Клетъчна мрежа

Клетъчната мрежа представлява разпределена мрежа за радиовръзка, съставена от множество съседни една на друга „клетки“, всяка от които се обслужвана от отделен предавател с фиксирано местоположение, наречен базова станция. Всяка клетка покрива определена площ и всички клетки заедно осигуряват радио покритие на значително по-широк географски регион. Това дава възможност да бъдат обслужвани едновременно множество мобилни приемо-предавателни устройства (например мобилни телефони, пейджъри и др.), независимо от това дали са стационарни или се движат от една клетка в друга и да се осъществява радиовръзка между тях.

Преди налагането на клетъчните мрежи също са се ползвали мобилни радиотелефони — например в колите. В тогавашната радио-телефонна система обаче е имало само една централна антенна кула във всеки град и ограничен брой (може би 25) канали за използване от тази кула. Това означава, че на телефона в колата му е необходим мощен предавател, така че да може да осъществи радиовръзка разстояние 40 или 50 мили. Това също означава, че не е възможно много хора едновременно да използуват радиотелефоните си, тъй като няма достатъчни канали.

Клетъчните мрежи предлагат редица предимства пред другите им алтернативи:

• повишен капацитет (обслужване на много потребители едновременно)
• понижен разход на енергия (както от индивидуалните устройства, така и от базовата станция)
• по-широко покритие
• ниски смущения

Един прост пример за клетъчна мрежа е системата за радиовръзка на шофьорите на старите таксита, при която компанията поддържа няколко приемо-предавателя в града, всеки управляван от отделен оператор.

Основни характеристики

Основното изискване за създаването на успешна клетъчна мрежа е да има развит и стандартизиран метод за да може всяка отделна базова станция да различава сигнала, произведен от нейния собствен приемо-предавател, от другите сигнали, получени от съседните на нея 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 станции могат да избегнат сигнала от други клетки. Принципът на CDMA е по-сложен, но дава същият резултат; отделните приемо-предаватели могат да изберат една клетка и да я слушат. Други различни методи за мултиплексизация, като поляризационно 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 позицията 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 системи, за да даде многобройни канали в покривната площ на клетката.

В случая на гореспоменатите компании 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 из града, 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).

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 мобилни устройства, например 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 пейджинг (страниране).

Детайлите на процеса на страниране варират от мрежа до мрежа, но в основата му е фактът, че е известен ограничен брой клетки, където телефонът приблизително се намира. В системата на GSM или UMTS тази група от клетки се нарича местоположение (Location area) или разпределителна зона (Routing area), ако има трансфер на пакети от данни. При странирането се изпращат съобщения до всички тези клетки. Съобщенията на странирането могат да бъдат използвани и за информационен трансфер. Това се случва при пейджърите, в CDMA системите за изпращане на SMS (Short Message System) и в UMTS системата, където по този начин се постига ниска латентност на downlink-овете в пакетно-базирани връзки.

Много добър пример тук отново е мрежата на такситата. Шофьорите често използват радиото, за да съобщят пътните условия и за да кажат кога има клиенти. От друга страна, има списък с таксита, чакащи работа. Когато някое определено такси изяви желание да вземе клиента, операторът извиква номера му в ефир и му съобщава адреса. Това е двупосочна връзка, при която обаче двете страни трябва да се изчакват една друга, тъй като използват една и съща честота (симплекс връзка).

Повторно използване на честотата

Пример за фактора на повторно използване на честотата или образец 1/4

Повишеният капацитет на една клетъчна мрежа, в сравнение с мрежа с един приемо-предавател, произтича от факта, че една и съща радиочестота може да бъде използвана отново в някоя различна зона за корено различна радиовръзка. Това се дължи на факта, че клетъчните телефони и базовите предаватели работят на малка мощност и техните сигнали са ограничени само в рамките на клетката. Затова едни и същи честоти могат да се използват многократно, стига клетките да не са съседни. За съжаление, все пак има смущения до някаква степен от сигнала от съседни клетки, когато използват същата честота. Това означава, че в стандартна FDMA система трябва да има поне една клетка разстояние между две клетки, за да може да се използва еднаква честота.

Факторът за повторно използване на честотата е степента, с 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. Стандартните 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. Типична стойност за N е 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 същата 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.

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 handoveri, двата канала всъщност ще бъдат използвани по едно и също време(това се нарича мек handover или мек handoff). В IS-95 интер-честотните handoveri 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 s

Мобилна телефония

Клетъчна Станция

Най-честият пример за клетъчна мрежа е мрежата на мобилните телефони. Мобилният телефон представлява преносим телефон, който приема и инициира обаждания, като установява радиовръзка с клетъчната станция или приемо-предавателната кула на клетката, в която се намира. Големите географски региони (отразяващи обхвата на покритие на мобилния оператор) са разделени на по-малки клетки, за да се избегне загубата на line-of-sight сигнала и да се обслужи възможно най-голям брой активни клетъчни телефони в областта. В градовете например, всяка клетъчна станция има обхват до около ½ миля, докато в селските райони обхватът е около 5 мили. На открити пространства без значителни препятствия за сигнала, потребителят може да получава сигнал от клетка отстояща на 25 мили. Всяка клетка се припокрива със съседните на нея клетки. Всички тези клетки са свързани към клетъчните телефонни централи "ключове", които от своя страна се свързват с обществената телефонна мрежа или с други мобилни оператори.

Говорейки по телефона, потребителят може да се движи от една клетка към друга. Тогава базовите станции, в чийто обсег се намира телефонът, превключват автоматично обслужването на връзката към онази клетка, която има по-силен сигнал и съответно се ползва нов радио канал (честота), но без това да се отрази на връзката. Когато телефонът се регистрира към нова клетка, процесът на криптиране на връзката се повтаря отначало.

С CDMA, множество CDMA телефони имат специфични радио канал; сигналите са отделени с помощта на pseudonoise код (PN код), специфични за всеки телефон. Тъй като потребителят се движи от една клетка в друга, телефон създава радио връзки с множество клетки сайтове (или сектори на същото място) едновременно. Това е известно като "меки handoff", защото, за разлика от традиционните с клетъчна технология, няма кой определена точка, когато телефонът превключва към новата клетка.

Съвременните мобилни телефони използват клетки, защото радиочестотите са ограничен, споделен ресурс. Cell-сайтове и телефони промените честотата под компютър за контрол и използване ниска мощност предаватели, така, че ограничен брой на радио честоти могат да бъдат използвани от много обаждащи се с по-малко смущения. CDMA телефони, по-специално, трябва да има строг контрол, за да се избегне мощност намеса с всеки друг. Една случайно полза е, че батериите в телефони е необходимо по-малко енергия.

Тъй като почти всички мобилни телефони използват клетъчните технологии, включително GSM, CDMA и УСИЛВАТЕЛИ И СЪБУФЕРИ (аналогова), терминът "мобилен телефон" се използва взаимозаменяемо с "мобилен телефон", но изключение на мобилни телефони, които не използват клетъчните технологии са сателитни телефони.

Стари системи предшествуващи клетъчните принцип все още може да се използва на места. Най-реално държат на изчакване се използва от много аматьорски радио оператори, които поддържат телефона лепенки в техните клубове "УКВ ретранслатори.

Съществуват известен брой различни клетъчни цифрови технологии, включително: Глобална система за мобилни комуникации (GSM), General Packet Radio Service (GPRS), код Подразделяне Множествена достъп (CDMA), Evolution-данни Оптимизиран (EV-DO), Засилено Данни Цени за GSM Evolution (EDGE), 3GSM, цифрови усъвършенствани безжични далекосъобщения (DECT), Digital УСИЛВАТЕЛИ И СЪБУФЕРИ (IS-136/TDMA), и интегрирано Digital Засилено мрежа (iDEN).

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)

Външни Препратки

• Cellular Network