Zelluläre Konzepte - Einführung

Das immense Potenzial herkömmlicher Telefone kann aufgrund der durch die Verbindungskabel auferlegten Begrenzung nicht maximal ausgeschöpft werden. Diese Einschränkung wurde jedoch mit dem Aufkommen des Mobilfunkgeräts aufgehoben.

Frequenzknappheitsproblem

Wenn wir für jeden Teilnehmer eine dedizierte HF-Schleife verwenden, benötigen wir eine größere Bandbreite, um auch nur eine begrenzte Anzahl von Subsc in einer einzelnen Stadt zu bedienen.

Beispiel

Eine einzelne HF-Schleife erfordert 50 kHz S / W; dann brauchen wir für einen Lakh-Abonnenten 1,00,000 x 50 kHz = 5 GHz.

Um dieses S / W-Problem zu lösen, müssen Teilnehmer die HF-Kanäle anstelle von dedizierten HF-Schleifen nach Bedarf gemeinsam nutzen. Dies kann durch Verwendung mehrerer Zugriffsmethoden FDMA, TDMA oder CDMA erreicht werden. Selbst dann erweist sich die Anzahl der HF-Kanäle, die erforderlich sind, um die Teilnehmer zu bedienen, als nicht praktikabel.

Beispiel

Betrachten Sie eine Subs-Dichte von 30 Quadratkilometern, einen Dienstgrad von 1% und einen pro mobilem Sub angebotenen Verkehr von 30 m E. Dann beträgt die Anzahl der erforderlichen HF-Kanäle -

Radius (km)	Fläche in km²	Subs	HF-Kanäle
1	3.14	100	8
3	28.03	900	38
10	314	10000	360

Für 10.000 Subs, die 360 ​​Funkkanäle zuweisen, benötigen wir ein S / W von 360 × 50 KHz = 18 MHz. Dies ist praktisch nicht möglich.

Zellulärer Ansatz

Mit einer begrenzten Frequenzressource kann das Mobilfunkprinzip Tausende von Teilnehmern zu erschwinglichen Kosten bedienen. In einem zellularen Netzwerk wird die Gesamtfläche in kleinere Bereiche unterteilt, die als "Zellen" bezeichnet werden. Jede Zelle kann eine begrenzte Anzahl von Mobilfunkteilnehmern innerhalb ihrer Grenzen abdecken. Jede Zelle kann eine Basisstation mit mehreren HF-Kanälen haben.

Frequenzen, die in einem bestimmten Zellenbereich verwendet werden, werden gleichzeitig in einer anderen Zelle wiederverwendet, die geografisch getrennt ist. Beispielsweise kann ein typisches Muster mit sieben Zellen betrachtet werden.

Die insgesamt verfügbaren Frequenzressourcen sind in sieben Teile unterteilt, wobei jeder Teil aus mehreren Funkkanälen besteht und einem Zellenstandort zugeordnet ist. In einer Gruppe von 7 Zellen wird das verfügbare Frequenzspektrum vollständig verbraucht. Die gleichen sieben Frequenzsätze können nach einer bestimmten Entfernung verwendet werden.

Die Gruppe von Zellen, in der das verfügbare Frequenzspektrum vollständig verbraucht ist, wird als Zellcluster bezeichnet.

Zwei Zellen mit derselben Nummer im benachbarten Cluster verwenden denselben Satz von HF-Kanälen und werden daher als "Co-Kanal-Zellen" bezeichnet. Der Abstand zwischen den Zellen, die dieselbe Frequenz verwenden, sollte ausreichen, um die Gleichkanalstörung (Co-Chl) auf einem akzeptablen Niveau zu halten. Daher sind die zellularen Systeme durch Gleichkanalstörungen begrenzt.

Daher ermöglicht ein zelluläres Prinzip Folgendes.

• Effizientere Nutzung der verfügbaren begrenzten HF-Quelle.

• Herstellung jedes Teils des Teilnehmerterminals in einer Region mit demselben Kanalsatz, sodass jedes Mobiltelefon überall in der Region verwendet werden kann.

Form der Zellen

Für analytische Zwecke wird eine "Sechseck" -Zelle aus folgenden Gründen anderen Formen auf Papier vorgezogen.

• Ein Sechseck-Layout erfordert weniger Zellen, um einen bestimmten Bereich abzudecken. Daher sind weniger Basisstationen und minimale Kapitalinvestitionen vorgesehen.

• Andere geometrische Formen können dies nicht effektiv tun. Wenn beispielsweise kreisförmige Zellen vorhanden sind, überlappen sich die Zellen.

• Auch für einen bestimmten Bereich zwischen Quadrat, Dreieck und Sechseck ist der Radius eines Sechsecks das Maximum, das für schwächere Handys benötigt wird.

In Wirklichkeit sind Zellen nicht sechseckig, sondern unregelmäßig geformt, was durch Faktoren wie die Ausbreitung von Funkwellen über das Gelände, Hindernisse und andere geografische Einschränkungen bestimmt wird. Komplexe Computerprogramme sind erforderlich, um einen Bereich in Zellen zu unterteilen. Ein solches Programm ist „Tornado“ von Siemens.

Betriebsumgebung

Aufgrund der Mobilität unterliegen die Funksignale zwischen einer Basisstation und mobilen Endgeräten einer Vielzahl von Änderungen, wenn sie vom Sender zum Empfänger übertragen werden, selbst innerhalb derselben Zelle. Diese Änderungen sind zurückzuführen auf -

• Physikalische Trennung von Sender und Empfänger.
• Physische Umgebung des Pfades, dh Gelände, Gebäude und andere Hindernisse.

Langsames Verblassen

• Unter Freiraumbedingungen (oder) LOS wird die HF-Signalausbreitungskonstante als zwei betrachtet, dh r = 2. Dies gilt für statische Funksysteme.

• In einer mobilen Umgebung sind diese Abweichungen spürbar und normalerweise wird "r" als 3 bis 4 angenommen.

Rayleigh verblasst

Die direkte Sichtlinie in einer mobilen Umgebung zwischen Basisstation und Mobiltelefon ist nicht gewährleistet, und das am Empfänger empfangene Signal ist die Summe einer Anzahl von Signalen, die über verschiedene Pfade (Mehrweg) gelangen. Die Mehrwegeausbreitung von HF-Wellen beruht auf der Reflexion von HF-Energie von einem Hügel, Gebäude, LKW oder Flugzeug usw. Die reflektierte Energie erfährt ebenfalls eine Phasenänderung.

Wenn 180 mit direkten Pfadsignalen phasenverschoben sind, neigen sie dazu, sich gegenseitig aufzuheben. Daher neigen die Mehrwegesignale dazu, die Signalstärke zu verringern. Abhängig von der Position des Senders und Empfängers und verschiedenen reflektierenden Hindernissen entlang der Weglänge schwankt das Signal. Die Schwankungen treten schnell auf und werden als "Rayleigh-Fading" bezeichnet.

Darüber hinaus führt die Mehrwegeausbreitung zu einer „Impulsverbreiterung“ und einer „Inter-Symbol-Interferenz“.

Doppler-Effekt

Aufgrund der Mobilität des Teilnehmers tritt eine Änderung der Frequenz der empfangenen HF-Signale auf. Mobilfunksysteme verwenden folgende Techniken, um diesen Problemen entgegenzuwirken.

• Kanalcodierung
• Interleaving
• Equalization
• Rechenempfänger
• Langsames Frequenzspringen
• Antennenvielfalt

Gleichkanalinterferenz und Zelltrennung

Wir nehmen ein zellulares System mit einem Zellradius "R" und einem Gleichkanalabstand "D" und der Clustergröße "N" an. Da die Zellengröße fest ist, ist die Gleichkanalstörung unabhängig von der Leistung.

Die Co-Chl-Interferenz ist eine Funktion von "q" = D / R.

Q = Co-Chl-Interferenzreduzierungsfaktor.

Ein höherer Wert von "q" bedeutet weniger Interferenz.

Ein niedrigerer Wert von "q" bedeutet hohe Interferenz.

"Q" bezieht sich auch auf die Clustergröße (N) als q = 3N

q = 3N = D / R.

Für verschiedene Werte von N ist q -

N = 1 3 4 7 9 12
Q = 1.73 3 3.46 4.58 5.20 6.00

Höhere Werte von "q"

• Reduziert Gleichkanalstörungen,
• Führt zu einem höheren Wert von "N" mehr Zellen / Cluster,
• Weniger Kanäle / Zellen,
• Weniger Verkehrskapazität.

Niedrigere Werte von "q"

• Erhöht die Gleichkanalstörung,
• Führt zu einem niedrigeren Wert von "n" weniger Zellen / Cluster,
• Mehr Anzahl von Kanälen / Zellen,
• Mehr Verkehrskapazität.

Im Allgemeinen ist N = 4, 7, 12.

C / I-Berechnungen und 'q'

Der Wert von "q" hängt auch von C / I ab. "C" ist die vom gewünschten Sender empfangene Trägerleistung und "I" ist die von allen störenden Zellen empfangene Gleichkanalstörung. Bei einem Wiederverwendungsmuster mit sieben Zellen muss die Anzahl der Gleichkanal-Interferenzzellen sechs betragen.

Der Signalverlust ist proportional zu (Entfernung) –r

R - Ausbreitungskonstante.

c α R-r

R = Radius der Zelle.

I α 6 D-r

D = Gleichkanalabstand

C / I = R - r / 6D - r = 1/6 × Dr / Rr = 1/6 (D / R) r

C / I = 1/6 qr, da q = D / R und qr = 6 C / I.

Q = [6 × C / I] 1 / r

Basierend auf der akzeptablen Sprachqualität wurde festgestellt, dass der Wert von C / I gleich 18 dB ist.

Vorausgesetzt,

• Ein Muster zur Wiederverwendung von sieben Zellen
• Rundstrahlantennen

Der Wert von 'q' kann typischerweise um 4,6 liegen.

Der Wert r wird als 3 angenommen.

Dies ist eine ideale Bedingung, wenn man bedenkt, dass der Abstand der mobilen Einheiten von den störenden Zellen in allen Fällen gleichmäßig gleich 'D' ist. Praktisch bewegliche Bewegungen und die Entfernung 'D' reduzieren sich jedoch auf 'D-R', wenn sie die Grenze der Zelle erreichen, und C / I fällt auf 14,47 dB ab.

Daher erfüllt das 'Freq'-Wiederverwendungsmuster von 7 nicht die C / I-Kriterien mit Rundstrahlantennen.

Wenn N = 9 (oder) 12,

N = 9 q = 5,2 C / I = 19,78 dB

N = 12 q = 6,0 C / I = 22,54 dB

Daher soll entweder ein 9- oder ein 12-Zellen-Muster mit Rundstrahlantennen vorliegen, aber die Verkehrsabwicklungskapazität ist verringert. Daher sind sie nicht bevorzugt.

Um N = 7 (oder niedriger) zu verwenden, werden an jedem Zellenstandort Richtantennen verwendet. Eine Zelle mit 3 Sektoren ist sehr beliebt und entspricht der folgenden Abbildung.

Das Font-Back-Coupling-Phänomen der Antenne reduziert die Anzahl potenzieller Interferer.

Zum Beispiel wenn N = 7.

Bei Rundstrahlantennen muss die Anzahl der störenden Zellen sechs betragen. Bei Richtantennen und 3 Sektoren wird das Gleiche auf zwei reduziert. Für N = 7 und drei Sektoren verbessert sich das C / I selbst unter schlechtesten Bedingungen von 14,47 dB auf 24,5 dB. Dann erfüllt C / I die Anforderung von 18 dB. Für N = 7 und sechs Sektoren verbessert sich das C / I auf 29 dB.

Für städtische Anwendungen wird N = 4 und eine Zelle mit drei Sektoren verwendet, so dass mehr Träger pro Zelle als N = 7 erhalten werden. Auch das C / I wird im schlimmsten Fall 20 dB.

DAMPS Verwendet 7/21 Zellmuster

GSM Verwendet 4/21 Zellmuster

Vorteile der Sektorierung

• Verringern Sie die Gleichkanalstörung
• Erhöhen Sie die Systemkapazität

Nachteile der Sektorisierung

• Große Anzahl von Antennen an der Basisstation.
• Eine Erhöhung der Anzahl von Sektoren / Zelle verringert die Trunking-Effizienz
• Durch die Sektorisierung wird der Versorgungsbereich für eine bestimmte Gruppe von Kanälen reduziert.
• Die Anzahl der Übergaben steigt.

Weiterleiten

Wenn sich die mobile Einheit auf einem Pfad bewegt, kreuzt sie verschiedene Zellen. Jedes Mal, wenn es in eine andere Zelle eintritt, die mit f = unterschiedlicher Frequenz verbunden ist, wird die Steuerung des Mobiltelefons von der anderen Basisstation übernommen. Dies wird als "Übergabe" bezeichnet.

Die Übergabe erfolgt basierend auf -

• Informationen zur Signalstärke empfangen, wenn sie unter einem Schwellenwert liegen.
• Das Verhältnis von Träger zu Interferenz beträgt weniger als 18 dB.

Interferenz benachbarter Kanäle

Eine bestimmte Zelle / ein bestimmter Sektor verwendet eine Anzahl von HF-Kanälen. Aufgrund unvollständiger Empfängerfilter, die es nahegelegenen Frequenzen ermöglichen, in das Durchlassband zu gelangen, kommt es zu Nachbarkanalstörungen.

Sie kann reduziert werden, indem die Frequenzabstände zwischen den einzelnen HF-Kanälen in einer bestimmten Zelle so groß wie möglich gehalten werden. Wenn der Wiederverwendungsfaktor klein ist, ist diese Trennung möglicherweise nicht ausreichend.

Eine Kanaltrennung durch Auswahl von HF-Frequenzen, die mehr als 6 Kanäle voneinander entfernt sind, reicht aus, um benachbarte Kanalstörungen in Grenzen zu halten.

Zum Beispiel ist in GSM, das dem 4/12-Muster folgt, N = 4

Sektoren = 3 / Zelle

IA wird RF Carr verwenden. 1, 13, 25, ……… ..

IB wird RF Carr 5, 17, 29, ………… verwenden

IC wird RF Carr verwenden. 9, 21, 33, ……… .. und so weiter.

Trunking

Mobilfunkgeräte sind auf Trunking angewiesen, um eine große Anzahl von Benutzern in einem begrenzten Funkspektrum unterzubringen. Jedem Benutzer wird je nach Bedarf / pro Anruf ein Kanal zugewiesen, und bei Beendigung der Zelle wird der Kanal an den gemeinsamen Pool von HF-Kanälen zurückgegeben.

Servicequalität (GOS)

Aufgrund von Trunking besteht die Wahrscheinlichkeit, dass ein Anruf blockiert wird, wenn alle HF-Kanäle belegt sind. Dies wird als "Grade of Service" "GOS" bezeichnet.

Der Mobilfunkentwickler schätzt die maximal erforderliche Kapazität und weist die richtige Anzahl von HF-Kanälen zu, um das GOS zu erfüllen. Für diese Berechnungen wird die Tabelle 'ERLANG B' verwendet.

Zellteilung

Wenn die Anzahl der Benutzer in einer Startzelle eine Sättigung erreicht (anfängliches Design) und keine freie Frequenz mehr verfügbar ist, wird die Startzelle aufgeteilt, normalerweise in vier kleinere Zellen, und der Verkehr steigt um vier und mehr Teilnehmer kann serviert werden.

Nach 'n' Splits wird der Verkehr sein -

T2 = T0 × 42

Leistung wird reduziert -

P2 = P0 - n × 12 dB

Daher verbessert die Zellteilung die Kapazität und senkt die Sendeleistung.