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Grundlegende Konzepte für zellulare Kommunikationssysteme

Grundlegende Konzepte für zellulare Kommunikationssysteme


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Zellularsysteme sind heutzutage weit verbreitet und die Zellulartechnologie muss eine sehr effiziente Nutzung des verfügbaren Frequenzspektrums bieten. Bei Milliarden von Mobiltelefonen, die heute weltweit verwendet werden, ist es notwendig, die verfügbaren Frequenzen um ein Vielfaches wiederzuverwenden, ohne dass ein Mobiltelefon das andere gegenseitig stört.

Dieses Konzept der Frequenzwiederverwendung ist das Herzstück der Zellulartechnologie. Die zur Unterstützung erforderliche Infrastrukturtechnologie ist jedoch nicht einfach, und es waren erhebliche Investitionen erforderlich, um die ersten Mobilfunknetze in Betrieb zu nehmen.

Frühe Systeme für Funktelefone verwendeten einen einzigen zentralen Sender, um einen weiten Bereich abzudecken. Diese Funktelefonsysteme litten unter der begrenzten Anzahl verfügbarer Kanäle.

Oft waren die Wartelisten für die Verbindung um ein Vielfaches größer als die Anzahl der tatsächlich verbundenen Personen. Angesichts dieser Einschränkungen hat sich diese Form der Funkkommunikationstechnologie nicht wesentlich durchgesetzt. Die Ausrüstung war groß und diese Funkkommunikationssysteme waren nicht bequem zu benutzen oder herumzutragen.

Die Notwendigkeit eines spektrumeffizienten Systems

Nehmen Sie das Beispiel, in dem jedem Benutzer ein Kanal zugewiesen ist, um die Notwendigkeit einer effizienten Frequenznutzung für ein Funkkommunikationssystem zu veranschaulichen. Während jetzt effektivere Systeme verwendet werden, wird das Beispiel den Fall eines analogen Systems nehmen. Jeder Kanal muss eine Bandbreite von etwa 25 kHz haben, damit eine ausreichende Audioqualität übertragen werden kann, und es muss ein Schutzband zwischen benachbarten Signalen vorhanden sein, um sicherzustellen, dass keine übermäßigen Interferenzpegel auftreten. Mit diesem Konzept können nur 40 Benutzer in einem Frequenzband mit einer Breite von 1 MHz untergebracht werden. Selbst wenn dem System 100 MHz zugewiesen wurden, konnten nur 4000 Benutzer auf das System zugreifen. Heutzutage haben zellulare Systeme Millionen von Teilnehmern, und daher ist eine weitaus effizientere Methode zur Nutzung des verfügbaren Spektrums erforderlich.


Zellsystem zur Frequenzwiederverwendung

Das angewandte Verfahren besteht darin, die Wiederverwendung der Frequenzen zu ermöglichen. Jeder Funksender hat nur einen bestimmten Versorgungsbereich. Darüber hinaus fällt der Signalpegel auf einen Grenzwert, unter den er nicht verwendet werden kann, und verursacht keine signifikanten Störungen für Benutzer, die einem anderen Funksender zugeordnet sind. Dies bedeutet, dass es möglich ist, einen Kanal einmal außerhalb der Reichweite des Funksenders wiederzuverwenden. Gleiches gilt auch in umgekehrter Richtung für den Empfänger, wo er nur Signale über einen bestimmten Bereich empfangen kann. Auf diese Weise ist es möglich, einen Bereich in mehrere kleinere Bereiche aufzuteilen, die jeweils von einer anderen Sende- / Empfangsstation abgedeckt werden.

Diese Regionen sind zweckmäßigerweise als Zellen bekannt und lassen den Namen einer heute verwendeten "zellulären" Technologie entstehen. Diagrammatisch werden diese Zellen häufig als hexagonale Formen dargestellt, die bequem zusammenpassen. In Wirklichkeit ist dies nicht der Fall. Sie haben unregelmäßige Grenzen aufgrund des Geländes, über das sie reisen. Hügel, Gebäude und andere Objekte bewirken, dass das Signal in jeder Richtung gedämpft und unterschiedlich verringert wird.

Es ist auch sehr schwierig, die genaue Kante einer Zelle zu definieren. Die Signalstärke nimmt allmählich ab und zum Rand der Zelle hin nimmt die Leistung ab. Da die Handys selbst unterschiedliche Empfindlichkeitsstufen aufweisen, wird der Rand der Zelle weiter grau. Daher ist es niemals möglich, einen scharfen Schnitt zwischen den Zellen zu erzielen. In einigen Bereichen können sie sich überlappen, während in anderen ein "Loch" in der Abdeckung vorhanden ist.

Zellcluster

Bei der Entwicklung der Infrastrukturtechnologie eines zellularen Systems wird die Interferenz zwischen benachbarten Kanälen reduziert, indem benachbarten Zellen unterschiedliche Frequenzbänder oder Kanäle zugewiesen werden, so dass sich ihre Abdeckung geringfügig überlappen kann, ohne Interferenzen zu verursachen. Auf diese Weise können Zellen in einem sogenannten Cluster zusammengefasst werden.

Oft enthalten diese Cluster sieben Zellen, aber auch andere Konfigurationen sind möglich. Sieben ist eine bequeme Zahl, aber es gibt eine Reihe widersprüchlicher Anforderungen, die bei der Auswahl der Anzahl der Zellen in einem Cluster für ein zellulares System ausgeglichen werden müssen:

  • Begrenzung der Interferenzpegel
  • Anzahl der Kanäle, die jedem Zellenstandort zugewiesen werden können

Es ist notwendig, die Interferenz zwischen Zellen mit der gleichen Frequenz zu begrenzen. Die Topologie der Zellenkonfiguration hat einen großen Einfluss darauf. Je größer die Anzahl der Zellen im Cluster ist, desto größer ist der Abstand zwischen Zellen, die dieselben Frequenzen teilen.

In der idealen Welt kann es sinnvoll sein, eine große Anzahl von Zellen in jedem Cluster auszuwählen. Leider ist nur eine begrenzte Anzahl von Kanälen verfügbar. Dies bedeutet, dass je größer die Anzahl der Zellen in einem Cluster ist, desto kleiner die Anzahl ist, die jeder Zelle zur Verfügung steht, und dies verringert die Kapazität.

Dies bedeutet, dass ein Gleichgewicht zwischen der Anzahl der Zellen in einem Cluster, den Interferenzpegeln und der erforderlichen Kapazität hergestellt werden muss.

Zellgröße

Obwohl die Anzahl der Zellen in einem Cluster in einem zellularen System dazu beitragen kann, die Anzahl der Benutzer zu bestimmen, die untergebracht werden können, ist es durch Verkleinern aller Zellen möglich, die Gesamtkapazität des zellularen Systems zu erhöhen. Eine größere Anzahl von Senderempfängern oder Basisstationen ist jedoch erforderlich, wenn die Zellen kleiner gemacht werden, und dies erhöht die Kosten für den Bediener. Dementsprechend werden in Gebieten mit mehr Benutzern kleine Basisstationen mit geringem Stromverbrauch installiert.

Die verschiedenen Zelltypen erhalten je nach Größe und Funktion unterschiedliche Namen:

  • Makrozellen: Makrozellen sind große Zellen, die normalerweise für abgelegene oder dünn besiedelte Gebiete verwendet werden. Diese können einen Durchmesser von 10 km oder mehr haben.
  • Mikrozellen: Mikrozellen sind solche, die normalerweise in dicht besiedelten Gebieten mit einem Durchmesser von etwa 1 km vorkommen.
  • Pico-Zellen: Picozellen werden im Allgemeinen zum Abdecken sehr kleiner Bereiche wie bestimmter Bereiche von Gebäuden oder möglicherweise von Tunneln verwendet, in denen eine Abdeckung durch eine größere Zelle im zellularen System nicht möglich ist. Offensichtlich sind für die kleinen Zellen die von den Basisstationen verwendeten Leistungspegel viel niedriger und die Antennen sind nicht so positioniert, dass sie weite Bereiche abdecken. Auf diese Weise wird die Abdeckung minimiert und die Störung benachbarter Zellen verringert.
  • Selektive Zellen: Manchmal können als selektive Zellen bezeichnete Zellen verwendet werden, bei denen keine vollständige 360-Grad-Abdeckung erforderlich ist. Sie können verwendet werden, um ein Loch in der Abdeckung des zellularen Systems zu füllen oder um ein Problem wie den Eingang zu einem Tunnel usw. anzugehen.
  • Regenschirmzellen: Ein anderer Zelltyp, der als Regenschirmzelle bekannt ist, wird manchmal in Fällen verwendet, in denen eine stark befahrene Straße einen Bereich durchquert, in dem sich Mikrozellen befinden. Unter normalen Umständen würde dies zu einer großen Anzahl von Übergaben führen, da Personen, die auf der Straße fahren, die Mikrozellen schnell überqueren würden. Eine Regenschirmzelle würde die Abdeckung der Mikrozellen aufnehmen (aber andere Kanäle verwenden als die den Mikrozellen zugewiesenen). Dies würde es jedoch ermöglichen, dass die Personen, die sich entlang der Straße bewegen, von der Regenschirmzelle gehandhabt werden und weniger Übergaben erfahren, als wenn sie von einer Mikrozelle zur nächsten gehen müssten.

Intrastrukturtechnologie

Obwohl sich die hier zur Beschreibung der für zellulare Systeme verwendeten grundlegenden Infrastrukturtechnologien verwendeten Abbildungen auf die ursprünglichen Systeme der ersten Generation beziehen, dient sie dazu, einen Überblick über die grundlegenden zellularen Konzepte zu geben, die die Eckpfeiler der heutigen zellularen Technologie bilden. Neue Techniken werden verwendet, aber die verwendeten Grundkonzepte werden noch verwendet.

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