Клетъчна мрежа
от Уикипедия, свободната енциклопедия
Съдържание |
[редактиране] Клетъчна Мрежа
Клетъчната мрежа, представлява радио мрежа, направена между няколко радио клетки (или просто клетки), всяка от които обслужвана от настроен предавател, познат като клетъчна станция или базова станция. Тези клетки се изпозват за покриване на различни площи с цел осигуряването на по-широко радио покритие от покритието на една клетка. Клетъчните мрежи са асиметрични и имат комплект от настроени главни приемо-предавателни устройства, всяко обслужващо клетка и комплект от (в повечето случай но не винаги) мобилни приемо-предаватели с различно местоположение, които обслужват потребителите.
Клетъчните мрежи предлагат редица предимства пред другите им алтернативи:
- повишен капацитет
- понижен разход на енергия
- по-широко покритие
Добър (и прост) пример за клетъчна система е системата на радиата на шофьорите на старите таксита, при които компанията за таксита има няколко приемо-предавателя в града, всеки управляван от отделен оператор.
[редактиране] Основни Характеристики
Основното изискване за създаването на успешна клетъчна мрежа е да има развит и стандартизиран метод за да може всяка отделна станция да различава сигнала, произведен от нейния собствен приемо-предавател, от другите сигнали, получени от други приемо-предаватели. Понастоящем има две стандартизирани решения на този проблем:
- честотно деление на многократния достъп (FDMA) и;
- кодово деление на многократния достъп (CDMA).
FDMA работи, използвайки различни честоти за всяка съседна клетка. Чрез настройване към честотата на избрана клетка отделните станций могат да избегнат сигнала от други клетки. Принципът на CDMA е по-сложен, но дава същият резълтат; отделните приемо-предаватели могат да изберат една клетка и да я слушат. Други различни методи за мултиплексизация, като поларизационно деление на многократния достъп (PDMA) и времево деление на многократния достъп (TDMA) не могат да бъдат използвани за разделяне на сигналите от една клетка към следващата, тъй като ефекта на двете варира с позиция и това би направило отделянето на сигнала на практика невъзможно. Въпреки всичко времево деление на многократния достъп, се използва в комбинация FDMA или CDMA в редица систели за да даде многобройни канали в покривната площ на клетката.
В случая на гореспоменатите компаний за таксита, всяко радио си има копче. Копчето действа, като канален превключвател и позволява на радиото да се настройва на различни честоти. Когато се движат наколо, шофьорите сменят от канал на канал. Шофьорите знаят, горе-долу коя честота каква площ покрива. Когато не получат сигнал от приемо-предавателя, те пробват други канали за да разберат, кой от тях работи. Таксиметровите шофьори могат да говорят само по един, когато са поканени от оператора (в известен смисъл TDMA).
[редактиране] Съобщения за излъчване и страниране
На практика всяка клетъчна система си има някакъв вид излъчващ механизъм. Той може да бъде използван директно за подаване на информация до множество мобили, най-често, за пример в системите за мобилна телефония най-важната задача на излъчваната информация е да нагласи каналите за комуникация (едно към едно) между мобилния приемо-предавател и базовата станция. Това се нарича страниране.
Детайлите на процеса на страниране варират до известна степен от мрежа до мрежа, но ние знаем ограничен брой клетки, там където се намира телефона (тази група от клетки се нарича Местоположение в системата на GSM-ите или UMTS системата, или Разпределителна Зона, ако има трансфер на информация). Странирането изпраща съобщения до всички тези клетки. Съобщенията на странирането могат да бъдат използвани за информационен трансфер. Това се случва при пейджърите, в CDMA системите за изпращане на SMS (Short Message System), и в UMTS системата, където то позволява за ниска латентност на downlink-овете в пакетно-базирани връзки.
Много добър пример тук е таксиджийската мрежа. Излъчващата способност често е използва за да съобщи пътните условия и за да каже кога има клиенти. От друга страна има списък с тксита, чакащи за работа. Когато определено изяви желание да вземе клиента, оператора съобщава номера му в ефир. Тогава оператора му съобщава адреса на който трябва то да отиде.
[редактиране] Реизползване на Честотата
Повишеният капацитет в една клетъчна мрежа, в сравнение с мрежа с единичен приемо-предавател, произтича от факта, че същата радиочестота може да бъде използвана отново в различна зона за корено различно предаване. Ако има единичен приемо-предавател на дадена честота може да бъде използване само една трансмисия. За съжаление, до накаква степен, има смущения от сигнала от другите клетки, които използват същата честота. Това означава, че в стандартна FDMA система, трябва даима поне една клетк разстояние между клетки, използващи еднаква честота.
Факторът за реизползване на честотата е степента на която същите честоти могат да бъдат използвани в мрежата. Той се изразява с 1/K, където K е броят на клетките които не могат да използват същите честоти за трансмисия. Обикновените стойности са 1/3, 1/4, 1/7, 1/9 и 1/12 (или 3, 4, 7, 9 и 12, в зависимост от нотацията).
В случай, че има N на брой антени в сектора на една и съща станция, всяка с различна посока базовата станция може да обслужва N различни клетки. N е типично 3.Образеца за Повторно Използване N/K обозначават N сектор антени в дадена станция. Обикновените образци за Повторно Използване са 3/3, 3/9 и 3/12.
Ако общият наличен диапазон е B, всяка клетка може да използва само номера на честотните канали, отговарящи на диапазона B/K и всяка базова станция може да използва диапазона BN/K.
CDMA-базираните системи използват по-широк честотен диапазон за да достигнат същата норма на излъчвание като FDMA, но това се компенсира от способността честп да има фактор на повторно използване на честотата 1. С други думи, всяка клетка използва стщата честота, а различните системи са разделени от кодове, а не от честоти.
В зависимост от големината на града, таксиметровата система може да няма преизползване на честотата в нейния град, но със сигурност има в близките градове. От друга страна, в голям град, преизползването на честотата може да бъде от голяма полза.
[редактиране] Движение от клетка на клетка и handover
Използването на много клетки означава, че ако отделните приемо-предаватели са мобилни и се движат от една точка към друга, те също трябва да сменят една клетка с друга. Механизма за това е различен. в зависимост от типа на мрежате и обстоятелствата на смяната. Например: Ако в момента тече продължителна комуникация и не искаме да я прекъсваме, трябва да се положи огромна грижа за да се избегне прекъсване. В този случай трябва да има перфектна координация между базовата станция и мобилната станция. Типично такива системи използват някакъв вид многократен достъп, независим във всяка клетка, така че в ранна фаза на такъв handover да запази нов канал за мобилната станция на новата базова станция, която ще го обслужва. Тогава мобила мърда от канала на неговата базова станция до новия канал и от този момент комуникацията е възможна. Точните детайли на движението на мобилните системи от една базова станция до друга варират решително от система на система. На пример във всичи GSM handover-и и W-CDMA интер-честотните handover-и мобилната станция измерва, канала, който трябва да използва преди да продължи нататък. Щом е потвърдено, че канала става, мрежата издава команда до станцията да се премести на нов канал и в същоъо време да започне двупосочна комуникация там, за да е сигурно, че няма да има нарушаване на комуникацията. В CDMA2000 и W-CDMA едно-честотни handoverи, двата канала всъщност ще бъдат използвани по едно и също време(това се нарича мек handover или мек handoff). В IS-95 интер-честотните handoverи и по-старите аналогови системи, като NMT ще бъде невъзможно да се измери канала директно докато комуникира. В този случай трябва да бъдат използвани други техники such as pilot beacons in IS-95. This means that there is almost always a brief break in the communication whilst searching for the new channel followed by the risk of an unexpected return to the old channel.
If there is no ongoing communication or the communication can be interrupted, it is possible for the mobile station to spontaneously move from one cell to another and then notify the network if needed.
In the case of the primitive taxi system that we are studying, handovers won't really be implemented. The taxi driver just moves from one frequency to another as needed. If a specific communication gets interrupted due to a loss of a signal then the taxi driver asks the controller to repeat the message. If one single taxi driver misses a particular broadcast message (e.g. a request for drivers in a particular area), the others will respond instead. If nobody responds, the operator keeps repeating the request.
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 a suitable solution for light urban coverage. GSM 1800 (1.8 GHz) starts to be limited by structural walls. This is a disadvantage when it comes to coverage, but it is a decided advantage when it comes to capacity. Pico cells, covering e.g. one floor of a building, become possible, and the same frequency can be used for cells which are practically neighbours. UMTS, at 2.1 GHz is quite similar in coverage to GSM 1800. At 5 GHz, 802.11a Wireless LANs already have very limited ability to penetrate walls and may be limited to a single room in some buildings. At the same time, 5 GHz can easily penetrate windows and goes through thin walls so corporate WLAN systems often give coverage to areas well beyond that which is intended.
Moving beyond these ranges, network capacity generally increases (more bandwidth is available) but the coverage becomes limited to line of sight. Infra-red links have been considered for cellular network usage, but as of 2004 they remain restricted to limited point-to-point applications.
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. As the receiver moves away from the transmitter, the power transmitted is reduced. As the interference (noise) rises above the received power from the transmitter, and the power of the transmitter cannot be increased any more, 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.
Old fashioned taxi radio systems, such as the one we have been studying, generally use low frequencies and high sited transmitters, probably based where the local radio station has its mast. This gives a very wide area coverage in a roughly circular area surrounding each mast. Since only one user can talk at any given time, coverage area doesn't change with number of users. The reduced signal to noise ratio at the edge of the cell is heard by the user as crackling and hissing on the radio.
To see real examples of cell coverage look at some of the coverage maps provided by real operators on their web sites; in certain cases they may mark the site of the transmitter, in others it can be located by working out the point of strongest coverage.
[редактиране] Мобилна Телефония
Най-честият пример за клетъчна мрежа е мрежата на мобилен телефон. Мобилният телефон представлява преносим телефон, който получава и извършва обаждания чрез клетъчна станция или приемо-предавателна кула. Радио Вълните са използвани за трансфер на сигнали до и от мобилния телефон. Големи географски площи (отразяващи обхвата на покритие на провайдъра) са разделени на по-малки клетки за да избегне загубата на line-of-sight сигнала и големият брой активни клетъчни телефони в областта. В градовете, всяка клетъчна станция има обхват In cities, each cell site has a range of up to approximately ½ mile, while in rural areas, the range is approximately 5 miles. Many times in clear open areas, a user may receive signal from a cell 25 miles away. Each cell overlaps other cell sites. All of the cell sites are connected to cellular telephone exchanges "switches", which in turn connect to the public telephone network or another switch of the cellular company.
As the phone user moves from one cell area to another, the switch automatically commands the handset and a cell site with a stronger signal (reported by the handset) to go to a new radio channel (frequency). When the handset responds through the new cell site, the exchange switches the connection to the new cell site.
With CDMA, multiple CDMA handsets share a specific radio channel; the signals are separated by using a pseudonoise code (PN code) specific to each phone. As the user moves from one cell to another, the handset sets up radio links with multiple cell sites (or sectors of the same site) simultaneously. This is known as "soft handoff" because, unlike with traditional cellular technology, there is no one defined point where the phone switches to the new cell.
Modern mobile phones use cells because radio frequencies are a limited, shared resource. Cell-sites and handsets change frequency under computer control and use low power transmitters so that a limited number of radio frequencies can be reused by many callers with less interference. CDMA handsets, in particular, must have strict power controls to avoid interference with each other. An incidental benefit is that the batteries in the handsets need less power.
Since almost all mobile phones use cellular technology, including GSM, CDMA, and AMPS (analog), the term "cell phone" is used interchangeably with "mobile phone"; however, an exception of mobile phones not using cellular technology is satellite phones.
Old systems predating the cellular principle may still be in use in places. The most notable real hold-out is used by many amateur radio operators who maintain phone patches in their clubs' VHF repeaters.
There are a number of different digital cellular technologies, including: Global System for Mobile Communications (GSM), General Packet Radio Service (GPRS), Code Division Multiple Access (CDMA), Evolution-Data Optimized (EV-DO), Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE), 3GSM, Digital Enhanced Cordless Telecommunications (DECT), Digital AMPS (IS-136/TDMA), and Integrated Digital Enhanced Network (iDEN).
[редактиране] Виж Също
- Advanced Mobile Phone System (AMPS)
- Base Station Subsystem - GSM radio network
- Camera Phone
- Cellular repeater
- Code Division Multiple Access (CDMA)
- Comparison of mobile phone standards
- CDMA2000
- DECT
- Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE)
- EV-DO
- GSM
- HIPERLAN
- iDEN
- IS-95
- IS-136
- Mobile telephone
- Nordic Mobile Telephone (NMT)
- Professional Mobile Radio (PMR)
- Radio resource management (RRM)
- Signal strength
- Spectral efficiency comparison table
- Systems engineering
- TETRA
- UMTS
- WCDMA
- Wireless LAN (WLAN)
- Multiple-input multiple-output communications (MIMO)