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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Caratteristiche della comunicazione cellulare. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Mobile Communications Il rapido sviluppo di nuove tecnologie di telecomunicazione negli anni '80 e '90 è associato all'uso attivo delle conquiste scientifiche e tecnologiche nei campi delle telecomunicazioni, dell'informatica e dell'elettronica. Una delle tecnologie prioritarie è la comunicazione cellulare, che sta guadagnando sempre più popolarità tra la popolazione e si sta sviluppando a un ritmo molto rapido.
“Non voltare le spalle a un possibile futuro finché non sei sicuro che non ci sia nulla da imparare.”
campionato Mondiale Come quei lettori che preferiscono leggere la rivista dalla fine, facciamo un salto avanti e diciamo la cosa principale: oggi non esiste alcun tipo di telecomunicazione che si svilupperebbe così rapidamente come la radiotelefonia senza fili, e soprattutto le comunicazioni cellulari al servizio degli utenti mobili. Il numero di tali utenti aumenta ogni anno di circa il 40% e recentemente ha superato con sicurezza la soglia dei 350 milioni. Va notato che alcuni tipi di reti mobili cellulari mostrano tassi di crescita ancora più impressionanti. Nel mondo, la crescita annuale degli abbonati alla rete GSM è di circa il 70% (gsmworld.com), e per le reti cdmaOne, qui conosciute come CDMA/IS-95, nell'ultimo anno ha raggiunto quasi il 160% (cdg.org )! Si prevede che il numero di abbonati alla telefonia mobile raggiungerà il miliardo nel 1-2002. Sebbene non sia passato molto tempo da quando le reti cellulari sono emerse dallo stadio di sviluppo scientifico e tecnico al mercato commerciale (a cavallo tra gli anni '70 e '80), il telefono cellulare ha ormai cessato di essere un simbolo di prestigio ed è diventato uno strumento che consente un utilizzo più efficiente del tempo di lavoro, una gestione rapida dei processi tecnologici, economici e di altro tipo. Allo stesso tempo, le reti cellulari non solo crescono in larghezza, ma aumentano costantemente anche il numero di servizi aggiuntivi offerti. Se prendiamo la densità delle reti cellulari raggiunta da molti paesi sviluppati (dati della British Telecom Engineering), il leader indiscusso tra questi è la Finlandia, dove circa il 70% della popolazione possiede telefoni cellulari. I suoi vicini scandinavi sono leggermente indietro (dal 50 al 60%), tra i quali è incastrata una parte della RPC (ex Hong Kong). Altri sei paesi, tra cui Australia e Giappone, hanno superato la soglia del 30%, e un intero gruppo di paesi, tra cui Regno Unito e Stati Uniti, sono vicini a tale soglia. Germania, Francia, Spagna, Canada e numerosi altri paesi hanno indicatori di circa il 20%. Tuttavia si potrebbe continuare a parlare dei successi della comunicazione mobile, ma le informazioni già fornite sono sufficienti per trarre alcune conclusioni. Tutto ciò indica che nella maggior parte di questi paesi la densità delle linee radiotelefoniche ha già raggiunto il livello di densità delle linee telefoniche tradizionali (circa il 50-60%) o almeno la metà. Molti di questi paesi hanno territori molto vasti o popolazioni molto grandi o entrambi. Pertanto, anche il 5% in Brasile e il 3% in Cina escludendo Hong Kong (che cifra piccola e allo stesso tempo un numero mostruosamente elevato di utenti) risultano più significativi rispetto, ad esempio, al 27% da qualche parte in Olanda. In generale, le comunicazioni cellulari sono già diventate un prodotto di consumo di massa e continuano ad aumentare i tassi di crescita. Anche le previsioni più immediate (2003) sono impressionanti: in termini di copertura della popolazione, un intero gruppo di paesi si avvicinerà al 90%. e l'ex Hong Kong (ora regione amministrativa speciale della Repubblica popolare cinese) diventerà il primo territorio in cui questa cifra raggiungerà il 95%! Quasi due dozzine di paesi in termini di densità saranno nell'ordine del 60...95%. Tuttavia, anche i paesi molto sviluppati con territori relativamente grandi non avanzeranno finora: USA - 53%, Germania - 47%, Canada - 30%, Brasile - 22%, Cina - 8%. È interessante notare che i pionieri della telefonia mobile del Regno Unito e degli Stati Uniti saranno dietro a paesi come Austria, Irlanda e Grecia. Forse tra qualche anno vedremo le fasce di utilizzatori di telefoni tradizionali e cellulari quasi eguali in numero. A proposito, oggi ci sono circa 1 miliardo di linee telefoniche cablate in tutto il mondo. Poiché ci sono già sufficienti ragioni per dubitare del consueto primato delle comunicazioni telefoniche via cavo, gli analisti stranieri cominciano a considerare le comunicazioni cellulari come un servizio uguale a quello via cavo, e alcuni addirittura gli danno il primato. Il mercato globale in rapido sviluppo dei servizi di comunicazione cellulare sta attirando l'attenzione di molte aziende. Ad esempio, solo in Russia, circa duecento società operative sono coinvolte in questa attività. Il ritmo sempre più accelerato dello sviluppo della società richiede urgentemente servizi più personalizzati, vale a dire: la possibilità di effettuare una conversazione telefonica (e non solo) con qualsiasi abbonato, ovunque e in qualsiasi momento. Si noti che l'ultima frase è diventata davvero il motto delle comunicazioni cellulari in questi giorni. E non solo lei. Consideriamo ora più in dettaglio le componenti del mercato delle comunicazioni cellulari e alcune fasi storiche del suo sviluppo sia tecnico che organizzativo. Ma prima, una piccola digressione lirica. A proposito degli inizi Quando si tocca un argomento ampio, è utile iniziare con la terminologia per organizzare leggermente la conoscenza che i lettori hanno precedentemente ottenuto da altre fonti, nonché per delineare i confini della narrazione. In relazione a quanto sopra, notiamo innanzitutto che la comunicazione cellulare è un tipo di comunicazione radio altamente mobile, caratterizzata principalmente dal servizio di massa degli abbonati in un'area limitata. Allo stesso tempo, storicamente, le comunicazioni cellulari hanno progressivamente ampliato la portata del servizio per la rete telefonica pubblica (PSTN). In effetti, il termine stesso "comunicazioni cellulari" è un nome abbreviato generalmente accettato per un servizio ottenuto utilizzando reti mobili cellulari basate su sistemi appropriati. Pertanto, questo termine caratterizza le comunicazioni mobili. Tali lunghe discussioni sono necessarie per non confondere la rete cellulare e le comunicazioni cellulari, perché la prima significa un metodo per fornire la copertura radio di un determinato territorio (di conseguenza, può essere utilizzato per fornire sia servizi di comunicazione mobile che fissa), e la il secondo indica un servizio sotto forma di trasmissione e ricezione di informazioni esclusivamente tra abbonati mobili della rete cellulare. Inoltre, oggi può trattarsi non solo di parole, ma anche di dati, ovviamente, di Internet. Va ricordato che qualsiasi sistema di comunicazione radio che funziona con un terminale radio di abbonato con un'antenna omnidirezionale è, in un modo o nell'altro, mobile (e solo quando l'antenna è fissata rigidamente, il movimento dell'abbonato è impossibile), perché l'utente può muoversi rientrare nell’area di copertura della stazione base (BS) e allo stesso tempo essere da essa servito. Pertanto, tali sistemi di comunicazione possono essere suddivisi in quelli che servono gli abbonati a bassa mobilità che hanno la possibilità di spostarsi durante una sessione di comunicazione solo all'interno dell'area di servizio di una BS (questi sistemi possono piuttosto essere definiti fissi), e quelli che consentono un abbonato altamente mobile per effettuare una sessione di comunicazione continua in movimento (anche molto veloce, anche a una velocità di 100 km/h o più) dall'area di servizio di una BS all'area di un'altra BS e oltre all'interno tutto il territorio coperto dalla rete. Questa è la vera comunicazione cellulare. Da quanto sopra si può concludere che il concetto di "comunicazioni fisse" è spesso applicato in modo errato e se un sistema di comunicazioni radio è costituito da una sola stazione base a lungo raggio, di solito può fornire comunicazioni radio mobili nella sua area di servizio . Se la stazione base sarà posizionata su un satellite, faremo un passo importante verso la creazione di una rete di comunicazione satellitare globale (planetaria). Ma scendiamo con i piedi per terra e occupiamoci ora dei “favi”. Le reti cellulari hanno ricevuto il loro nome in conformità con il principio cellulare dell'organizzazione delle comunicazioni, che è la seguente. Nell'area di servizio della rete cellulare è installato il numero richiesto delle già menzionate stazioni ricetrasmittenti base (BS), ciascuna delle quali ha una propria area di copertura radio relativamente piccola, che si sovrappone in qualche modo all'area di servizio delle BS vicine ( garantire una copertura radio continua del territorio). Rispondendo alla domanda logica che sorge nella mente del lettore: "Perché è necessario?", Molti autori di lavori sulle comunicazioni cellulari spesso forniscono approssimativamente i seguenti argomenti: "fornire agli abbonati la possibilità di muoversi", "garantire la compatibilità elettromagnetica di cellule vicine” per migliorare la qualità della comunicazione”. Tutto ciò è ovviamente vero, ma da un lato gli operatori di rete fissa sono interessati anche ad una buona copertura radio e dall'altro, oggettivamente, qualsiasi operatore di rete cellulare è sempre interessato ad avere una rete con meno celle. Ed è ancora meglio se la rete è generalmente composta da una sola cella, perché è la più semplice ed economica. Un'altra cosa è che questo di solito non è possibile implementarlo nella pratica, e quando si cerca di servire contemporaneamente un numero significativo di abbonati raggruppati in un'area relativamente piccola, sorge inevitabilmente la necessità di un numero adeguato di canali di comunicazione radio. E lo spettro radio è, come sappiamo, una risorsa naturale sfruttata da moltissimi utenti, che scarseggia sempre per tutti. Compresi coloro che organizzano numerose interfacce radio tra stazioni base e terminali utente (cellulari). Pertanto, il compito principale che risolve qualsiasi rete cellulare è il riutilizzo economico della stessa risorsa di radiofrequenza assegnata all'operatore di rete per coprire il maggior numero possibile di abbonati. Questo approccio ci consente di risolvere il problema di un servizio di abbonati veramente massiccio a un livello commerciale serio. A proposito dei benefici delle api Ora qualche parola sui favi stessi o, come vengono anche chiamati, cellule. Perché, a proposito, i favi? Sì, perché l'area di copertura radio attorno alla BS è generalmente un cerchio. E delle figure equilatere inscritte in un cerchio (triangoli e quadrati non contano), solo gli esagoni possono coprire qualsiasi superficie senza interruzioni. Pertanto, vengono utilizzati come modello matematico di una rete cellulare. È anche chiaro che un tempo le api lo intuivano molto prima degli operatori radio. La dimensione delle celle/celle di una rete di radiotelefoni cellulari in pratica può variare da decine di metri a decine di chilometri, tuttavia, le loro varietà più piccole, organizzate in luoghi con una concentrazione speciale di abbonati (ad esempio centri commerciali), vengono spesso chiamate a seconda della loro dimensione: pico- o microcelle. Per aumentare la capacità degli abbonati, le celle possono essere progettate secondo un design multisettoriale (di solito con tre o sei settori), che equivale a un'organizzazione economica di tre o sei celle invece di una cella. In questo caso la BS è un blocco di più ricetrasmettitori, ciascuno dei quali con la propria antenna direzionale serve il settore corrispondente della cella. Resta da aggiungere che gli esperti stranieri di solito chiamano una cella di una rete cellulare, insieme alla BS installata in essa, un "sito cellulare". Un compito molto importante che deve affrontare l'operatore di molte reti cellulari per qualsiasi scopo è la pianificazione delle celle a radiofrequenza. Infatti, se la tecnologia dell'interfaccia radio di una rete cellulare prevede la separazione dei canali radio per frequenza, allora le cellule vicine non possono operare sulle stesse frequenze radio, e possono essere riutilizzate solo arretrando di una certa distanza, a seconda delle caratteristiche tecniche della B.S. Questa situazione è molto comune, ma anche molto spiacevole per l'operatore, perché la necessità di organizzare una nuova cella comporta la necessità di riprogrammare la frequenza di estesi frammenti di rete. Tuttavia, tali problemi non preoccupano tutti. Ne parleremo un po' più tardi. Alla ricerca di un abbonato La cosa successiva è molto importante. Diciamo anche che il concetto determinante nelle comunicazioni cellulari è il cosiddetto relè di controllo tra celle quando un abbonato si sposta da una cella all'altra. È questa capacità che distingue le comunicazioni cellulari dalle comunicazioni wireless in generale. Questo controllo non è fornito dalla BS, ma da un centro di commutazione specializzato, che è il nucleo della rete e al quale sono collegate tutte le BS, e allo stesso tempo questo centro, che in generale è un PBX specializzato. incluso nel TFOL. Il controllo della commutazione è associato all'organizzazione di un nuovo canale di comunicazione e al trasferimento ad esso di una specifica connessione telefonica. Può essere prodotto in diversi modi, detti “hard” o “soft”, che dipendono dalle tecnologie utilizzate nella rete e verranno discussi di seguito. Per ora ci concentreremo solo sul nome. Storicamente, in Europa questo processo di passaggio è più spesso chiamato "hand-over", mentre in Nord America - "hand-off". Pertanto, quando si incontrano tali discrepanze, non bisogna sorprendersi. Quando consideriamo il trasferimento (ci concentreremo sul nome più breve), non possiamo ignorare il caso in cui un abbonato si sposta dall'area di servizio di una rete cellulare all'area di servizio di un'altra. Ma reti diverse hanno proprietari-operatori diversi. Il processo (così come la possibilità) di trasferire il controllo tra cellule/reti di proprietari diversi non solo ha ricevuto all'estero il nome di “roaming” (vagabondo), ma è stato anche saldamente stabilito nella grafia russa come “roaming”. Naturalmente, da un lato, il trasferimento non è altro che roaming tra celle vicine, ma per roaming gli operatori di telecomunicazioni intendono molto di più, vale a dire l'interazione tra operatori, per la quale, ovviamente, non solo le caratteristiche tecniche e gli standard di le reti devono coincidere, ma devono essere conclusi accordi adeguati sulla politica tariffaria, accordi reciproci, ecc. Inoltre, le reti cellulari non possono confinare tra loro, il che suggerisce che il roaming è generalmente la capacità di ricevere servizi nelle reti di altri operatori (con cui stipulati contratti di servizio) utilizzando lo stesso telefono cellulare. Resta da aggiungere che il roaming può essere automatico, quando il processo di passaggio da un operatore all'altro viene notato dall'abbonato solo dalla corrispondente indicazione sul terminale dell'abbonato e dalla fattura ricevuta. Il roaming non automatico prevede la notifica preventiva dell'operatore da parte dell'abbonato sulla possibilità di viaggiare fuori rete con tutti i conseguenti inconvenienti, la cui entità dipende dall'efficienza e dalle capacità dell'operatore. Ebbene, il roaming più universale e discreto, ma anche il più scomodo, è semplicemente cambiare il cellulare quando si viaggia fuori dalla portata della “propria” rete. Se però non possiamo utilizzare il terminale del nostro abbonato, non si tratta più di roaming (anche se alcuni operatori offrono proprio questo tipo di roaming!). Tecnologie di interfaccia radio Le comunicazioni cellulari sono caratterizzate dalla possibilità di accesso multiplo, che implica la trasmissione simultanea di informazioni attraverso un dispositivo da parte di molti utenti in un canale di comunicazione comune. In questo caso, la divisione del canale comune può essere effettuata per frequenza (FDMA - Accesso multiplo a divisione di frequenza), ora (TDMA - Accesso multiplo a divisione di tempo) e codice (CDMA - Accesso multiplo a divisione di codice). Le caratteristiche di queste tecnologie sono chiaramente mostrate nella figura.
Nella divisione delle frequenze lo spettro di trasmissione viene suddiviso in aree assegnate a diversi utenti. Solo questo metodo può essere utilizzato per le comunicazioni cellulari analogiche. Pertanto, tutti gli standard di comunicazione cellulare analogica conosciuti si basano su di esso: NMT, AMPS, TACS, ecc. Gli svantaggi dei sistemi analogici sono ormai evidenti: scarsa immunità al rumore e la conseguente bassa qualità della trasmissione vocale, uso inefficiente dello scarso spettro radio, mancanza di protezione contro le intercettazioni, ecc. Va anche detto che i sistemi analogici hanno raggiunto il loro apice di sviluppo nel 1993, dopo di che si è verificato un costante calo del numero dei loro abbonati, e dopo alcuni anni dovrebbero abbandonare completamente il mercato delle comunicazioni a causa della perdita di interesse da parte degli operatori e degli abbonati, l'AMPS era e rimane tuttora lo standard analogico nel mondo. Gli altri due metodi vengono utilizzati nella tecnologia digitale e solitamente in combinazione con la divisione di frequenza. Nel caso dell'accesso multiplo a divisione temporale, più abbonati trasmettono i loro messaggi sulla stessa frequenza radio, ma in momenti diversi, il che consente di aumentare il volume del traffico vocale e ottenere una serie di altri vantaggi caratteristici dei sistemi di comunicazione digitale. Questo metodo si basa su noti standard di comunicazione cellulare digitale a banda stretta come GSM e la sua versione DCS, nonché D-AMPS, che è diventato uno sviluppo logico (miglioramento) dello standard AMPS. Esistono anche standard giapponesi, ma la loro portata è limitata esclusivamente al territorio nazionale. Il principio utilizzato nei sistemi multiaccesso CDMA è quello di espandere lo spettro del segnale informativo originale (nel nostro caso, il parlato) utilizzando un segnale speciale con un inviluppo di forma unica, che è una sorta di codice. Come puoi vedere, in questo caso, tutti gli abbonati operano sulle stesse frequenze radio, per cui la rete cellulare CDMA non ha bisogno di dedicare molti sforzi alla pianificazione delle frequenze. Al ricevitore, il segnale ricevuto dall'altra parte viene elaborato utilizzando un codice identico, con conseguente ripristino del segnale informativo originale. Allo stesso tempo, i segnali di altri utenti per questo ricevitore continuano ad essere ampliati e vengono percepiti da esso solo come "rumore bianco", che è l'interferenza "più morbida" che interferisce meno con il normale funzionamento del ricevitore. Ovviamente. Torneremo su questo più tardi. E per spiegare in modo popolare il principio di funzionamento di un tale sistema, faremo riferimento a un'allegoria di grande successo "per esperti e non così", che, quando spiega le basi della tecnologia CDMA, viene solitamente offerta da Motorola. Immagina una stanza in cui molte coppie di persone parlano tra loro contemporaneamente e in lingue diverse. Ognuno di loro comprende bene il proprio interlocutore e tutte le conversazioni estranee sono percepite come una sorta di sottofondo che non interferisce particolarmente con la conversazione. Questo, in effetti, è il principio. È una questione di tecnica. Autore: A.Golyshko, Mosca
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