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无线电电子与电气工程百科全书 蜂窝通信的特点。 无线电电子电气工程百科全书
80世纪90年代和XNUMX年代新电信技术的快速发展与电信、信息技术和电子领域科学技术成果的积极利用有关。 优先技术之一是蜂窝通信，它在人群中越来越受欢迎，并且发展速度非常快。
“在确定没有什么可以让你学习之前，不要放弃可能的未来。”
世界冠军 就像那些喜欢从头读完杂志的读者一样，让我们跳到前面来说主要的事情：今天没有一种电信技术能够像无线电话技术一样发展得如此之快，尤其是为移动用户提供服务的蜂窝通信技术。 此类用户的数量每年以约 40% 的速度增长，最近已突破 350 亿大关。 应该指出的是，某些类型的蜂窝移动网络显示出更令人印象深刻的增长率。 在全球范围内，GSM网络用户的年增长率约为70％（gsmworld.com），而对于cdmaOne网络（我们称为CDMA / IS-95），在过去一年中已达到近160％（cdg.org） ）！ 预计 1 年至 2002 年的某个时候，移动电话用户将达到 2003 亿。 尽管距离蜂窝网络退出商业市场科技发展阶段（70世纪80-XNUMX年代之交）的时间并不算太长，但手机如今已不再是声望的象征，而是成为了一种生活方式。允许更有效地利用工作时间、及时管理技术、经济和其他流程的工具。 与此同时，蜂窝网络不仅在广度上不断扩大，而且所提供的附加服务数量也在稳步增加。 如果我们以许多发达国家已经达到的蜂窝网络密度来衡量（英国电信工程公司的数据），那么其中无可争议的领先者是芬兰，该国约70%的人口拥有手机。 斯堪的纳维亚半岛的邻国稍稍落后（从 50% 到 60%），中国的一块（前香港）插入其中。 包括澳大利亚和日本在内的另外六个国家已经突破了 30% 的门槛，而包括英国和美国在内的一整批国家已经接近这一门槛。 大约 20% 的指标位于德国、法国、西班牙、加拿大和其他一些国家。 然而，移动通信的成功可以列举很长时间，但已经给出的信息足以得出一些结论。 所有这些都表明，在这些国家中，大多数国家的无线电话线路密度已经达到了传统电话线路密度的水平（大约50-60%），或者至少是传统电话线路密度的一半。 其中许多国家要么领土面积很大，要么人口众多，要么两者兼而有之。 因此，即使巴西的 5% 和中国的 3%（不包括香港）（这个数字很小，但同时用户数量却非常多），结果也比荷兰某个地方的 27% 更重要。 。 总体而言，蜂窝通信已经成为大众消费的产物，并持续提高其增长率。 即使是最直接的预测（2003 年）也令人印象深刻：就人口覆盖率而言，整个国家集团的人口覆盖率将接近 90%。 而前香港（现为中华人民共和国特别行政区）将是第一个达到95%的地区！ 几乎有二十几个国家的密度将在 60 ... 95% 范围内。 然而，即使是拥有相对较大领土的非常发达国家也不会进步这么远：美国 - 53％，德国 - 47％，加拿大 - 30％，巴西 - 22％，中国 - 8％。 有趣的是，面对英国和美国等移动通信先驱，将落后于奥地利、爱尔兰和希腊等国家。 也许几年后我们就会看到传统手机和手机的用户群体在数量上几乎相等。 顺便说一句，今天全世界大约有 1 亿条有线电话线。 由于有足够的理由怀疑有线电话通常的首要地位，外国分析人士开始将蜂窝通信视为与有线同等的服务，有些人甚至给予它首要地位。 快速发展的全球蜂窝服务市场吸引了许多公司的关注。 例如，仅在俄罗斯就有大约XNUMX家运营公司参与这项业务。 社会发展步伐的不断加快迫切需要获得更加个性化的服务，即：随时随地与任何用户进行电话交谈（并且不仅如此）的可能性。 请注意，最后一句话已真正成为当今蜂窝通信的座右铭。 而且不仅仅是她。 现在让我们仔细看看蜂窝通信市场的组成部分以及其技术和组织发展的一些历史阶段。 但首先，先说一点抒情的题外话。 关于起点 当涉及一个大主题时，从术语开始是很有用的，这样可以稍微简化读者之前从其他来源获得的知识，并勾勒出叙述的界限。 结合前述，首先我们注意到，蜂窝通信是一种高度移动的无线电通信，其主要特征是在有限区域内为用户提供大量服务。 同时，从历史上看，蜂窝通信逐渐扩大了公共电话网络（PSTN）的服务范围。 事实上，术语“蜂窝通信”本身是使用基于相应系统的部署的蜂窝移动网络接收的服务的普遍接受的缩写。 因此，该术语表征了移动通信。 如此冗长的讨论是必要的，以免混淆蜂窝网络和蜂窝通信，因为蜂窝网络是指提供特定区域无线电覆盖的方法（分别可用于提供移动和固定通信服务），而第二——专门在蜂窝网络的移动用户之间传输和接收信息的服务。 今天它不仅可以是语音，还可以是数据，当然还有互联网。 应该记住，任何与具有全向天线的用户无线终端一起工作的无线通信系统或多或少都是移动的（并且只有天线刚性固定，用户的移动是不可能的），因为用户可以在范围内移动。基站 (BS) 的范围并由其提供服务。 因此，这种通信系统可以分为那些为久坐的用户提供服务的系统，这些用户在通信会话期间只能在一个BS的服务区域内移动（这些系统可以更确切地称为固定的），以及那些允许高度移动的用户。移动用户从一个基站的服务区域到另一个基站的区域以及进一步在整个区域内进行连续的通信会话（包括非常快的移动，甚至以100公里/小时或更高的速度）网络覆盖的区域。 这就是真正的蜂窝通信。 由上可知，这里经常错误地使用“固定通信”的概念，如果一个无线通信系统仅由一个远程基站组成，那么它通常可以在其服务区域内提供移动无线通信。 如果基站位于卫星上，那么我们将朝着创建全球（行星）卫星通信网络迈出重要一步。 但让我们深入到地面，现在让我们来处理“蜂窝”。 蜂窝网络是根据蜂窝通信组织原理而得名的，具体如下。 在蜂窝网络的服务区域中，安装了所需数量的已经提到的基站收发信台（BS），每个基站收发信台都有自己相对较小的无线电覆盖区域，与相邻BS的服务区域有些重叠（以确保该领土的连续无线电覆盖）。 回答读者的逻辑问题：“为什么这是必要的？” - 许多蜂窝通信著作的作者经常给出大约以下论点：“为用户提供移动的机会”，“实现相邻小区的电磁兼容性” “他们”要提高沟通质量”。 当然，所有这些都是事实，但首先，固网运营商也对良好的无线电覆盖范围感兴趣，其次，客观上，任何蜂窝网络运营商总是对其网络中拥有更少的小区感兴趣。 更好的是，网络通常仅由一个小区组成，因为这是最简单且最便宜的。 另一件事是，这在实践中通常是不可能的，并且当试图同时为聚集在相对较小的区域中的大量用户提供服务时，不可避免地需要具有适当数量的无线电通信信道。 如您所知，无线电频谱是一种被许多用户利用的自然资源，而且始终供不应求。 包括那些在基站和用户终端（蜂窝电话）之间组织大量无线电接口的人。 因此，任何蜂窝网络解决的主要任务是经济地多次使用分配给网络运营商的相同射频资源，以覆盖尽可能多的用户。 这种方法可以在严格的商业水平上解决真正的订户排队问题。 关于蜜蜂的好处 现在简单介绍一下细胞本身，或者也称为细胞。 顺便问一下，为什么是蜂窝？ 是的，因为一般情况下基站周围的无线电覆盖区域是一个圆圈。 在圆内接的等边图形中（三角形和正方形不算），只有六边形可以覆盖任何表面而不会破裂。 因此，它们被用作蜂窝网络的数学模型。 同样清楚的是，蜜蜂一度比无线电操作员早得多就猜到了这一点。 实际上，蜂窝无线电话网络的小区/小区的大小可以从几十米到几十公里不等，然而，在用户特别拥挤的地方（例如，商务中心）组织的它们的最小种类通常被称为根据其大小：微微蜂窝或微蜂窝。 为了增加用户容量，小区可以采用多扇区设计（通常具有三个或六个扇区）来实现，这相当于一个经济的组织而不是一个小区，分别是三个或六个。 在这种情况下，BS 是由多个收发器组成的块，每个收发器都以其定向天线为小区的相应扇区提供服务。 需要补充的是，蜂窝网络的一个小区，连同安装在其中的基站，通常被国外专家称为“小区站点”。 出于任何目的，许多蜂窝网络运营商面临的一项非常重要的任务是射频小区规划。 事实上，如果蜂窝网络的无线接口技术提供按频率分离无线信道，则相邻小区不能在相同的无线频率上运行，并且它们只能通过后退一定距离来重用，具体取决于技术特性BS的。 这种情况很常见，但对于运营商来说也很不愉快，因为组织新小区的需要需要对大量网络碎片进行频率重新调度。 然而，并不是所有人都关心这些问题。 我们稍后会讨论这个问题。 追求订户 下一篇非常重要。 甚至可以说，蜂窝通信中的定义概念是当用户从一个小区移动到另一个小区时所谓的小区之间的接力竞赛控制转移。 正是这种能力将蜂窝通信与一般的无线通信区分开来。 这种控制不是由 BS 提供的，而是由专门的交换中心提供的，该中心是网络的核心，所有 BS 都连接到该中心。同时，该中心在一般情况下是专门的交换机。 包含在 TfOL 中。 控制权的切换与新通信通道的组织以及特定电话连接的转移相关联。 它可以通过不同的方式来完成，称为“硬”或“软”，这取决于网络中使用的技术，将在下面讨论。 现在，我们只关注名称。 从历史上看，这种切换过程在欧洲更常被称为“移交”，在北美被称为“移交”。 因此，遇到这样的差异，人们不应该感到惊讶。 考虑到切换（我们将关注更短的名称），不能忽视用户从一个蜂窝网络的服务区域移动到另一个蜂窝网络的服务区域的情况。 但不同的网络有不同的所有者-运营商。 在不同所有者的小区/网络之间转移控制权的过程（以及可能性）不仅在国外被称为“漫游”（流浪者），而且在俄语拼写中也牢固地确立了自己的“漫游”地位。 当然，一方面，切换无非是相邻小区之间的漫游，但是，漫游意味着信令的更多含义，即运营商间的交互，这当然不仅仅是技术特性和网络标准必须匹配，但必须就资费政策、相互结算等达成适当的协议。此外，蜂窝网络之间可能不接壤，这表明漫游通常是在其他运营商的网络中接收服务的能力（与使用同一部手机的服务合同）。 还需要补充的是，当从一个运营商切换到另一运营商的过程被订户仅通过订户终端上的相应指示以及通过所接收的帐单注意到时，漫游可以是自动的。 非自动漫游意味着订户事先通知运营商有关在网络外旅行的可能性以及随之而来的所有不便，其程度取决于运营商的及时性和能力。 那么，最通用、最不引人注目，但也是最不方便的漫游，就是离开“自己”网络范围时更换手机。 然而，如果我们无法使用我们的用户终端，那么这根本就不是漫游（尽管有些运营商只提供这种类型的漫游！）。 无线电接口技术 蜂窝通信的特点是可以进行多址接入，这意味着许多用户可以在公共通信信道上通过一台设备同时传输信息，在这种情况下，公共信道的划分可以按频率进行（FDMA -频分多址）、时间（TDMA - 时分多址）和代码（CDMA - 码分多址）。 这些技术的特点在图中清晰可见。
在频分中，传输频谱被划分为分配给不同用户的部分。 只有这种方法可以与模拟蜂窝一起使用。 因此，所有已知的模拟蜂窝通信标准都基于它：NMT、AMPS、TACS 等。模拟系统的缺点现在显而易见：抗噪性差以及相关的语音传输质量低、稀缺无线电频谱使用效率低、缺乏还应该说，模拟系统在1993年达到了发展的顶峰，此后其用户数量稳步下降，几年后它们通常会因通信市场的原因而退出通信市场。运营商和用户失去兴趣。世界上的模拟标准过去是，现在仍然是 AMPS。 另外两种方法与数字技术一起使用，通常与分频结合使用。 在时分多址的情况下，多个用户在相同的射频上但在不同的时间传输他们的消息，这允许增加语音流量并获得数字通信系统特有的许多其他优点。 该方法基于诸如GSM及其DCS品种以及D-AMPS等众所周知的窄带数字蜂窝通信标准，这已成为AMPS标准的逻辑发展（改进）。 还有日本标准，但其范围仅限于国家领土。 CDMA多址系统中使用的原理是借助具有独特包络形状的特殊信号（一种代码）来扩展原始信息信号（在我们的例子中为语音）的频谱。 可以看出，在这种情况下，所有用户都在相同的无线电频率上操作，因此CDMA蜂窝网络不需要在频率规划上花费太多精力。 在接收器中，使用相同的代码处理在另一侧接收到的信号，从而恢复原始信息信号。 与此同时，其他用户对该接收机的信号不断扩展，仅被其感知为“白噪声”，这是对接收机正常工作干扰最小的“最软”干扰。 当然。 我们将回到这一点。 为了通俗地解释这种系统的工作原理，我们将引用一个非常成功的寓言“专家而不是专家”，该寓言解释了 CDMA 技术的基础知识，通常由摩托罗拉提供。 想象一下一个房间，里面有很多人同时用不同的语言交谈。 他们每个人都很好地理解他的对话者，所有无关的对话都被视为一种不会特别干扰对话的背景。 事实上，这就是整个原则。 这是一个技术问题。 作者：A.Golyshko，莫斯科
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