Концепции сотовой связи - Введение

Огромный потенциал обычного телефона не может быть использован в максимальной степени из-за ограничений, накладываемых соединительными проводами. Но это ограничение было снято с появлением сотового радио.

Проблема нехватки частот

Если мы используем выделенный радиочастотный контур для каждого абонента, нам потребуется более широкая полоса пропускания для обслуживания даже ограниченного количества абонентов в одном городе.

пример

Для одного РЧ-контура требуется 50 кГц Ч / Б; тогда для одного лакха абонентов нам нужно 1,00,000 x 50 кГц = 5 ГГц.

Чтобы преодолеть эту проблему ч / б, абоненты должны совместно использовать радиочастотные каналы по мере необходимости вместо выделенных радиочастотных контуров. Это может быть достигнуто с помощью методов множественного доступа FDMA, TDMA или CDMA. Даже в этом случае количество радиоканалов, необходимых для обслуживания абонентов, оказывается невыполнимым.

пример

Рассмотрим плотность субподрядчиков 30 кв. Км, уровень обслуживания как 1%, трафик, предлагаемый на каждый мобильный субподрядчик, как 30 м E. Тогда количество требуемых радиочастотных каналов составляет -

Радиус (км)	Площадь в кв.км.	Subs	RF каналы
1	3,14	100	8
3	28.03	900	38
10	314	10000	360

Для 10 000 сабвуферов для распределения 360 радиоканалов нам потребуется Ч / Б 360 × 50 кГц = 18 МГц. Это практически неосуществимо.

Сотовый подход

При ограниченном частотном ресурсе сотовый принцип может обслуживать тысячи абонентов по доступной цене. В сотовой сети общая площадь делится на более мелкие области, называемые «ячейками». Каждая сота может охватывать ограниченное количество мобильных абонентов в пределах своих границ. Каждая ячейка может иметь базовую станцию ​​с несколькими радиочастотными каналами.

Частоты, используемые в данной области соты, будут одновременно повторно использоваться в другой соте, которая географически разделена. Например, можно рассмотреть типичный шаблон из семи ячеек.

Общие доступные частотные ресурсы разделены на семь частей, каждая из которых состоит из ряда радиоканалов и распределяется для сотовой станции. В группе из 7 ячеек доступный частотный спектр используется полностью. Те же семь наборов частот можно использовать после определенного расстояния.

Группа ячеек, в которой полностью используется доступный частотный спектр, называется кластером ячеек.

Две соты, имеющие одинаковый номер в соседнем кластере, используют один и тот же набор радиочастотных каналов и, следовательно, называются «сотами совмещенного канала». Расстояние между сотами, использующими одну и ту же частоту, должно быть достаточным, чтобы поддерживать помехи в совмещенном канале (co-chl) на приемлемом уровне. Следовательно, сотовые системы ограничены помехами в совмещенном канале.

Следовательно, клеточный принцип позволяет следующее.

• Более эффективное использование доступного ограниченного источника RF.

• Производство каждого абонентского терминала в регионе с одним и тем же набором каналов, чтобы любой мобильный телефон можно было использовать в любом месте региона.

Форма ячеек

В аналитических целях ячейка «Шестиугольник» предпочтительнее других форм на бумаге по следующим причинам.

• Расположение шестиугольника требует меньшего количества ячеек, чтобы покрыть заданную область. Следовательно, он предусматривает меньшее количество базовых станций и минимальные капитальные вложения.

• Другие геометрические формы не могут этого сделать. Например, если есть ячейки круглой формы, то ячейки будут перекрываться.

• Также для данной области, среди квадрата, треугольника и шестиугольника, радиус шестиугольника будет максимальным, необходимым для более слабых мобильных устройств.

На самом деле ячейки не шестиугольные, а неправильной формы, что определяется такими факторами, как распространение радиоволн по местности, препятствиями и другими географическими ограничениями. Для разделения области на ячейки требуются сложные компьютерные программы. Одна из таких программ - «Торнадо» от Siemens.

Рабочая среда

Из-за мобильности радиосигналы между базовой станцией и мобильными терминалами претерпевают множество изменений при перемещении от передатчика к приемнику даже в пределах одной соты. Эти изменения связаны с -

• Физическое разделение передатчика и приемника.
• Физическая среда на пути, т.е. местность, здания и другие препятствия.

Медленное затухание

• В условиях свободного пространства (или) прямой видимости постоянная распространения радиочастотного сигнала считается равной двум, т.е. r = 2. Это применимо для статических радиосистем.

• В мобильной среде эти вариации заметны, и обычно r принимается от 3 до 4.

Рэлеевское затухание

Прямая видимость в мобильной среде между базовой станцией и мобильным телефоном не гарантируется, и сигнал, принимаемый приемником, представляет собой сумму ряда сигналов, проходящих по разным путям (многолучевость). Многолучевое распространение радиочастотных волн происходит из-за отражения радиочастотной энергии от холма, здания, грузовика или самолета и т. Д .; отраженная энергия также претерпевает изменение фазы.

Если есть 180 смещений по фазе с сигналами прямого пути, они имеют тенденцию компенсировать друг друга. Таким образом, многолучевые сигналы имеют тенденцию уменьшать мощность сигнала. В зависимости от расположения передатчика и приемника и различных отражающих препятствий на длине пути сигнал колеблется. Колебания происходят быстро и известны как «рэлеевские замирания».

Кроме того, многолучевое распространение приводит к «расширению импульса» и «межсимвольным помехам».

Эффект Допплера

Из-за мобильности абонента происходит изменение частоты принимаемых радиосигналов. Для решения этих проблем в сотовых мобильных системах используются следующие методы.

• Кодирование каналов
• Interleaving
• Equalization
• Приемники граблей
• Медленное скачкообразное изменение частоты
• Разнообразие антенн

Помехи в совмещенном канале и разделение сот

Мы предполагаем, что сотовая система имеет радиус ячейки «R», расстояние в совмещенном канале «D» и размер кластера «N». Поскольку размер соты фиксирован, внутриканальные помехи не зависят от мощности.

Интерференция кохл является функцией «q» = D / R.

Q = коэффициент уменьшения интерференции Co-chl.

Более высокое значение «q» означает меньше помех.

Меньшее значение «q» означает сильные помехи.

«Q» также связано с размером кластера (N) как q = 3N

q = 3N = D / R

Для разных значений N q равно -

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

Более высокие значения «q»

• Уменьшает внутриканальные помехи,
• Приводит к более высокому значению на «N» больше ячеек / кластер,
• Меньшее количество каналов / ячеек,
• Меньшая пропускная способность трафика.

Меньшие значения «q»

• Увеличивает внутриканальные помехи,
• Приводит к снижению значения на «n» меньше ячеек / кластер,
• Больше количества каналов / ячеек,
• Больше пропускной способности трафика.

Обычно N = 4, 7, 12.

Расчет C / I и 'q'

Величина «q» также зависит от C / I. «C» - это мощность несущей, полученная от желаемого передатчика, а «I» - это помехи в совмещенном канале, полученные от всех мешающих сот. Для шаблона повторного использования из семи ячеек количество мешающих ячеек в совмещенном канале должно быть равно шести.

Потеря сигнала пропорциональна (расстояние) –r

R - Постоянная распространения.

c α R-r

R = радиус ячейки.

I α 6 D-r

D = расстояние между каналами

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

C / I = 1/6 qr, поскольку q = D / R и qr = 6 C / I

Q = [6 × C / I] 1 / г

На основе приемлемого качества голоса было установлено, что значение C / I равно 18 дБ.

Предполагая,

• Схема повторного использования семи ячеек
• Всенаправленные антенны

Значение q обычно составляет около 4,6.

Значение r принято равным 3.

Это идеальное условие, учитывая, что расстояние мобильных устройств от мешающих сот во всех случаях равно «D». Но практически мобильное устройство перемещается, и расстояние «D» уменьшается до «D-R», когда оно достигает границы соты, а отношение C / I падает до 14,47 дБ.

Следовательно, шаблон повторного использования «частота» 7 не соответствует критериям C / I для всенаправленных антенн.

Если N = 9 (или) 12,

N = 9 q = 5,2 C / I = 19,78 дБ

N = 12 q = 6,0 C / I = 22,54 дБ

Следовательно, 9 или 12 ячеек должны быть с всенаправленными антеннами, но пропускная способность обработки трафика снижается. Следовательно, они не являются предпочтительными.

Чтобы использовать N = 7 (или меньше), на каждой сотовой станции используются направленные антенны. Ячейка с 3 секторами очень популярна и будет похожа на рисунок, показанный ниже.

Шрифт антенны - явление обратной связи снижает количество потенциальных источников помех.

Например, если N = 7.

При использовании всенаправленных антенн количество мешающих ячеек должно составлять шесть. С направленными антеннами и 3 секторами то же самое сокращается до двух. Для N = 7 и трех секторов отношение C / I улучшается с 14,47 дБ до 24,5 дБ даже в наихудших условиях. Тогда C / I соответствует требованиям 18 дБ. Для N = 7 и шести секторов отношение C / I улучшается до 29 дБ.

Для городских приложений N = 4 и используется ячейка с тремя секторами, так что получается большее количество несущих на ячейку, чем N = 7. Также отношение C / I становится 20 дБ в худших случаях.

DAMPS Использует шаблон ячеек 7/21

GSM Использует шаблон ячейки 4/21

Преимущества разметки

• Уменьшить межканальные помехи
• Увеличьте емкость системы

Недостатки разметки

• Большое количество антенн на базовой станции.
• Увеличение количества секторов на ячейку снижает эффективность транкинга.
• Разделение на секторы уменьшает зону покрытия для определенной группы каналов.
• Количество «раздач» увеличивается.

Раздача

Когда мобильная установка движется по пути, она пересекает разные ячейки. Каждый раз, когда он входит в другую соту, связанную с f = другой частотой, управление мобильным телефоном берет на себя другая базовая станция. Это называется «Hand Off».

Передача решена на основании -

• Полученная информация об уровне сигнала, если она ниже порогового значения.
• Отношение несущей к помехе менее 18 дБ.

Помехи по соседнему каналу

Данная сота / сектор использует несколько радиочастотных каналов. Из-за несовершенных фильтров приемника, которые позволяют соседним частотам просачиваться в полосу пропускания, возникают помехи по соседнему каналу.

Его можно уменьшить, сохранив как можно большее разделение частот между каждым РЧ-каналом в данной соте. Когда коэффициент повторного использования невелик, этого разделения может быть недостаточно.

Разделение каналов путем выбора радиочастотных частот, которые разнесены более чем на 6 каналов, достаточно для удержания помех от соседних каналов в определенных пределах.

Например, в GSM, который следует шаблону 4/12, N = 4

Сектора = 3 / ячейка

ИА будет использовать RF Carr. 1, 13, 25, ……… ..

IB будет использовать RF Carr 5, 17, 29, …………

IC будет использовать RF Carr. 9, 21, 33, ……… .. и так далее.

Транкинг

Сотовые радиостанции полагаются на транкинг, чтобы обслуживать большое количество пользователей в ограниченном радиочастотном спектре. Каждому пользователю назначается канал по потребности / на каждый вызов, и по завершении ячейки канал возвращается в общий пул радиочастотных каналов.

Уровень обслуживания (GOS)

Из-за транкинга существует вероятность блокировки вызова, если задействованы все радиочастотные каналы. Это называется «Класс обслуживания» «GOS».

Разработчик сотовой связи оценивает максимальную требуемую пропускную способность и выделяет нужное количество радиочастотных каналов для соответствия требованиям GOS. Для этих расчетов используется таблица «ERLANG B».

Расщепление клеток

Когда количество пользователей достигает насыщения в начальной ячейке (первоначальный проект) и больше нет запасной частоты, тогда начальная ячейка разделяется, обычно на четыре меньшие ячейки, и трафик увеличивается на четыре и более абонентов. можно подавать.

После n разделений трафик будет -

Т2 = Т0 × 42

Мощность будет уменьшена -

P2 = P0 - n × 12 дБ

Следовательно, разделение ячеек увеличивает емкость и снижает мощность передачи.