Сотовая сеть или мобильная сеть — это телекоммуникационная сеть , в которой связь с конечными узлами является беспроводной , а сеть распределена по наземным территориям, называемым ячейками , каждая из которых обслуживается как минимум одним приемопередатчиком с фиксированным местоположением (обычно три сотовых узла или базовые приемопередающие станции). ). Эти базовые станции обеспечивают соте покрытие сети, которое можно использовать для передачи голоса, данных и других типов контента. Ячейка обычно использует набор частот, отличный от соседних ячеек, чтобы избежать помех и обеспечить гарантированное качество обслуживания внутри каждой соты. [ нужна ссылка ] [1]
Объединенные вместе, эти ячейки обеспечивают радиопокрытие на обширной географической территории. Это позволяет многочисленным портативным трансиверам (например, мобильным телефонам , планшетам и ноутбукам , оснащенным мобильными широкополосными модемами , пейджерами и т. д.) взаимодействовать друг с другом, а также со стационарными трансиверами и телефонами в любой точке сети через базовые станции, даже если некоторые из Приемопередатчики во время передачи перемещаются через более чем одну ячейку.
Сотовые сети предлагают ряд желательных функций: [1]
Крупнейшие телекоммуникационные провайдеры развернули сотовые сети для передачи голоса и данных на большей части населенной территории Земли . Это позволяет подключать мобильные телефоны и мобильные компьютерные устройства к коммутируемой телефонной сети общего пользования и общедоступному доступу в Интернет . Частные сотовые сети могут использоваться для исследований [3] или для крупных организаций и автопарков, например, для отправки в местные органы общественной безопасности или компании такси. [2]
В системе сотовой радиосвязи земельный участок, на котором будут предоставляться услуги радиосвязи, делится на ячейки по схеме, зависящей от местности и характеристик приема. Эти шаблоны ячеек примерно принимают форму правильных форм, таких как шестиугольники, квадраты или круги, хотя шестиугольные ячейки являются традиционными. Каждой из этих ячеек присвоено несколько частот ( f 1 – f 6 ), которым соответствуют соответствующие базовые радиостанции . Группа частот может повторно использоваться в других ячейках при условии, что одни и те же частоты не будут повторно использоваться в соседних ячейках, что может вызвать внутриканальные помехи .
Повышенная пропускная способность сотовой сети по сравнению с сетью с одним передатчиком обусловлена системой коммутации мобильной связи, разработанной Амосом Джоэлом из Bell Labs [4] , которая позволяла нескольким абонентам в данной области использовать одну и ту же частоту путем переключения вызовов. до ближайшей доступной вышки сотовой связи, имеющей доступную частоту. Эта стратегия жизнеспособна, поскольку данная радиочастота может быть повторно использована в другой области для несвязанной передачи. Напротив, один передатчик может обрабатывать только одну передачу на данной частоте. Неизбежно возникает некоторый уровень помех со стороны сигнала других ячеек, использующих ту же частоту. Следовательно, между ячейками, которые повторно используют одну и ту же частоту, в стандартной системе множественного доступа с частотным разделением каналов (FDMA) должен быть по крайней мере один зазор между ячейками .
Рассмотрим случай с компанией такси, где каждое радио имеет ручку выбора каналов с ручным управлением для настройки на разные частоты. По мере перемещения водителей они переключаются с канала на канал. Водители знают, какая частота примерно покрывает ту или иную территорию. Когда они не получают сигнал от передатчика, они пробуют другие каналы, пока не найдут тот, который работает. Таксисты говорят только по одному, когда их приглашает оператор базовой станции. Это форма множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA).
История технологии сотовых телефонов началась 11 декабря 1947 года с внутренней записки, написанной Дугласом Х. Рингом , инженером Bell Labs, в которой он предложил AT&T разработать систему сотовой телефонной связи. [5]
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 и охватила все население Японии и стала первой общенациональной сетью 1G. Это была аналоговая беспроводная сеть . Bell System развивала сотовую технологию с 1947 года и до 1979 года имела сотовые сети в Чикаго и Далласе , но коммерческое обслуживание было отложено из-за распада Bell System , а активы сотовой связи были переданы региональным операционным компаниям Bell .
Беспроводная революция началась в начале 1990-х годов, [6] [7] [8] что привело к переходу от аналоговых сетей к цифровым . [9] Это стало возможным благодаря достижениям в технологии MOSFET . МОП-транзистор, 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 распространением мощных МОП-транзисторов , LDMOS ( ВЧ-усилителей ) и RF-CMOS ( RF-схемы ) устройства, ведущие к развитию 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 этом секторе, поскольку новые операторы бросили вызов существующим операторам аналоговых сетей 1G.
Чтобы различать сигналы от нескольких разных передатчиков, используется множественный доступ с частотным разделением каналов (FDMA, используется в аналоговых системах и системах D-AMPS ) , множественный доступ с временным разделением каналов (TDMA, используется в GSM ) и множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA) . , впервые использованный для PCS и основы 3G ). [1]
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 связи между базовой станцией и другой для мобильной связи), чтобы обеспечить полнодуплексную работу. Исходные системы AMPS имели 666 пар каналов, по 333 для системы CLEC «A» и системы ILEC «B». Количество каналов было расширено до 416 пар на оператора связи, но в конечном итоге количество радиочастотных каналов ограничивает количество вызовов, которые может обработать сотовый узел. FDMA — это знакомая технология телефонным компаниям, которые использовали частотное мультиплексирование для добавления каналов к своим станциям проводной связи «точка-точка» до того, как мультиплексирование с временным разделением сделало FDM устаревшим.
При использовании 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 речевых данных, которые укладываются в временные интервалы для передачи и расширяются на принимающей стороне для создания несколько нормально звучащего голоса на приемнике. TDMA должна вводить задержку (задержку) в аудиосигнал. Пока время задержки достаточно короткое, чтобы задержанный звук не воспринимался как эхо, это не является проблемой. TDMA — это знакомая технология телефонным компаниям, которые использовали мультиплексирование с временным разделением каналов для добавления каналов к своим станциям проводной связи «точка-точка» до того, как коммутация пакетов сделала FDM устаревшим.
Принцип CDMA основан на технологии расширения спектра , разработанной для использования в военных целях во время Второй мировой войны и усовершенствованной во время холодной войны до расширения спектра прямой последовательности , который использовался в ранних сотовых системах CDMA и Wi-Fi . DSSS позволяет одновременно вести несколько телефонных разговоров по одному широкополосному радиочастотному каналу без необходимости распределять их по времени или частоте. Несмотря на то, что CDMA более сложна, чем старые схемы множественного доступа (и незнакома устаревшим телефонным компаниям, поскольку она не была разработана Bell Labs ), она хорошо масштабируется и стала 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 , обеспечивают гораздо большую способность пространственного мультиплексирования по сравнению с оригинальными ячейками AMPS, которые обычно адресованы только одному-трем уникальным пространствам. Массовое развертывание MIMO обеспечивает гораздо большее повторное использование канала, тем самым увеличивая количество подписчиков на сотовый узел, увеличивая пропускную способность данных на пользователя или некоторую их комбинацию. Модемы с квадратурной амплитудной модуляцией (QAM) предлагают все большее количество битов на символ, что позволяет увеличить количество пользователей на мегагерц полосы пропускания (и децибел SNR), увеличить пропускную способность данных на пользователя или некоторую комбинацию всего этого.
Ключевой характеристикой сотовой сети является возможность повторного использования частот 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. [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. 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 более мелкие ячейки. [14]
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). [15]
В случае N секторных антенн на одной и той же площадке базовой станции, каждая из которых имеет разное направление, площадка базовой станции может обслуживать N разных секторов. N обычно равно 3. Шаблон повторного использования N /K означает дальнейшее разделение по частоте между N антеннами сектора на сайт. Некоторые текущие и исторические модели повторного использования: 3/7 (Североамериканский AMPS), 6/4 (Motorola NAMPS) и 3/4 ( GSM ).
Если общая доступная полоса пропускания равна B , каждая ячейка может использовать только несколько частотных каналов, соответствующих полосе пропускания B/K , а каждый сектор может использовать полосу пропускания B/NK .
Системы множественного доступа с кодовым разделением каналов используют более широкую полосу частот для достижения той же скорости передачи, что и FDMA, но это компенсируется возможностью использования коэффициента повторного использования частоты, равного 1, например, с использованием шаблона повторного использования 1/1. . Другими словами, соседние базовые станции используют одни и те же частоты, а разные базовые станции и пользователи разделяются кодами, а не частотами. Хотя в этом примере N показано как 1, это не означает, что сота CDMA имеет только один сектор, а скорее, что вся полоса пропускания соты также доступна каждому сектору в отдельности.
В последнее время также развертываются системы множественного доступа на основе ортогонального частотного разделения, такие как LTE , с повторным использованием частоты, равным 1. Поскольку такие системы не распределяют сигнал по полосе частот, управление радиоресурсами между ячейками важно для координации распределения ресурсов между различными сотовые сайты и ограничить межсотовые помехи. Существуют различные средства координации межсотовых помех (ICIC), уже определенные в стандарте. [16] Координированное планирование, многосайтовый MIMO или многосайтовое формирование диаграммы направленности являются другими примерами управления радиоресурсами между сотами, которые могут быть стандартизированы в будущем.
Вышки сотовой связи часто используют направленный сигнал для улучшения приема в зонах с интенсивным трафиком. В США Федеральная комиссия по связи (FCC) ограничивает мощность всенаправленных сигналов вышек сотовой связи до 100 Вт. Если вышка имеет направленные антенны, FCC позволяет оператору сотовой связи излучать до 500 Вт эффективной излучаемой мощности (ERP). [17]
Хотя первоначальные вышки сотовой связи создавали равномерный всенаправленный сигнал, находились в центрах ячеек и были всенаправленными, карту сотовой связи можно перерисовать, разместив вышки сотовой связи в углах шестиугольников, где сходятся три ячейки. [18] Каждая вышка имеет три набора направленных антенн, направленных в трех разных направлениях по 120 градусов на каждую ячейку (всего 360 градусов) и принимающих/передающих в три разные ячейки на разных частотах. Это обеспечивает минимум три канала и три башни для каждой соты и значительно увеличивает шансы на получение полезного сигнала хотя бы с одного направления.
Цифры на иллюстрации — это номера каналов, которые повторяются каждые 3 ячейки. Большие ячейки могут быть разделены на более мелкие ячейки для областей большого объема. [19]
Компании сотовой связи также используют этот направленный сигнал для улучшения приема на автомагистралях и внутри зданий, таких как стадионы и арены. [17]
Практически каждая сотовая система имеет какой-то механизм вещания. Это можно использовать непосредственно для распространения информации на несколько мобильных телефонов. Обычно, например, в системах мобильной телефонии , наиболее важным использованием широковещательной информации является установка каналов для однозначной связи между мобильным приемопередатчиком и базовой станцией. Это называется пейджингом . Обычно применяются три различные процедуры поискового вызова: последовательный, параллельный и выборочный.
Детали процесса пейджинга несколько различаются от сети к сети, но обычно мы знаем ограниченное количество ячеек, в которых находится телефон (эта группа ячеек называется областью местоположения в системе GSM или UMTS или областью маршрутизации, если используется пакетная сессия данных; в LTE ячейки группируются в области отслеживания). Пейджинг осуществляется путем отправки широковещательного сообщения всем этим ячейкам. 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 примитивной системе такси, когда такси удалялось 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, таксист просил оператора базовой станции повторить сообщение на другой частоте.
В сотовой системе, когда распределенные мобильные приемопередатчики перемещаются из соты в соту во время непрерывной связи, переключение с одной частоты соты на другую частоту соты осуществляется электронным способом без перерыва и без участия оператора базовой станции или ручного переключения. Это называется передачей обслуживания или передачей обслуживания. Обычно новый канал автоматически выбирается для мобильного устройства на новой базовой станции, которая будет его обслуживать. Затем мобильное устройство автоматически переключается с текущего канала на новый, и связь продолжается.
Точные детали перемещения мобильной системы от одной базовой станции к другой значительно различаются от системы к системе (см. пример ниже, как сеть мобильной телефонной связи управляет передачей обслуживания).
Наиболее распространенным примером сотовой сети является сеть мобильных телефонов (сотовых телефонов). Мобильный телефон — это портативный телефон, который принимает или совершает вызовы через станцию сотовой связи (базовую станцию) или передающую вышку. Радиоволны используются для передачи сигналов на сотовый телефон и обратно.
Современные сети мобильной связи используют соты, поскольку радиочастоты являются ограниченным общим ресурсом. Сотовые станции и мобильные телефоны меняют частоту под управлением компьютера и используют передатчики малой мощности, так что обычно ограниченное количество радиочастот может одновременно использоваться многими абонентами с меньшими помехами.
Сотовая сеть используется оператором мобильной связи для обеспечения как покрытия, так и пропускной способности своих абонентов. Большие географические области разделены на более мелкие ячейки, чтобы избежать потери сигнала 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 радиус действия каждой ячейки может составлять примерно до 1 ⁄ мили ( 0,80 км), а в сельской местности радиус действия может достигать 5 миль (8,0 км). Вполне возможно, что на открытых открытых пространствах пользователь может принимать сигналы от сотовой станции, находящейся на расстоянии 25 миль (40 км). В сельских районах с низкочастотным покрытием и высокими башнями базовая услуга голосовой связи и обмена сообщениями может достигать 50 миль (80 км) с ограничениями на полосу пропускания и количество одновременных вызовов. [ нужна цитата ]
Поскольку почти все мобильные телефоны используют технологии сотовой связи , включая GSM , CDMA и AMPS (аналоговые), термин «сотовый телефон» в некоторых регионах, особенно в США, используется как синоним термина «мобильный телефон». 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), служба пакетной радиосвязи общего пользования (GPRS), cdmaOne , CDMA2000 , оптимизация данных для эволюции (EV-DO), повышенная скорость передачи данных для эволюции GSM ( EDGE), Универсальная система мобильной связи (UMTS), Улучшенная цифровая беспроводная связь (DECT), Цифровой AMPS (IS-136/TDMA) и Интегрированная цифровая расширенная сеть (iDEN). Переход от существующего аналогового стандарта к цифровому в Европе и США шел совершенно по-разному . [20] Как следствие, в США появилось множество цифровых стандартов, в то время как Европа и многие страны перешли к стандарту GSM .
Простое представление о сотовой сети мобильной радиосвязи состоит из следующего:
Эта сеть является основой сети системы GSM . Эта сеть выполняет множество функций, чтобы гарантировать получение клиентами желаемой услуги, включая управление мобильностью, регистрацию, установку вызова и передачу обслуживания .
Любой телефон подключается к сети через RBS ( базовую радиостанцию ) в углу соответствующей соты, которая, в свою очередь, подключается к центру коммутации мобильной связи (MSC). MSC обеспечивает подключение к коммутируемой телефонной сети общего пользования (PSTN). Связь между телефоном и RBS называется восходящей линией связи , а другой путь — нисходящей линией связи .
Радиоканалы эффективно используют среду передачи за счет использования 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. доступ (СДМА).
Малые соты, которые имеют меньшую зону покрытия, чем базовые станции, подразделяются на следующие категории:
Когда пользователь телефона перемещается из одной зоны сотовой связи в другую во время вызова, мобильная станция будет искать новый канал, к которому можно подключиться, чтобы не сбрасывать вызов. Как только новый канал будет найден, сеть даст команду мобильному устройству переключиться на новый канал и в то же время переключит вызов на новый канал.
При использовании CDMA несколько телефонов CDMA используют один и тот же радиоканал. Сигналы разделяются с помощью псевдошумового кода (PN-кода), специфичного для каждого телефона. Когда пользователь перемещается из одной соты в другую, телефон одновременно устанавливает радиосвязь с несколькими сотовыми узлами (или секторами одного и того же узла). Это известно как «мягкая передача обслуживания», поскольку, в отличие от традиционной сотовой технологии , не существует какой-либо определенной точки, в которой телефон переключается на новую соту.
В межчастотных передачах обслуживания IS-95 и более старых аналоговых системах, таких как NMT , обычно невозможно протестировать целевой канал непосредственно во время связи. В этом случае необходимо использовать другие методы, такие как пилотные маяки в ИС-95. Это означает, что почти всегда происходит кратковременный перерыв в общении при поиске нового канала, сопровождаемый риском неожиданного возврата на старый канал.
Если непрерывная связь отсутствует или связь может быть прервана, мобильное устройство может самопроизвольно переместиться из одной соты в другую, а затем уведомить базовую станцию самым сильным сигналом.
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 покрытия легкой городской застройки. GSM 1800 (1,8 ГГц) начинает ограничиваться несущими стенами. UMTS на частоте 2,1 ГГц по охвату очень похож на GSM 1800.
Более высокие частоты являются недостатком, когда речь идет о покрытии, но это явное преимущество, когда речь идет о пропускной способности. Становятся возможными пикосоты, покрывающие, например, один этаж здания, и одну и ту же частоту можно использовать для ячеек, которые практически являются соседями.
Зона обслуживания сотовой связи также может меняться из-за помех от передающих систем как внутри, так и вокруг этой соты. Это особенно верно для систем на базе CDMA. Приемнику требуется определенное соотношение сигнал/шум , а передатчик не должен передавать сигнал 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 передаваемую мощность, чтобы восстановить уровень принимаемой мощности. Поскольку помехи (шум) превышают мощность, полученную от передатчика, и мощность передатчика больше невозможно увеличить, сигнал становится искаженным 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 « дыхание ячейки» .
Примеры покрытия сотовой связи можно увидеть, изучив некоторые карты покрытия, предоставленные реальными операторами на их веб-сайтах, или просмотрев независимые краудсорсинговые карты, такие как Opensignal или CellMapper. В некоторых случаях они могут отмечать местонахождение передатчика; в других случаях его можно рассчитать, определив точку наибольшего покрытия.
Сотовый ретранслятор используется для расширения покрытия сотовой связи на большие территории. 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:
