Specifické charakteristiky celulárních sítí Zápočtová práce z předmětu Mobilní komunikace Karel Hoffmann Letní semestr 2006/2007 Cvičení Po 16:15
Úvod: Trocha historie Počátky bezdrátové komunikace jsou spojovány se jménem Guglielmo Marconi. Tento italský vědec v roce 1895 úspěšně přenesl informaci na vzdálenost přibližně dvou kilometrů. V roce 1901 došlo k prvnímu transatlantickému bezdrátovému přenosu dat. Další rozvoj bezdrátových komunikací souvisel především s námořnictvem, protože pozemní komunikace ovládal telegraf. V počátcích bezdrátové komunikace se přenášela informace za pomocí Morseovy abecedy, avšak už v roce 1904 se odehrála první ukázka bezdrátového přenosu hlasu. V roce 1934 byla demonstrována frekvenční modulace (FM), která ve srovnání s amplitudovou modulací (AM) umožnila kvalitnější přenos zvuku. Ve třicátých letech 20. století začal rozvoj analogové radiotelefonie. Po válce, v roce 1947, se objevily první teoretické návrhy moderních buňkových rádiových systémů, které k pokrytí většího území využívaly základnové stanice. V sedmdesátých letech minulého století již probíhaly hovory v mobilních sítích duplexně a bez asistence spojovatelky, ale i tak bylo plno překážek. Hlavním problémem však byla kapacita sítí, pokrytí, a omezená mobilita terminálu. Terminály bylo možné používat jen v autě. Každá základnová stanice měla svou vlastní frekvenci, která byla pro danou síť jedinečná. Pokud se zákazník dostal mimo její dosah, byl hovor přerušen do okamžiku přihlášení k nové základnové stanici. Tento problém řeší systém buňkové (celulární) sítě, který byl v Bellových laboratořích vyvíjen už od šedesátých let minulého století. Celosvětově první buňkovou sítí se stala síť NMT (Nordic Mobile Telephony) v Saudské Arábii, která byla spuštěna již 1. září 1981. Jen o měsíc později došlo ke spuštění první mobilní buňkové síť i v Evropě. Konkrétně šlo o síť švédského operátora Televerket (dnešní Telia). Severské státy se tak staly průkopníkem na poli mobilní komunikace v Evropě. Princip a struktura celulárních sítí: Podstatou celulárních sítí je rozdělení geografického teritoria, na kterém příslušný operátor poskytuje své služby, na vhodné části (cells - buňky), uspořádané tak, že když v jedné buňce jsou používány určité konkrétní frekvence, žádná z bezprostředně sousedících buněk již tyto frekvence nepoužívá (resp. používá jiné frekvence). V praxi se nejčastěji používá uspořádání se šestihrannými buňkami, které umožnujě pokrýt libovolně velké území jejich opakováním, neboť obrazce do sebe zapadají a vzájemně na sebe navazují. Praxe je samozřejmě odlišná a představy ideální sítě jsou deformovány různými provozními požadavky. Obr.1 [4]: Uspořádání buněk
Díky malým rozměrům buněk, mají vysílače základnových stanic malé výkony, takže rádiové kanály přidělené určité buňce se mohou opakovat v jiných, poměrně blízkých buňkách, aniž by docházelo k interferenci. Síť má potom velkou kapacitu. Obr.2 [3]: Reálná struktura buněk Na obr. 2 je zobrazena praktická struktura buněk. Čtyři sousední buňky jsou spojeny do svazku (cluster), každá buňka má přidělen svůj soubor kanálů, takže se vzájemně neruší. Kanály určité buňky lze opakovat již v sousedním svazkum aniž by docházelo k rušení. Zavádí se sektorizace jako BTS nejsou použity všesměrové antény, ale antény směrové s vyzařováním 120. Rušení se ještě sníží. Typy buněk: [2] Protože území pokrývané GSM signálem není homogenně obydleno, resp. požadavky na dostupnou kapacitu se místo od místa liší, vyvstává v některých místech nutnost mít síť hustší než jinde. Od základnových stanic se pak požaduje různě definované území, které mají pokrývat, z čehož plyne, že budou mít částečně jiné parametry, nejčastěji týkající se výkonu a antén. Někdy může být vhodné vyčlenit pro jednotlivé vrstvy různé sady kmitočtů pro usnadnění frekvenčního plánování. Protože je však již dnes síť GSM v obydlenějších oblastech velmi zahuštěna, je nalezení kmitočtových sad pro každou další novou základnovou stanici (BTSku) velkým problémem a těžko se tato práce dá nějak jednoduše systematizovat. Makrobuňky: Jsou nejobecněji charakterizovány umístěním vysílacích antén nad úrovní střech. Velký vliv na šíření má ohyb a rozptyl na vrcholcích budov. Podle velikosti a významu se dají ještě dělit na buňky typu: - umbrella: Nejvyšší vrstva GSM sítě tzv. deštníkové buňky. Jedná se o buňky pokrývající velká území (až do cca 30 km), umístěné na vyšších kótách, rozmístění je podobné jako u systému NMT 450 MHz. Takovéto základnové stanice pokrývají dvěma až třemi sektory klidně celý okres, mají-li přiděleny vhodné frekvence, zprostředkovávají provoz v místech,
kde je signál BTS nižších vrstev slabý nebo nedostupný typicky vesnické a horské oblasti, kde není ekonomicky i technicky obhájitelné postavení dalších vysílačů. - velké: Typicky městské makrobuňky (až cca 5 km) zastřešující provoz nad větší částí města, menším venkovským prostorem (několik vesnic). - malé: Městské makrobuňky (do cca 1 km), které řeší kapacitní potřeby jádra města, průmyslové, zábavní zóny. Bývají na nižších objektech a vyladěné tak, aby vyčerpávali kmitočtové spektrum opravdu jen v blízkém okolí. Provázání kmitočtového plánu je nutné zajistit tak, aby se jednotlivé vrstvy vzájemně nevyrušily, nevadí však ale v případě dostupnosti nižší vrstvy, že je zarušena vyšší vrstva. To se hlavně týká rušení do sousedního kanálu, kdy lze oba dva sousední kanály použít jsou-li v daném místě přibližně ve stejné síle a naopak je slabší kanál vyrušen, pokud je jeho výkonová úroveň na vstupu mobilního telefonu o cca 15 20 db nižší, čímž se v podstatě vymaskuje to znamená, že je vždy použit jeden ze sousedních kanálů a na rozdíl od homogenní struktury sítě tak není potřeba držet se v některých místech plánování ob jeden kanál. Mikrobuňky: Na rozdíl od makrobuněk se jejich antény situují pod úroveň střech, nejčastěji do roviny prvního nebo druhého patra. Pokrývají pouze své blízké okolí, kaňony ulic, křižovatky. Způsoby šíření elektromagnetických vln jsou pro tyto instalace částečně odlišné, převažuje odraz nad ohybem a rozptylem. Výhody mikrobuněk tkví především v možnosti snažší instalace a méně problémového výběru vhodných kmitočtů, neboť přezařování do vzdálenějších lokalit je z povahy umístění mikrobuněk velmi nepravděpodobné. Mezi jejich nevýhody především patří složitější definování handoverů a riziko, že se za hovoru z rychle jedoucího automobilu handover nestihne provést a hovor spadne. Pikobuňky: Tento typ buněk se instaluje přímo do budov, ve kterých je velký mobilně telefonní provoz a průnik signálu z venkovních základnových stanic je silně zatlumen zdmi nebo členitostí budovy, případně je-li provoz tak vysoký, že by venku způsoboval kapacitní problémy. Opakovače: Jsou to jednoduchá a relativně levná zařízení umožňující pokrýt před dostatečným signálem GSM schovaná údolí bez nutnosti stavět plnohodnotnou BTSku. Opakovač (repeater) přijímá, zesiluje a posílá do údolí signál od vhodné základnové stanice, to samé samozřejmě provádí i v opačném směru. Do obou zesilovaných cest se samozřejmě zařadí kanálový filtr, aby opakovač sloužil pouze operátorovi, kterému instalovaný opakovač patří. Signál z vybrané základnové stanice musí být v údolí obsluhovaném opakovačem tak slabý, aby nedocházelo k souběžnému přenosu jak přímou cestou z mobilního telefonu na BTS a zároveň trasou přes repeater, v nastalém posunu fází signálu na mezi oběma trasami by spojení nebylo optimální. Mezi další podmínky patří korektní nastavení zesílení v obou směrech a podmínka, aby použítý vysílač nepoužíval při hovoru hoppingové sekvence. Propojení buňek se sítí hierarchické členění [3]: Každá buňka se svojí BTSkou musí být pochopitelně začleněna do celkového systému tak, abychom se svým mobilním telefonem mohli ze své momentální buňky dovolat k někomu, kdo je v uplně jiné buňce. Na následujícím obr.3 je zobrazena hierarchie sítě.
Obr 3. [3]: hierarchiké členění sítě Buňka: Základní oblast, obsluhovaná jednou základnovou stanicí. Lokační oblast LA (Location area): Oblast tvoření několika buňkami, ve které se může mobilní stanice pohybovat, aniž by musela provádět aktualizaci záznamu o své poloze v lokačním registru. Uvnitř LA se vysílá pagingové sdělení, které umožňuje nalézt volanou mobilní stanici MS; LA je určena identitou lokační oblasti LAI (LA Identity). Servisní oblast MSC - SA MSC (Service Area MSC): část mobilní sítě (PLMN), obsluhovaná jedinou MSC; může obsahovat jednu, nebo i více lokačních oblastí. Servisní oblast PLMN - SA PLMN (Service Area PLMN): skládá se z několika servisních oblastí MSC (SA MSC),jejichž počet závisí na velikosti daného státu (na 0,2 až 1 milion obyvatel připadá jedna SA MSC). PLMN (Public Land Mobile Network): veřejná pozemní mobilní síť - síť vytvořená a provozovaná buď přímo státní administrativou, nebo častěji jí pověřenými (licencovanými) operátory. Servisní oblast kompletního mobilního systému (např. systému GSM - SA GSM): část nebo kompletní území všech členských států tohoto systému, kde je zajištěn provoz jeho mobilních stanic. Závěr: O strukturách celulárních sítí toho bylo napsáno velmi mnoho, nejenom proto, že mobilní komunikace je v dnešní době velmi populární. Tato práce je, spíše než prací původní, prací složenou z textů volně dostupných na internetu a materiálů k předmětu Mobilní komunikace. U jednotlivých kapitol a obrázků uvádím zdroje informací.
Použití literatura: [1] http://www.odbornecasopisy.cz/automa/2003/au050335.htm [2] http://www.gsmweb.cz [3] Materiály k předmětu Mobilní komunikace, přednáška 1. [4] http://www.earchiv.cz/a008s200/a008s201.php3#gsmarch [5] http://www.stech.cz/articles_print.asp?idk=97&ida=746