Cellular Concepts - Introduction المفاهيم الخلوية - مقدمة
Cellular Concepts - Introduction المفاهيم الخلوية - مقدمة
لا يمكن استغلال الإمكانات الهائلة للهاتف التقليدي إلى أقصى حد بسبب القيود التي تفرضها أسلاك التوصيل. ولكن تمت إزالة هذا القيد مع ظهور الراديو الخلوي.
مشكلة ندرة التردد
إذا استخدمنا حلقة RF مخصصة لكل مشترك ، فإننا بحاجة إلى نطاق ترددي أكبر لخدمة حتى عدد محدود من المشتركين في مدينة واحدة.
مثال
تتطلب حلقة RF واحدة 50 كيلو هرتز B / W ؛ ثم بالنسبة لمشتركي lakh الواحد ، نحتاج إلى 1،00،000 x 50 kHz = 5 GHz.
للتغلب على مشكلة B / W هذه ، يتعين على المشتركين مشاركة قنوات التردد اللاسلكي على أساس الحاجة ، بدلاً من حلقات التردد اللاسلكي المخصصة. يمكن تحقيق ذلك باستخدام طرق الوصول المتعددة FDMA أو TDMA أو CDMA. حتى مع ذلك ، فإن عدد قنوات التردد اللاسلكي المطلوبة لخدمة المشتركين ، يكون غير عملي.
مثال
ضع في اعتبارك كثافة فرعية تبلغ 30 كيلومترًا مربعًا ، ودرجة الخدمة بنسبة 1 ٪ ، وحركة المرور المقدمة لكل فرعي للهاتف المحمول تصل إلى 30 مترًا E. ثم عدد قنوات التردد اللاسلكي المطلوبة -
| نصف القطر (كم) | المنطقة في Sq.km | الغواصات | قنوات RF |
|---|---|---|---|
| 1 | 3.14 | 100 | 8 |
| 3 | 28.03 | 900 | 38 |
| 10 | 314 | 10000 | 360 |
بالنسبة لـ 10000 مشترك لتخصيص 360 قناة راديو ، نحتاج إلى B / Wof 360 × 50 KHz = 18 MHz. هذا غير ممكن عمليا.
النهج الخلوي
مع موارد التردد المحدودة ، يمكن للمبدأ الخلوي أن يخدم آلاف المشتركين بتكلفة معقولة. في الشبكة الخلوية ، يتم تقسيم المساحة الإجمالية إلى مناطق أصغر تسمى "الخلايا". يمكن أن تغطي كل خلية عددًا محدودًا من مشتركي الهاتف المحمول داخل حدودها. يمكن أن تحتوي كل خلية على محطة أساسية بها عدد من قنوات التردد اللاسلكي.
سيتم إعادة استخدام الترددات المستخدمة في منطقة خلية معينة في وقت واحد في خلية مختلفة منفصلة جغرافيًا. على سبيل المثال ، يمكن اعتبار نمط نموذجي من سبع خلايا.
ينقسم إجمالي موارد التردد المتاحة إلى سبعة أجزاء ، يتكون كل جزء من عدد من القنوات الراديوية ويخصص لموقع خلوي. في مجموعة من 7 خلايا ، يتم استهلاك الطيف الترددي المتاح بالكامل. يمكن استخدام نفس مجموعات التردد السبع بعد مسافة معينة.
تسمى مجموعة الخلايا التي يُستهلك فيها الطيف الترددي المتاح بالكامل مجموعة من الخلايا.
خليتان لهما نفس الرقم في المجموعة المجاورة ، تستخدمان نفس مجموعة قنوات التردد الراديوي ، ومن ثم يطلق عليهما اسم "خلايا القناة المشتركة". يجب أن تكون المسافة بين الخلايا التي تستخدم نفس التردد كافية للحفاظ على تداخل القناة المشتركة (co-chl) عند مستوى مقبول. وبالتالي ، فإن الأنظمة الخلوية محدودة بسبب التداخل في نفس القناة.
ومن ثم فإن المبدأ الخلوي يتيح ما يلي.
استخدام أكثر كفاءة لمصدر التردد اللاسلكي المحدود المتاح.
تصنيع كل قطعة من محطة المشترك داخل منطقة ما بنفس مجموعة القنوات بحيث يمكن استخدام أي هاتف محمول في أي مكان داخل المنطقة.
شكل الخلايا
للأغراض التحليلية ، يُفضل استخدام الخلية "السداسية" على الأشكال الأخرى على الورق للأسباب التالية.
يتطلب التخطيط السداسي عددًا أقل من الخلايا لتغطية منطقة معينة. ومن ثم ، فإنه يتصور عددًا أقل من المحطات الأساسية والحد الأدنى من الاستثمار الرأسمالي.
لا تستطيع الأشكال الهندسية الأخرى القيام بذلك بشكل فعال. على سبيل المثال ، إذا كانت هناك خلايا دائرية الشكل ، فسيكون هناك تداخل بين الخلايا.
أيضًا بالنسبة لمنطقة معينة ، بين المربع والمثلث والسداسي ، سيكون نصف قطر الشكل السداسي هو الحد الأقصى المطلوب للهواتف المحمولة الأضعف.
في الواقع ، الخلايا ليست سداسية الشكل ولكنها غير منتظمة الشكل ، تحددها عوامل مثل انتشار الموجات الراديوية على التضاريس والعوائق والقيود الجغرافية الأخرى. برامج الكمبيوتر المعقدة مطلوبة لتقسيم المنطقة إلى خلايا. أحد هذه البرامج هو "تورنادو" من شركة سيمنز.
بيئة التشغيل
بسبب التنقلية ، تخضع الإشارات الراديوية بين المحطة الأساسية والمطاريف المتنقلة لمجموعة متنوعة من التعديلات أثناء انتقالها من المرسل إلى المستقبل ، حتى داخل نفس الخلية. تعود هذه التغييرات إلى -
- الفصل المادي بين جهاز الإرسال والاستقبال.
- البيئة المادية للمسار مثل التضاريس والمباني والعوائق الأخرى.
يتلاشى ببطء
في ظروف الفضاء الحر (أو) LOS ، يعتبر ثابت انتشار إشارة التردد الراديوي اثنين ، أي r = 2. وينطبق ذلك على الأنظمة الراديوية الثابتة.
في بيئة الهاتف المحمول ، تكون هذه الاختلافات ملموسة وعادة ما يتم أخذ "r" من 3 إلى 4.
رايلي يتلاشى
لا يتم ضمان خط الرؤية المباشر في بيئة الهاتف المحمول ، بين المحطة القاعدة والجهاز المحمول ، والإشارة المستقبلة عند المستقبل هي مجموع عدد الإشارات التي تصل عبر مسارات مختلفة (متعدد المسارات). يرجع الانتشار متعدد المسارات لموجات التردد اللاسلكي إلى انعكاس طاقة التردد اللاسلكي من تل أو مبنى أو شاحنة أو طائرة جوية ، إلخ ؛ الطاقة المنعكسة تخضع لتغيير طوري أيضًا.
إذا كان هناك 180 خارج الطور بإشارات مسار مباشر ، فإنها تميل إلى إلغاء بعضها البعض. لذلك تميل إشارات تعدد المسارات إلى تقليل قوة الإشارة. اعتمادًا على موقع المرسل والمستقبل والعوائق العاكسة المختلفة على طول المسار ، تتقلب الإشارة. تحدث التقلبات بسرعة وتعرف باسم "تلاشي رايلي".
بالإضافة إلى ذلك ، يؤدي الانتشار متعدد المسارات إلى "اتساع النبضة" و "تداخل بين الرموز".
تأثير دوبلر
بسبب تنقل المشترك ، يحدث تغيير في تردد إشارات التردد اللاسلكي المستقبلة. تستخدم الأنظمة المتنقلة الخلوية التقنيات التالية لمواجهة هذه المشكلات.
- ترميز القناة
- التداخل
- معادلة
- مستقبلات الخليع
- قفز التردد البطيء
- تنوع الهوائيات
تداخل القناة المشتركة وفصل الخلايا
نحن نفترض نظامًا خلويًا له نصف قطر خلية "R" ومسافة القناة المشتركة "D" وحجم الكتلة "N". نظرًا لأن حجم الخلية ثابت ، فإن التداخل في نفس القناة سيكون مستقلاً عن القدرة.
تداخل Co-chl هو دالة لـ "q" = D / R.
Q = عامل تقليل تداخل Co-chl.
تعني القيمة الأعلى لـ "q" تداخلًا أقل.
تعني القيمة المنخفضة لـ "q" تداخلًا عاليًا.
يرتبط "q" أيضًا بحجم الكتلة (N) مثل q = 3N
ف = 3N = د / ص
لقيم مختلفة لـ N ، q هي -
N = 1 3 4 7 9 12 Q = 1.73 3 3.46 4.58 5.20 6.00
قيم أعلى لـ "q"
- يقلل من تداخل القناة المشتركة ،
- يؤدي إلى ارتفاع قيمة "N" المزيد من الخلايا / الكتلة ،
- عدد أقل من القنوات / الخلايا ،
- قدرة أقل على التعامل مع حركة المرور.
قيم أقل لـ "q"
- يزيد من تداخل القناة المشتركة ،
- يؤدي إلى انخفاض قيمة "n" عدد أقل من الخلايا / الكتلة ،
- المزيد من عدد القنوات / الخلايا ،
- المزيد من القدرة على التعامل مع حركة المرور.
بشكل عام ، N = 4 ، 7 ، 12.
حسابات C / I و 'q'
تعتمد قيمة "q" أيضًا على C / I. "C" هي قدرة الموجة الحاملة المستقبلة من المرسل المطلوب و "I" هي التداخل في نفس القناة المستقبَل من جميع الخلايا المسببة للتداخل. بالنسبة لنموذج إعادة الاستخدام المكون من سبع خلايا ، يجب أن يكون عدد خلايا التداخل في نفس القناة ستة في العدد.
فقدان الإشارة يتناسب مع (المسافة) –r
ص - ثابت الانتشار.
ج α Rr
R = نصف قطر الخلية.
أنا α 6 د
D = مسافة الفصل بين القناة المشتركة
C / I = R - r / 6D –r = 1/6 × Dr / Rr = 1/6 (D / R) r
C / I = 1/6 qr منذ q = D / R و qr = 6 C / I
س = [6 × ج / أنا] 1 / ص
بناءً على جودة الصوت المقبولة ، وُجد أن قيمة C / I تساوي 18 ديسيبل.
بافتراض ،
- نمط إعادة استخدام سبع خلايا
- الهوائيات الاتجاهية أومني
يمكن أن تكون قيمة "q" عادة حوالي 4.6.
يتم أخذ القيمة r على أنها 3.
هذه حالة مثالية ، مع الأخذ في الاعتبار أن مسافة الوحدات المتنقلة من الخلايا المتداخلة تساوي بشكل موحد "D" في جميع الحالات. ولكن من الناحية العملية ، تقل الحركات المتحركة والمسافة "D" إلى "D-R" عندما تصل إلى حدود الخلية ، وتنخفض نسبة C / I إلى 14.47 ديسيبل.
ومن ثم فإن نمط إعادة الاستخدام المتكرر 7 لا يفي بمعايير C / I مع الهوائيات الاتجاهية متعددة الاتجاهات.
إذا كان N = 9 (أو) 12 ،
N = 9 q = 5.2 C / I = 19.78 ديسيبل
N = 12 q = 6.0 C / I = 22.54 ديسيبل
ومن ثم ، فإن نمط 9 أو 12 خلية يجب أن يكون بهوائيات اتجاهية شاملة ، ولكن يتم تقليل قدرة معالجة الحركة. ومن ثم فهي ليست مفضلة.
من أجل استخدام N = 7 (أو أقل) ، يتم استخدام الهوائيات الاتجاهية في كل موقع خلية. تحظى الخلية التي تحتوي على 3 قطاعات بشعبية كبيرة وستكون مثل الشكل الموضح أدناه.
يقلل خط الهوائي - ظاهرة الاقتران الخلفي من عدد مصادر التداخل المحتملة.
على سبيل المثال إذا كان N = 7.
مع الهوائيات متعددة الاتجاهات ، يجب أن يكون عدد الخلايا المسببة للتداخل ستة. مع الهوائيات الاتجاهية و 3 قطاعات ، يتم تقليل نفس الشيء إلى قسمين. بالنسبة إلى N = 7 وثلاثة قطاعات ، يتحسن C / I من 14.47 ديسيبل إلى 24.5 ديسيبل حتى في أسوأ الظروف. ثم C / I يلبي متطلبات 18dB. بالنسبة إلى N = 7 وستة قطاعات ، يتحسن C / I إلى 29 ديسيبل.
بالنسبة للتطبيقات الحضرية ، يتم استخدام N = 4 وخلية قطاعية ثلاثية بحيث يتم الحصول على عدد أكبر من الموجات الحاملة لكل خلية عن N = 7. كما تصبح C / I 20 dB في أسوأ الحالات.
DAMPS يستخدم نمط الخلية 7/21
يستخدم GSM نمط الخلية 4/21
مزايا القطاعات
- تقليل التداخل في نفس القناة
- زيادة قدرة النظام
عيوب القطاعات
- عدد كبير من الهوائيات في المحطة الأساسية.
- تؤدي الزيادة في عدد القطاعات / الخلايا إلى تقليل كفاءة التوصيل
- يؤدي التقسيم إلى تقليل منطقة التغطية لمجموعة معينة من القنوات.
- عدد زيادات "تسليم".
تسليم
عندما تنتقل الوحدة المتنقلة على طول مسار فإنها تعبر خلايا مختلفة. في كل مرة تدخل فيها خلية مختلفة مرتبطة بـ f = تردد مختلف ، تتولى المحطة القاعدة الأخرى التحكم في الهاتف المحمول. يُعرف هذا باسم "Hand off".
يتم تحديد التسليم بناءً على -
- تم تلقي معلومات قوة الإشارة إذا كانت أقل من قيمة العتبة.
- نسبة الموجة الحاملة إلى التداخل أقل من 18 ديسيبل.
تداخل القناة المجاورة
تستخدم خلية / قطاع معين عددًا من قنوات التردد اللاسلكي. يحدث تداخل في القناة المجاورة بسبب مرشحات المستقبل غير الكاملة ، والتي تسمح للترددات القريبة بالتسرب إلى نطاق تمرير.
يمكن تقليله بالحفاظ على فواصل التردد بين كل قناة RF في خلية معينة أكبر ما يمكن. عندما يكون عامل إعادة الاستخدام صغيرًا ، فقد لا يكون هذا الفصل كافياً.
يكون فصل القنوات ، عن طريق اختيار ترددات RF ، التي تفصل بينها أكثر من 6 قنوات ، كافياً لإبقاء تداخلات القناة المجاورة ضمن الحدود.
على سبيل المثال ، في GSM الذي يتبع نمط 4/12 ، N = 4
القطاعات = 3 / خلية
سوف IA استخدام RF Carr. 1 ، 13 ، 25 ، ......... ..
سيستخدم IB RF Carr 5، 17، 29، …………
سيستخدم IC RF Carr. 9 ، 21 ، 33 ، ……… .. وهكذا.
الكابلات
تعتمد أجهزة الراديو الخلوية على الكابلات لاستيعاب عدد كبير من المستخدمين في نطاق راديوي محدود. يتم تخصيص قناة لكل مستخدم على أساس الحاجة / لكل مكالمة وعند إنهاء الخلية ، يتم إرجاع القناة إلى المجموعة المشتركة لقنوات التردد اللاسلكي.
درجة الخدمة (GOS)
بسبب التوصيل ، هناك احتمال أن يتم حظر المكالمة إذا كانت جميع قنوات التردد اللاسلكي مشغولة. وهذا ما يسمى "درجة الخدمة" "GOS".
يقدر المصمم الخلوي السعة القصوى المطلوبة ويخصص العدد المناسب من قنوات التردد اللاسلكي ، من أجل تلبية GOS. لهذه الحسابات ، يتم استخدام جدول "ERLANG B".
تقسيم الخلية
عندما يصل عدد المستخدمين إلى مرحلة التشبع في خلية بدء التشغيل (التصميم الأولي) ولا يتوفر المزيد من الترددات الاحتياطية ، يتم تقسيم خلية البدء ، عادةً في أربع خلايا أصغر وتزداد حركة المرور بمقدار أربعة أو أكثر من عدد المشتركين يمكن تقديمها.
بعد الانقسام ، ستكون حركة المرور -
T2 = T0 × 42
سيتم تخفيض الطاقة -
P2 = P0 - n × 12 ديسيبل
ومن ثم فإن تقسيم الخلية يحسن السعة ويقلل من قوة الإرسال.
التسميات: Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) النظام العالمي للاتصالات المتنقلة (UMTS), virtual class
