый уровень помех от сигнала от других ячеек, которые используют ту же частоту. Следовательно, между ячейками, которые повторно используют одну и ту же частоту в стандартной системе множественного доступа с разделением частот (FDMA), должен быть как минимум один зазор между ячейками .
Рассмотрим случай таксомоторной компании, где каждое радио имеет ручку ручного селектора каналов для настройки на разные частоты. Когда водители передвигаются, они переключаются с канала на канал. Водители знают, какая частота примерно покрывает определенную область. Когда они не получают сигнал от передатчика, они пробуют другие каналы, пока не найдут работающий. Водители такси говорят только по одному за раз, когда их приглашает оператор базовой станции. Это форма множественного доступа с временным разделением (TDMA).
История технологии сотовой связи началась 11 декабря 1947 года с внутреннего меморандума, написанного Дугласом Х. Рингом , инженером Bell Labs , в котором он предложил разработку системы сотовой связи компанией AT&T. [5]
Первая коммерческая сотовая сеть поколения 1G была запущена в Японии компанией Nippon Telegraph and Telephone (NTT) в 1979 году, изначально в столичном районе Токио . В течение пяти лет сеть NTT была расширена, чтобы охватить все население Японии и стать первой общенациональной сетью 1G. Это была аналоговая беспроводная сеть . Bell System разрабатывала сотовую технологию с 1947 года и имела сотовые сети, работающие в Чикаго и Далласе до 1979 года, но коммерческое обслуживание было задержано из-за распада Bell System , а сотовые активы были переданы региональным компаниям Bell Operating Companies .
Беспроводная революция началась в начале 1990-х годов, [6] [7] [8] что привело к переходу от аналоговых к цифровым сетям . [9] Это стало возможным благодаря достижениям в технологии MOSFET . MOSFET, первоначально изобретенный Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году, [10] [11] был адаптирован для сотовых сетей к началу 1990-х годов, с широким внедрением мощных MOSFET , LDMOS ( РЧ усилитель ) и RF CMOS ( РЧ схема ) устройств, что привело к разработке и распространению цифровых беспроводных мобильных сетей. [9] [12] [13]
Первая коммерческая цифровая сотовая сеть поколения 2G была запущена в 1991 году. Это вызвало конкуренцию в секторе, поскольку новые операторы бросили вызов действующим операторам аналоговых сетей 1G.
Чтобы различать сигналы от нескольких разных передатчиков, были разработаны множественный доступ с частотным разделением каналов (FDMA, используется аналоговыми и D-AMPS [ требуется ссылка ] системами), множественный доступ с временным разделением каналов (TDMA, используется GSM ) и множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA, впервые использованный для PCS и являющийся основой 3G ). [1]
С FDMA частоты передачи и приема, используемые разными пользователями в каждой ячейке, отличаются друг от друга. Каждому сотовому звонку назначалась пара частот (одна для базовой станции с мобильной станцией, другая для мобильной станции с базовой станцией) для обеспечения полнодуплексной работы. Первоначальные системы AMPS имели 666 пар каналов, по 333 для систем CLEC "A" и ILEC "B". Количество каналов было увеличено до 416 пар на одного носителя, но в конечном итоге количество радиочастотных каналов ограничивает количество вызовов, которые могла обработать ячейка. FDMA — это знакомая технология для телефонных компаний, которые использовали частотное мультиплексирование для добавления каналов к своим двухточечным проводным станциям до того, как временное мультиплексирование сделало FDM устаревшим.
При использовании TDMA временные интервалы передачи и приема, используемые разными пользователями в каждой ячейке, отличаются друг от друга. TDMA обычно использует цифровую сигнализацию для хранения и пересылки пакетов голосовых данных, которые вписываются в временные интервалы для передачи и расширяются на приемном конце для получения в некоторой степени нормально звучащего голоса на приемнике. TDMA должен вносить задержку (временную задержку) в аудиосигнал. Пока время задержки достаточно короткое, чтобы задержанный звук не был слышен как эхо, это не является проблемой. TDMA — это знакомая технология для телефонных компаний, которые использовали мультиплексирование с временным разделением для добавления каналов к своим двухточечным проводным линиям связи до того, как коммутация пакетов сделала FDM устаревшим.
Принцип CDMA основан на технологии расширенного спектра , разработанной для военного использования во время Второй мировой войны и улучшенной во время холодной войны в расширенный спектр прямой последовательности , который использовался для ранних сотовых систем CDMA и Wi-Fi . DSSS позволяет нескольким одновременным телефонным разговорам происходить на одном широкополосном радиочастотном канале, без необходимости их канализации по времени или частоте. Хотя CDMA более сложна, чем старые схемы множественного доступа (и незнакома устаревшим телефонным компаниям, поскольку она не была разработана Bell Labs ), она хорошо масштабируется, чтобы стать основой для сотовых радиосистем 3G.
Другие доступные методы мультиплексирования, такие как MIMO , более сложная версия антенного разнесения , в сочетании с активным формированием луча обеспечивает гораздо большую пространственную мультиплексную способность по сравнению с исходными ячейками AMPS, которые обычно адресовали только одно-три уникальных пространства. Массовое развертывание MIMO позволяет гораздо большее повторное использование каналов, тем самым увеличивая количество абонентов на ячейку, большую пропускную способность данных на пользователя или некоторую комбинацию этого. Модемы с квадратурной амплитудной модуляцией (QAM) предлагают большее количество бит на символ, позволяя большему количеству пользователей на мегагерц полосы пропускания (и децибелы SNR), большую пропускную способность данных на пользователя или некоторую комбинацию этого.
Ключевой характеристикой сотовой сети является возможность повторного использования частот для увеличения как покрытия, так и емкости. Как описано выше, соседние соты должны использовать разные частоты, однако, нет никаких проблем с двумя сотами, достаточно далеко друг от друга, работающими на одной частоте, при условии, что мачты и оборудование пользователей сотовой сети не передают слишком много мощности. [1]
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. Радиус ячеек может варьироваться 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 более мелкие ячейки. [14]
Фактор повторного использования частоты — это скорость, с которой одна и та же частота может использоваться в сети. Он равен 1/K (или K согласно некоторым книгам), где K — это количество ячеек, которые не могут использовать одни и те же частоты для передачи. Обычные значения для фактора повторного использования частоты — 1/3, 1/4, 1/7, 1/9 и 1/12 (или 3, 4, 7, 9 и 12, в зависимости от нотации). [15]
В случае N секторных антенн на одном сайте базовой станции, каждая с разным направлением, сайт базовой станции может обслуживать N различных секторов. N обычно равно 3. Шаблон повторного использования N /K обозначает дальнейшее разделение частоты между N секторными антеннами на сайте. Некоторые текущие и исторические шаблоны 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 только количество частотных каналов, соответствующее полосе пропускания B/K , а каждый сектор может использовать полосу пропускания B/NK .
Системы с кодовым разделением каналов используют более широкую полосу частот для достижения той же скорости передачи, что и FDMA, но это компенсируется возможностью использовать коэффициент повторного использования частоты 1, например, используя шаблон повторного использования 1/1. Другими словами, соседние сайты базовых станций используют те же частоты, а разные базовые станции и пользователи разделены кодами, а не частотами. Хотя N показано как 1 в этом примере, это не означает, что ячейка CDMA имеет только один сектор, а скорее то, что вся полоса пропускания ячейки также доступна каждому сектору по отдельности.
В последнее время также развертываются системы с ортогональным частотным разделением, основанные на множественном доступе, такие как LTE , с повторным использованием частоты 1. Поскольку такие системы не распределяют сигнал по полосе частот, управление межсотовыми радиоресурсами важно для координации распределения ресурсов между различными сотовыми сайтами и для ограничения межсотовых помех. Существуют различные средства координации межсотовых помех (ICIC), уже определенные в стандарте. [16] Координированное планирование, многосайтовый MIMO или многосайтовое формирование луча являются другими примерами управления межсотовыми радиоресурсами, которые могут быть стандартизированы в будущем.
Сотовые вышки часто используют направленный сигнал для улучшения приема в районах с большим трафиком. В Соединенных Штатах Федеральная комиссия по связи ( FCC) ограничивает мощность всенаправленных сигналов сотовых вышек до 100 Вт. Если вышка имеет направленные антенны, FCC позволяет оператору сотовой связи излучать до 500 Вт эффективной излучаемой мощности (ERP). [17]
Хотя оригинальные вышки сотовой связи создавали ровный, всенаправленный сигнал, находились в центрах ячеек и были всенаправленными, сотовую карту можно перерисовать с вышками сотовой связи, расположенными в углах шестиугольников, где сходятся три ячейки. [18] Каждая вышка имеет три набора направленных антенн, направленных в трех разных направлениях по 120 градусов для каждой ячейки (всего 360 градусов) и принимающих/передающих в три разные ячейки на разных частотах. Это обеспечивает минимум три канала и три вышки для каждой ячейки и значительно увеличивает шансы получения пригодного сигнала по крайней мере с одного направления.
Цифры на рисунке — это номера каналов, которые повторяются каждые 3 ячейки. Большие ячейки могут быть разделены на меньшие ячейки для областей с большим объемом. [19]
Компании сотовой связи также используют этот направленный сигнал для улучшения приема вдоль автомагистралей и внутри зданий, таких как стадионы и арены. [17]
Практически каждая сотовая система имеет какой-либо механизм вещания. Он может использоваться напрямую для распространения информации на несколько мобильных телефонов. Обычно, например, в системах мобильной телефонии , наиболее важным использованием вещательной информации является настройка каналов для индивидуальной связи между мобильным приемопередатчиком и базовой станцией. Это называется пейджингом . Обычно используются три различные процедуры пейджинга: последовательный, параллельный и выборочный пейджинг.
Детали процесса пейджинга несколько различаются от сети к сети, но обычно мы знаем ограниченное количество ячеек, где находится телефон (эта группа ячеек называется областью местоположения в системе GSM или UMTS или областью маршрутизации, если задействован сеанс пакетной передачи данных; в LTE ячейки группируются в области отслеживания). Пейджинг происходит путем отправки широковещательного сообщения во все эти ячейки. Пейджинговые сообщения могут использоваться для передачи информации. Это происходит в пейджерах , в системах CDMA для отправки SMS- сообщений и в системе UMTS , где это обеспечивает низкую задержку нисходящей линии связи в пакетных соединениях.
В LTE/4G процедура пейджинга инициируется MME, когда пакеты данных необходимо доставить в UE.
Типы пейджинга, поддерживаемые MME:
В примитивной системе такси, когда такси отъезжало от первой вышки и приближалось ко второй, водитель такси вручную переключался с одной частоты на другую 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 из ячейки в ячейку во время непрерывной связи, переключение с одной частоты ячейки на другую выполняется электронным способом без прерывания и без оператора базовой станции или ручного переключения. Это называется хэндовером или передачей обслуживания. Обычно для мобильного устройства автоматически выбирается новый канал на новой базовой станции, которая будет его обслуживать. Затем мобильное устройство автоматически переключается с текущего канала на новый канал, и связь продолжается.
Точные детали перемещения мобильной системы с одной базовой станции на другую значительно различаются от системы к системе (см. пример ниже, как сеть мобильной связи управляет передачей обслуживания).
Наиболее распространенным примером сотовой сети является сеть мобильного телефона (сотового телефона). Мобильный телефон — это портативный телефон, который принимает или совершает звонки через сотовую станцию (базовую станцию) или передающую вышку. Для передачи сигналов на сотовый телефон и с него используются радиоволны .
Современные сети мобильной связи используют ячейки, поскольку радиочастоты являются ограниченным, общим ресурсом. Сотовые станции и трубки меняют 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 достижения как покрытия, так и емкости для своих абонентов. Большие географические области разбиваются на более мелкие соты, чтобы избежать потери сигнала в зоне прямой видимости и поддерживать большое количество активных телефонов в этой области. Все сотовые станции подключены к телефонным станциям (или коммутаторам), которые в свою очередь подключаются к телефонной сети общего пользования .
В городах каждая ячейка может иметь радиус действия примерно до 1 ⁄ 2 мили (0,80 км), тогда как в сельской местности радиус действия может достигать 5 миль (8,0 км). Вполне возможно, что на открытых участках пользователь может получать сигналы от ячейки на расстоянии 25 миль (40 км). В сельской местности с покрытием в низкочастотном диапазоне и высокими вышками базовая голосовая связь и служба обмена сообщениями могут достигать 50 миль (80 км) с ограничениями по пропускной способности и количеству одновременных вызовов. [ необходима цитата ]
Поскольку почти все мобильные телефоны используют сотовую технологию , включая GSM , CDMA и AMPS (аналоговый), термин «сотовый телефон» в некоторых регионах, особенно в США, используется взаимозаменяемо с «мобильным телефоном». Однако спутниковые телефоны — это мобильные телефоны, которые не связываются напрямую с наземной сотовой вышкой, но могут делать это косвенно через спутник.
Существует ряд различных цифровых сотовых технологий, в том числе: Global System for Mobile Communications (GSM), General Packet Radio Service (GPRS), cdmaOne , CDMA2000 , Evolution-Data Optimized (EV-DO), Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE), Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), Digital Enhanced Cordless Telecommunications (DECT), Digital AMPS (IS-136/TDMA) и Integrated Digital Enhanced Network (iDEN). Переход от существующего аналогового к цифровому стандарту прошел совсем по другому пути в Европе и США . [20] Как следствие, в США появилось несколько цифровых стандартов, в то время как Европа и многие страны сошлись в направлении стандарта GSM .
Простое представление сотовой сети мобильной радиосвязи состоит из следующего:
Эта сеть является основой сети системы GSM . Эта сеть выполняет множество функций, чтобы гарантировать клиентам получение желаемого сервиса, включая управление мобильностью, регистрацию, настройку вызовов и передачу обслуживания .
Любой телефон подключается к сети через RBS ( Radio Base Station ) в углу соответствующей ячейки, которая в свою очередь подключается к центру коммутации мобильной связи (MSC). MSC обеспечивает подключение к телефонной сети общего пользования (PSTN). Связь от телефона к RBS называется восходящей связью , а другой путь называется нисходящей связью .
Радиоканалы эффективно используют среду передачи за счет применения следующих схем мультиплексирования и доступа: множественный доступ с частотным разделением каналов (FDMA), множественный доступ с временным разделением каналов (TDMA), множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA) и множественный доступ с пространственным разделением каналов (SDMA).
Малые соты, имеющие меньшую зону покрытия, чем базовые станции, классифицируются следующим образом:
Когда пользователь телефона перемещается из одной зоны сот в другую во время вызова, мобильная станция будет искать новый канал для присоединения, чтобы не сбрасывать вызов. Как только новый канал будет найден, сеть даст команду мобильному устройству переключиться на новый канал и одновременно переключит вызов на новый канал.
С CDMA несколько телефонов CDMA совместно используют определенный радиоканал. Сигналы разделяются с помощью псевдошумового кода (PN-кода), который является индивидуальным для каждого телефона. Когда пользователь перемещается из одной соты в другую, телефон устанавливает радиосвязь с несколькими сотовыми узлами (или секторами одного и того же узла) одновременно. Это известно как «мягкая передача», потому что, в отличие от традиционной сотовой технологии , не существует одной определенной точки, в которой телефон переключается на новую соту.
В межчастотных хэндоверах IS-95 и более старых аналоговых системах, таких как NMT , обычно невозможно проверить целевой канал напрямую во время общения. В этом случае приходится использовать другие методы, такие как пилотные маяки в IS-95. Это означает, что почти всегда есть кратковременный перерыв в общении во время поиска нового канала, за которым следует риск неожиданного возврата к старому каналу.
Если постоянная связь отсутствует или может быть прервана, мобильное устройство может самопроизвольно переместиться из одной соты в другую, а затем уведомить базовую станцию с помощью самого сильного сигнала.
Влияние частоты на покрытие сотовой связи означает, что разные частоты лучше подходят для разных целей. Низкие частоты, такие как 450 МГц NMT, очень хорошо подходят для покрытия сельской местности. GSM 900 (900 МГц) подходит для слабого городского покрытия. GSM 1800 (1,8 ГГц) начинает ограничиваться структурными стенами. UMTS на частоте 2,1 ГГц по покрытию очень похож на GSM 1800.
Более высокие частоты являются недостатком, когда речь идет о покрытии, но это несомненное преимущество, когда речь идет о емкости. Пикосоты, покрывающие, например, один этаж здания, становятся возможными, и одна и та же частота может использоваться для сот, которые фактически являются соседями.
Зона обслуживания соты также может меняться из-за помех от передающих систем, как внутри, так и вокруг этой соты. Это особенно актуально для систем на основе CDMA. Приемнику требуется определенное отношение сигнал/шум , а передатчик не должен отправлять данные со слишком высокой мощностью передачи, чтобы не создавать помех другим передатчикам. По мере того, как приемник удаляется от передатчика, принимаемая мощность уменьшается, поэтому алгоритм управления мощностью передатчика увеличивает передаваемую им мощность, чтобы восстановить уровень принимаемой мощности. По мере того, как помехи (шумы) превышают принимаемую мощность от передатчика, а мощность передатчика больше не может быть увеличена, сигнал становится искаженным и в конечном итоге 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 — « дыхание соты» .
Примеры покрытия сотовой связью можно увидеть, изучив некоторые карты покрытия, предоставленные реальными операторами на их веб-сайтах, или взглянув на независимые краудсорсинговые карты, такие как Opensignal или CellMapper. В некоторых случаях они могут отмечать местоположение передатчика; в других случаях его можно рассчитать, определив точку самого сильного покрытия.
Сотовый ретранслятор используется для расширения покрытия сотовой связи на большие площади. Они варьируются от широкополосных ретрансляторов для потребительского использования в домах и офисах до интеллектуальных или цифровых ретрансляторов для промышленных нужд.
В следующей таблице показана зависимость зоны покрытия одной соты от частоты сети CDMA2000 : [21]
Списки и техническая информация:
Начиная с EVDO, для повышения производительности можно также использовать следующие методы:
Оборудование:
Другой:
