Celulární radiová síť

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání
Vrchol stožáru s anténním systémem základnové stanice

Celulární neboli buňková rádiová síť je rádiová telekomunikační síť, v níž komunikaci v rozlehlejší geografické oblasti zajišťuje množství základnových stanic, které svým dosahem vytvářejí soustavu vzájemně se překrývajících poměrně malých buněk. Název celulární pochází z latinského slova „celula“ neboli buňka.

Díky použití rádiových vln nejsou jednotlivé stanice vázány na místa, kde končí komunikační vedení, proto mluvíme o mobilních stanicích. Spojení jednotlivých buněk poskytuje rádiové pokrytí větší geografické oblasti. To umožňuje, aby větší množství přenosných stanic (např. mobilní telefony, pagery, apod.) mohlo komunikovat spolu navzájem a s pevnými stanicemi a telefony kdekoli v síti, prostřednictvím základnových stanic, i když se některé z mobilních stanic během vysílání pohybují mezi buňkami.

Každá buňka celulární sítě je obsluhována vysílačem a přijímačem, které pokrývají určité území, jenž navazuje na území pokryté jinými buňkami (vysílači). Mobility management sítě vhodným způsobem automaticky přepojuje mobilního účastníka mezi jednotlivými buňkami, aby mohl používat služby sítě bez potřeby manuálního přepínání a výběru jednotlivých vysílačů. Celulární radiové sítě se používají pro přenos hovorů a dat a je možné je dále dělit na veřejné (např. sítě mobilních telefonů) a neveřejné (firemní sítě, policie, atd.).

V České republice byla jako první veřejná celulární síť zprovozněna síť NMT 450 firmy Eurotel v posledním desetiletí dvacátého století. V současné době se provozují sítě GSM, UMTS, CDMA a v neveřejných službách pak systémy na bázi MATRA, TETRA, TETRAPOL, MPT1327, SmartNet a další.

Celulární systémy pracují kmitočtech od 300 MHz do cca 3 GHz.

Struktura mobilní sítě 2.5G

Buňkové sítě mají následující výhody oproti jiným řešením:

  • jsou dostatečně flexibilní, aby používaly vlastnosti a funkce dostupné ve většině veřejných i privátních sítí[1]
  • větší kapacita
  • menší potřebný vysílací výkon
  • větší oblast pokrytí
  • omezené rušení jinými signály

Příklad jednoduchého buňkového systém, který je předchůdcem mobilních telefonních sítí je rádiový systém používaný taxislužbou. Společnost provozující taxislužbu má několik vysílačů rozmístěných po městě, které mohou komunikovat spolu navzájem.

Koncept[editovat | editovat zdroj]

Příklad znovupoužití kmitočtů s faktorem 1/4

Aby uživatel telefonu nebyl vázán pouze na místa, kde je k dispozici telefonní vedení, používají mobilní telefony pro komunikaci rádiové vlny. Rádiové vlny mají omezený dosah, který závisí na mnoha faktorech; mezi nejvýznamnější patří:

  • výkon vysílače
  • zisk vysílací antény
  • kmitočet
  • prostředí šíření vln (nejlepší ve volném prostoru, přes zeminu, vodu, zdi je šíření velmi špatné)
  • vzdálenost
  • zisk přijímací antény
  • citlivost přijímače

Pokud by mobilní telefony komunikovaly spolu přímo, dosažení potřebných parametrů by šlo na úkor pohodlí uživatele (větší výkon větší odběr z baterie nižší výdrž nebo větší hmotnost baterie; lepší anténa rozměrnější s nutností směrování; lepší prostředí pro šíření vln telefonovat ze střechy nebo z rozhledny). Proto mobilní telefony komunikují se základnovými stanicemi, které mohou používat vyšší výkon vysílače, kvalitnější přijímač, směrové antény s vyšším ziskem umístěné vysoko na terénem. Pro pokrytí území většího než několik desítek kilometrů čtverečních je potřeba použít více základnových stanic, které zajistí, že mobilní telefon je vždy dostatečně blízko od nejméně jedné z nich.

Buňkový rádiový systém. Geografická oblast, která má být pokryta rádiovou službou je rozdělena na buňky pravidelných tvarů, které mohou být šestiúhelníkové, čtvercové, kruhové nebo jiných pravidelných tvarů, ale šestiúhelníkové buňky jsou nejpoužívanější. Každé z buněk je přiděleno několik kmitočtů (f1 - f6), které mají odpovídající rádiové základnové stanice. Stejné kmitočty mohou být použity v jiných buňkách, za předpokladu, že stejné kmitočty nejsou znovu použity v sousedních buňkách což by způsobovalo mezikanálové rušení.

Zvětšená kapacita buňkové sítě v porovnání se sítí s jedním vysílačem pramení z faktu, že stejné radiové kmitočty mohou být znovu použity v různých oblastech pro úplně jiná vysílání. V případě jediného vysílače, pouze jeden přenos vysílání mohou být použity na libovolném kmitočtu. Naneštěstí existuje nevyhnutelně určitá úroveň rušení signálem z ostatních buněk, které používají stejné kmitočet. Proto u FDMA systémů musí být mezi dvěma buňkami, které používají stejný kmitočet, aspoň jedna buňka, která jej nepoužívá.

V jednoduchém případě rádiové sítě taxislužby, umožňuje každá stanice ruční výběr kanálu. Když řidič přejede z oblasti pokryté jednou základnovou stanicí do jiné, musí přeladit na jiný kanál. Řidiči vědí, jaký kmitočet přibližně pokrývá jakou oblast. Když nemohou zachytit signál ze základnové stanice, zkoušejí další kanály, dokud nenajdou kanál v němž je dostatečně silný signál základnové stanice. V každém okamžiku může vysílat pouze jeden taxikář, ten, který je vybrán operátorem základnové stanice (což funguje jako time division multiple access (TDMA)).

Kódování buňkových signálů[editovat | editovat zdroj]

Pro rozlišení signálů z několika různých vysílačů se používá kmitočtové dělení (FDMA) a kódové dělení (CDMA).

U FDMA se vysílací a přijímací kmitočty použité v každé buňce liší od kmitočtů použitých v sousedních buňkách. V jednoduché síti taxislužby taxikář musí ručně přeladit na kmitočet zvolené buňky, aby komunikoval se stanicí, která má nejsilnější signál, a která není rušena signály z jiných buněk.

Princip CDMA je složitější, ale výsledek je stejný: mobilní stanice si mohou vybrat jednu buňku, se kterou budou komunikovat.

Ostatní metody multiplexování, jako polarization division multiple access (PDMA) a time division multiple access (TDMA), nelze použít pro oddělení signálu z jedné buňky od jiných, protože efekt obou se liší podle místa. Time division multiple access se však v mnoha systémech používá v kombinaci s FDMA nebo CDMA pro zvětšení počtu komunikačních kanálů v jedné buňce.

Znovupoužití kmitočtů[editovat | editovat zdroj]

Klíčovou charakteristikou buňkové sítě je možnost používat stejný kmitočet v různých buňkách pro zvýšení jak pokrytí a kapacitu. Jak je uvedeno výše, sousední buňky musí používat různé kmitočty, ale není problém, aby dvě vzdálenější buňky používaly stejné kmitočet. Faktory, které ovlivňují znovupoužitelnost kmitočtů jsou bezpečnostní vzdálenost a reuse faktor.

Bezpečnostní vzdálenost (reuse distance) D se počítá podle vzorce

D=R\sqrt{3N},\,

kde R je poloměr buňky a N je počet buněk ve skupině, která používá odlišné kmitočty. Poloměr buněk může kolísat v rozsahu 1 km až 30 km. Okraje buněk se navíc musí překrývat a velké buňky mohou být rozděleny na menší[2].

Faktor znovupoužití kmitočtu je poměr, v němž stejné kmitočty mohou být použity v síti. Vyjadřuje se jako 1/K (u některých autorů K), kde K je počet buněk, které nemohou používat stejné kmitočty pro vysílání. Obvyklé hodnoty pro faktor kmitočtového znovupoužití jsou 1/3, 1/4, 1/7, 1/9 a 1/12 (nebo 3, 4, 7, 9 a 12 podle způsobu zápisu)[3].

Při použití N sektorových antén nasměrovaných do různých směrů z jedné základnové stanice, může základnová stanice obsluhovat N sektorů. N je obvykle 3. reuse pattern N/K označuje další rozdělení kmitočtu mezi N sektorových antén na základnovou stanici. Mezi poměry používané v současných a historických sítích jsou 3/7 (severoamerický AMPS), 6/4 (NAMPS firmy Motorola), a 3/4 (GSM).

Pokud celková dostupná šířka pásma je B, může každá buňka používat nejvýše pásmo šířky B/K, a každý sektor pásmo šířky B/NK.

Systémy používající kódový multiplex (anglicky Code division multiple access, CDMA) používají širší kmitočtové pásmo pro dosažení stejné rychlosti vysílání jako FDMA, což je ale vyrovnáno schopností používat faktor kmitočtového znovuvyužití 1, například s reuse pattern 1/1. Jinými slovy, sousední základnové stanice používají stejné kmitočty, a různé základnové stanice a uživatelé jsou rozlišeny pomocí kódů místo kmitočtů. I když N je v tomto případě 1, neznamená to, že CDMA buňka má pouze jeden sektor, ale celá šířka pásma buňky je dostupná v každém sektoru.

Podle velikosti města, rádiový systém taxislužby nemusí opakovaně používat stejné kmitočty v jednom městě, ale v jiných městech mohou být použity stejné kmitočty. Naproti tomu ve velkých městech bude nutné, aby se stejný kmitočet používal ve více místech.

V poslední době se používají i systémy využívající ortogonální multiplex s kmitočtovým dělením jako LTE s kmitočtovým znovupoužitím 1. Protože takové systémy nešíří signál v různých kmitočtové pásmo, mezibuňkový management rádiových prostředků musí být použit pro koordinaci přidělování prostředků mezi základnovými stanicemi a pro omezení mezibuňkového rušení. Existují různé prostředky Inter-cell Interference Coordination (ICIC) definované různými standardy[4]. Koordinované plánování, MIMO pro vícesektorové antény stejně jako tvarování vyzařovacího diagramu jsou další příklady správy mezibuňkových rádiových prostředků, které mohou být v budoucnu standardizovány.

Použití směrových antén[editovat | editovat zdroj]

I když původní anténní stožáry základnových stanic byly uprostřed buňky a používaly všesměrové antény, mapa buněk může být překreslena se základnovými stanicemi umístěnými v místě, kde se stýkají tři buňky[5]. Každá věž má tři sady směrových antén nasměrované do tří různých směrů, která se liší o 120° pro každou buňku (celkem 360°) a přijímají/vysílají do třech různých buněk na různých kmitočtech. To poskytuje minimálně tři kanály (ze tří věží) pro každou buňku. Čísla na obrázku jsou čísla kanálů, které se opakují každé 3 buňky. Větší buňky mohou být dále rozděleny na menší v místech, kde se očekává větší provoz[6].

Broadcast zprávy a stránkování[editovat | editovat zdroj]

Prakticky každý buňkový systém používá nějakou metodu vysílání pro všechny (broadcast). To může být použito přímo pro distribuci informací více mobilním stanicím, například v systémech mobilní telefonie, ale nejdůležitější použití všeobecného vysílání je pro předávání informací o kanálu, který má používat mobilní stanice pro komunikaci se základnovou stanicí. Tento postup se nazývá stránkování. Používají se tři způsoby stránkování: sekvenční, paralelní a selektivní.

V různých sítích se detaily procesu stránkování liší, ale obvykle je známý omezený počet buněk, kde se může telefon nacházet (tato skupina buněk se v GSM a UMTS nazývá Location Area, v GPRS (paketová data) se nazývá Routing Area; u LTE, jsou buňky seskupeny do tak zvaných Tracking Areas). Stránkování se provádí posíláním broadcast zpráv všem těmto buňkám. Stránkovací zprávy mohou být použity i pro přenos informací. To se stává u pagerů, v CDMA2000 systémech pro posílání SMS zpráv, a v UMTS sítích, kde umožňuje dosažení nízké latence pro downlink v paketových spojeních.

Přechod mezi buňkami a handover[editovat | editovat zdroj]

V jednoduchém rádiovém systému taxislužby, když taxi vyjede z prostoru pokrytého signálem jedné základnové stanice do prostoru pokrytého jinou, taxikář musí ručně přeladit z jednoho kmitočtu na jiný podle potřeby. Pokud byla komunikace přerušena kvůli ztrátě signálu, taxikář musí požádat operátora základnové stanice o zopakování zprávy na novém kmitočtu.

Pokud se v buňkovém systému mobilní stanice při komunikaci pohybují mezi buňkami, přechod mezi kmitočty buněk se děje elektronicky bez přerušení a bez zásahu operátora základnové stanice nebo ruční akce účastníka. Toto se nazývá předání spojení (anglicky handover, v USA handoff). Nový kanál je typicky vybrán automaticky pro mobilní stanici na nové základnové stanici, která s ní bude komunikovat. Mobilní zařízení pak automaticky přepne z aktuálního kanálu na nový kanál a komunikace pokračuje.

Detailní postup, jak mobilní stanice přechází od jedné základnová stanice k jiné jsou v různých sítích různé (viz příklad níže jak mobilní síť provádí handover).

Síť mobilních telefonů[editovat | editovat zdroj]

Architektura GSM sítě

Nejdůležitější příklad buňkové sítě je mobilní síť. Mobilní telefon je přenosný telefon, který přijímá nebo navazuje spojení pomocí (základnové stanice) nebo vysílací věž. Pro komunikaci s mobilním telefon se používají rádiové vlny.

Moderní mobilní sítě používají buňkovou architekturu, protože rádiové kmitočty jsou omezený sdílený prostředek. Základnové stanice a telefony mění kmitočet podle příkazů počítače a používají vysílače s nízkým výkonem, takže omezený počet rádiových kmitočtů může být současně používán mnoha volajícími s nižším rušením.

Mobilní operátor používá buňkovou síť, aby dosáhl jak pokrytí tak potřebnou komunikační kapacitu pro své účastníky. Větší geografické oblasti jsou rozděleny na menší buňky, aby se zabránilo ztrátě signálu, který příliš nepřesahuje přímou viditelnost a umožnilo pracovat v dané oblasti většímu počtu aktivních telefonů. Všechny základnové stanice jsou propojeny s mobilní telefonní ústřednou, která zajišťuje připojení na veřejnou telefonní síť.

Ve větších městech mají buňky velikost do 1 kilometru, zatímco ve venkovských oblastech mohou mít velikost do 10 km. V nezastavěných otevřených oblastech se může uživatel připojovat k základnovým stanicím až na vzdálenost 40 km.

Protože téměř mobilní telefony používají buňkovou technologii, včetně GSM, CDMA2000, a AMPS (analog), termín "buňkový telefon" je v některých zemích, např. v USA ekvivalentem termínu "mobilní telefon". Satelitní telefony, které nekomunikují s pozemní základnovou stanicí přímo, ale nepřímo pomocí satelitu, jsou také mobilní telefony.

Mezi nejrozšířenější technologie digitálních buňkových sítí patří:

Struktura mobilní buňkové sítě[editovat | editovat zdroj]

Základní prvky buňkové mobilní rádiové sítě jsou:

Tato síť je základem sítě GSM. Mnoho funkcí, které síť provádí, aby poskytla účastníkovi požadované služby včetně řízení mobility, registrace, spojování hovorů, a předávání mezi buňkami.

Libovolný telefon se připojuje do sítě prostřednictvím RBS (Radio Base Station) přes základnovou stanici, které zajišťuje propojení s mobilní telefonní ústřednou (anglicky Mobile switching center, MSC). MSC poskytuje připojení k veřejné telefonní síti (PSTN). Směr z telefonu k RBS se nazývá uplink, opačný směr downlink.

Pro efektivní využití radiových kanálů se používají následující multiplexní a přístupová schémata: kmitočtový multiplex (FDMA), časový multiplex (TDMA), kódový multiplex (CDMA), a prostorový multiplex (SDMA).

Cellular handover v mobilní sítích[editovat | editovat zdroj]

Podrobnější informace naleznete v článku Předání spojení.

Když se uživatel s telefonem přesune během hovoru z oblasti jedné buňky do jiné, mobilní stanice začne hledat nový kanál, aby se k němu připojila a aby nedošlo k přerušení hovoru. Jakmile nový kanál najde, síť dá příkaz mobilní jednotce, aby přepnula na nový signalizační i hovorový kanál.

U CDMA sdílí více telefonů jeden rádiový kanál. Signály jsou rozlišovány pomocí pseudonáhodného kódu (PN kód), který je pro každý telefon jiný. Když se účastník pohybuje mezi buňkami, telefon navazuje radiové spojení s více základnovými stanicemi (nebo sektory jedné stanice) současně. Tomu se říká "soft handoff", protože na rozdíl od tradiční buňkové technologie neexistuje žádný definovaný bod, kde telefon přepíná na novou buňku.

U IS-95 a u starších analogových systémů jako NMT není možné před přechodem mezi kmitočty testovat budoucí kanál během komunikace. V tomto případě se musí používat jiné techniky jako pilotní majáky v IS-95. To znamená, že při hledání nového kanálu se téměř vždy objeví krátká přestávka v komunikaci následované nebezpečím neočekávaného návratu na starý kanál.

Pokud komunikace neprobíhá nebo může být přerušena, je možné, aby mobilní jednotka přešla sama z jedné buňky do jiné a pak to oznámila základnové stanici se silnějším signálem.

Volba kmitočtu v mobilních sítích[editovat | editovat zdroj]

Vliv kmitočtu na velikost buňky znamená, že určité kmitočty slouží lépe pro určitá účely. Nižší kmitočty, jako 450 MHz NMT, slouží velmi dobře pro pokrytí venkova. GSM 900 (900 MHz) je vhodné pro řidčeji osídlené městské oblasti. Kmitočty GSM 1800 (1.8 GHz) jsou omezovány stavebními konstrukcemi. UMTS s kmitočtem 2.1 GHz má velmi podobné vlastnosti jako GSM 1800.

Vyšší kmitočty jsou nevýhodné z hlediska velikosti pokrytí, ale výhodné z hlediska kapacity. Tak je možné používat pikobuňky pokrývající např. jedno poschodí budovy, a stejné kmitočty mohou být použity i pro téměř sousedící buňky.

Oblast buňky se může také měnit kvůli rušení od ostatních vysílačů uvnitř i mimo buňku. To platí zvláště pro CDMA systémy. Přijímač vyžaduje určitý odstup signál-šum, vysílač nesmí vysílat příliš vysokým výkonem, aby nezpůsoboval rušení ostatních vysílačů. Když se přijímač vzdaluje od vysílače, přijímaný výkon se snižuje, takže algoritmus řízení výkonu (power control) vysílače zvětšuje vysílací výkon, aby se dosáhlo požadované úrovně přijímaného signálu. Když rušení (noise) převýší signál přijímaný z vysílače, a výkon vysílače už nemůže být zvýšen, signál začne být narušen a nakonec se stane nepoužitelným. V systémech používajících CDMA, je vliv rušení od jiných mobilních vysílačů ve stejné buňce v oblasti pokrytí velmi znatelný a má speciální jméno dýchání buněk.

Buňkové pokrytí lze vidět na mapách pokrytí poskytovaných skutečnými operátory na jejich webech. V některých případech je na nich vyznačeno i umístění vysílače, v jiných jej lze určit podle místa nejsilnějšího signálu.

Porovnání pokrytí v závislosti na kmitočtu[editovat | editovat zdroj]

Následující tabulka ukazuje závislost oblasti pokrytí jedné buňky na kmitočtu pro síť CDMA2000:[7]

Frekvence (MHz) Poloměr buňky (km) Plocha buňky (km2) Relativní počet buněk
450 48.9 7521 1
950 26.9 2269 3.3
1800 14.0 618 12.2
2100 12.0 449 16.2

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. RACITI, Robert C.. CELLULAR TECHNOLOGY [online]. Nova Southeastern University, July 1995, [cit. 2012-04-02]. Dostupné online. (anglicky) 
  2. J. E. Flood. Telecommunication Networks. Institution of Electrical Engineers, London, UK, 1997. chapter 12.
  3. Phone Networks [online]. The Reverse Phone, 8 June 2011, [cit. 2012-04-02]. Dostupné online. (anglicky) 
  4. PAULI, Volker, Naranjo, Juan Diego; Seidel, Eiko Heterogeneous LTE Networks and Inter-Cell Interference Coordination [online]. Nomor Research, December 2010, [cit. 2012-04-02]. Dostupné online. (anglicky) 
  5. Cellular Telephone Basics [online]. Privateline.com, 1 January 2006, [cit. 2012-04-02]. S. 2. Dostupné online. (anglicky) 
  6. Cellular Radiotelephone System for Different Cell Sizes -- Richard H. Frenkiel (Bell Labs), filed Sep 22, 1976, issued March 13, 1979
  7. http://www.itu.int/ITU-D/tech/events/2003/slovenia2003/Presentations/Day%203/3.3.1_Chandler.pdf page 17

Literatura[editovat | editovat zdroj]

  • P. Key, D. Smith. Teletraffic Engineering in a competitive world. Elsevier Science B.V., Amsterdam Netherlands, 1999. Chapter 1 (Plenary) a 3 (mobilní).
  • William C. Y. Lee, Mobile Cellular Telecommunications Systems (1989), McGraw-Hill.

Související články[editovat | editovat zdroj]