Struktura plastra miodu

System komórkowy jak sama nazwa wskazuje podzielony jest na mniejsze części – nazywane komórkami. Każda z komórek posiada nadajnik stacji bazowej o stosunkowo niewielkiej mocy, dzięki czemu w kilku komórkach można wykorzystać tę samą częstotliwość. Ta struktura rozmieszczenia sieci nadajników nazywana jest strukturą plastra miodu.

Strefy znajdujące się wokół dowolnego nadajnika radiowego to:

  1. Strefa zasięgu dobrej słyszalności sygnału,
  2. Strefa zasięgu słabego sygnału – zasięg w niej jest zbyt słaby aby umożliwić skuteczną transmisję, ale jest na tyle silny, by zakłócać pracę pozostałych systemów działających w tej samej częstotliwości,
  3. Strefa zasięgu o niesłyszalnym sygnale.

Struktura plastra miodu jest punktem wyjścia dla sieci telefonii komórkowej. Obszar działania w tej strukturze jest siatką regularnych, sześciokątnych komórek tej samej wielkości. Każda komórka posiada w jej środku stację bazową której zadaniem jest nadawanie sygnału na całą komórkę. W momencie przekroczenia granicy komórki, znajdujemy się automatycznie w innej komórce i zasięgu innej stacji bazowej. Wtedy, gdy są do tego odpowiednie warunki (są wolne kanały i warunki propagacyjne) system sterujący siecią przełącza nas i odbierany sygnał z innej stacji bazowej.

nadajnik sieci telefonicznej

Pojemność sieci telefonii komórkowej

Każda sieć komórkowa ma swoją pojemność – czyli zdolność do obsługi ruchu telefonicznego. Zdolność ta podawana jest w przeliczeniu na jednostkę powierzchni. Najczęściej jest ona mierzona jako średnia liczba kanałów rozmownych przypadających na daną jednostkę powierzchni.

Pojemność sieci komórkowej jest uzależniona od wielu czynników, m.in.:

  • rozmiaru komórek,
  • stopnia powtórnego wykorzystania częstotliwości,
  • liczby kanałów rozmownych przypadających na 1MHz pasma,
  • łącznej szerokości pasma użytkowanego przez danego operatora.

Inne czynniki które wpływają na pojemność sieci muszą być zakwestionowane decyzją organów regulujących bądź zmian w standardzie GSM.

Wielkość komórek jest podyktowana przede wszystkim kwestią opłacalności. Rozbudowa sieci komórkowej to duży koszt związany z instalacją dużej ilości stacji bazowych. Im więcej komórek tym więcej problemów z zakłóceniami współkanałowymi, czyli „konfliktami” w sieci. Planowanie systemu komórkowego jest bardzo skomplikowane. Konieczny jest kompromis między kosztem tego systemu, jego pojemnością, jakością usług oraz obszarem objętym zasięgiem.

Co to są fale radiowe?

Fale radiowe definiowane są jako promieniowanie elektromagnetyczne, mieszczące się w zakresie częstotliwości od 3Hz do około 3THz. Długość tego rodzaju fal wynosi od 100 000 km do 0,1 mm. Istnieją naturalne źródła fal radiowych – są to między innymi wyładowania atmosferyczne, zjawiska geologiczne zachodzące we wnętrzu Ziemi oraz zorze polarne. Wyróżnia się również sztuczne źródła fal radiowych: zamierzone (nadajniki radiowe) oraz zakłócenia/szumy (np. instalacje prądu przemiennego).

Podział fal radiowych

W związku z ogromnym zakresem fal radiowych opracowano ich szczegółowy podział. Wyróżnia się fale bardzo długie i ekstremalnie długie o długościach rzędu dziesiątek kilometrów i większych. Fale te wytwarzane są głównie w procesach naturalnych i stosowane są np. w komunikacji z łodziami podwodnymi. Kolejnymi grupami fal radiowych są fale długie, średnie i krótkie, stosowane w telekomunikacji oraz tzw. mikrofale o długościach poniżej 1 m. Ostatnią wyróżnianą grupą są fale submilimetrowe.

Fale radiowe w technologii GSM

Fale radiowe w znacznym stopniu wykorzystywane są przez telefonię komórkową. Gdy wybieramy połączenie telefoniczne znaczna część odległości pokonywana jest przez przewody jednak na ostatnim odcinku drogi komunikacja odbywa się drogą radiową.

Przesyłanie informacji za pomocą fal radiowych jest możliwe tylko w układzie składającym się z:

  • łańcucha telekomunikacyjnego wraz z nadajnikiem i anteną nadawczą,
  • odbiornika wyposażonego w antenę odbiorczą.

Komunikacja pomiędzy 2 antenami odbywa się za pomocą informacji przekazanych w postaci fali elektromagnetycznej. Pomiędzy nimi znajduje się kanał radiowy. Jest nim przestrzeń atmosferyczna.

Moc nadajników radiowych

Moc która pozwala na wypromieniowanie sygnału w przestrzeń mierzy się w watach. Najczęściej spotykanym poziomem mocy nadajników stacji radiofonicznych są nadajniki o mocy od 100W do 3000W. Istnieją również znacznie mocniejsze nadajniki które służą np. do propagacji fal długich. Ich moc może sięgać nawet do kilkuset tysięcy watów. Moc w standardowych nadajnikach telefonów komórkowych wynosi od 0,25W do 2W.

Sygnał nadawany przez antenę rozchodzi się jednocześnie we wszystkich kierunkach. Nie zawsze rozchodzi się on w sposób równomierny. Istnieją anteny które lepiej propagują jak i odbierają sygnał w danym kierunku. Poniżej przykładowe typy takich anten:

typy anten

  1. Antena nadająca sygnał w kąt ok. 120 stopni.
  2. Antena, która promieniuje sygnał w kąt o szerokości kilku stopni.
  3. Antena, która wysyła sygnał dookoła w sposób spłaszczony. Sygnał wysyłany jest w płaszczyźnie poziomej.

Dzięki stosowaniu anten kierunkowych można osiągnąć sygnał o podobnym natężeniu przy znacznie mniejszej mocy. Przy antenach o szerokim koncie promieniowania oszczędność może być ok. dziesięciokrotna, a przy antenie kierunkowej o wąskim kącie promieniowania nawet stukrotna. Anteny dookolne dają ok. 2 krotną oszczędność mocy.

Kierunkowość charakterystyki anten ma znaczenie zarówno podczas nadawania sygnału jak i podczas odbioru. Jeśli dwie anteny (odbiorcza i nadawcza) będą miały charakterystykę kierunkową, kierunkowe zyski tych anten zsumują się.

Propagacja, czyli rozchodzenie się sygnału w kanale radiowym to zjawisko uzależnione od wielu czynników. Zależy ona przede wszystkim od właściwości samej fali, czyli jej długości oraz polaryzacji, a także od warunków środowiska, w którym rozchodzi się fala. Przez warunki środowiska rozumie się ukształtowanie terenu i rodzaj jego pokrycia – fale radiowe inaczej rozchodzą się na terenach pokrytych wodą, w lesie, w terenach zabudowanych, czy na otwartych przestrzeniach. Natężenie pola elektromagnetycznego maleje wraz ze wzrostem odległości pomiędzy stacją bazową a telefonem.

Bardzo upraszczając sytuację w kanałach rzeczywistych moc sygnału to 1/d^a, gdzie:
„d” – odległość pomiędzy antenami
„a” – współczynnik tłumienia fali, ma wartości z przedziału 1,5 – 6. Standardowa wartość współczynnika w komórkach podmiejskich wynosi 3. W centrach miast często a=5, w mieszkaniach 6, ale np. na przecięciu dwóch anten nadających sygnał 1,5. Im większa jest wartość tego współczynnika, tym sygnał szybciej się gubi, wraz ze wzrostem odległości.

Zjawiskiem kształtującym sygnał w kanale radiowym jest transmisja wielodrogowa. Oznacza to że sygnał docierający do aparatu telefonicznego jest łączony z wielu różnych źródeł. Jest to spowodowane różnymi zakłóceniami i sygnał z jednego źródła zgubiłby się w aglomeracji bloków.

Tłumienie sygnałów w sygnałach rzeczywistych jest o wiele większe w niż tłumienie w wolnej przestrzeni. Sytuacja jest spowodowana różnymi zjawiskami ubocznymi m.in. zaniki propagacji wielodrogowej, efekt Dopplera, zakłócenia telekomunikacyjne.

W środowisku rzeczywistym moc sygnału jest zmienna – na przemian maleje i rośnie. „Efekt cienia radiowego” to wolnozmienne zaniki mocy sygnału radiowego. Typowymi zjawiskami propagacyjnymi są transmisja wielodrogowa i uginanie się fal na przeszkodach. Do anteny w odbiorniku dochodzą promienie które przebyły różne drogi, mają różną amplitudę i fazę. Jeśli dwie różne składowe dochodzące do odbiornika mają ten sam znak – sygnały się wzmacniają i dają dobrą jakość. W przeciwnym wypadku dochodzi do wytłumienia sygnału.

Rozchodzenie się fal w otoczeniu Zemii

W otoczeniu naszej planety fale mogą rozchodzić się jako fala przyziemna, troposferyczna bądź jonosferyczna. Fala przyziemna, jak sama nazwa wskazuje, rozchodzi się wzdłuż powierzchni i jest wykorzystywana do transmisji fal na odległościach do 2000 km. Z kolei fala troposferyczna ulega załamaniu w troposferze, a następnie trafia do odbiornika. Należy podkreślić, że propagacja fal radiowych w troposferze w dużej mierze uzależniona jest od aktualnych warunków meteorologicznych. Natomiast fala jonosferyczna odbijana jest od naładowanej elektrycznie jonosfery. Odbicia fal od tej warstwy zależą w dużym stopniu od aktywności Słońca.

Systemy telefonii komórkowej zaczęły być używane w latach 80. Wcześniej do komunikacji były używane tzw. systemy dyspozytorskie. Były to systemy w których komunikowano się za pomocą radiotelefonów. Firmy wykupywały pasmo o odpowiedniej częstotliwości i miały na nie wyłączność. Poważną wadą tych systemów był fakt, że wszyscy użytkownicy słyszeli się nawzajem. Rozwiązania to jest używane do dziś np. w firmach taksówkarskich.

Już w latach 40. powstała koncepcja sieci telefonicznej, jednak na jej powstanie trzeba było czekać 40 lat ze względu na możliwości techniczne. W 1976 roku w Nowym Jorku, działał jeden system, który pozwalał na 12 rozmów w tym samym czasie. Było w nim zarejestrowanych 500 użytkowników. Skandynawia jako pierwsza wprowadziła standard telefonii komórkowych. Było to na początku lat 80. Działał on wtedy w technologi analogowej.

zabytkowy telefon komórkowy

W latach 80 systemy telefoniczne zaczęły się przeciążać i trzeba było zaprojektować coś nowego. Systemy telefonii komórkowej stały się bardzo popularne i stare rozwiązania technologiczne nie wystarczały. Firmy zrozumiały jak wielki jest potencjał w połączeniach internetowych i postanowiły rozwijać się w tym kierunku. Przygotowywanie standardu GSM rozpoczął się jeszcze w latach 80. W 1982 powstała grupa o nazwie Groupe Speciale Mobile, która miała opracować odpowiedni standard telefoniczny dla całej Europy Zachodniej. Na pierwszym spotkaniu grupy znaleźli się przedstawiciele 11 krajów.

Już w latach 80 istniejące systemy telefoniczne zaczęły się przeciążać. Konieczne było zaprojektowanie nowego rozwiązania. W tym czasie też firmy zrozumiały jak duży potencjał ma w sobie technologia internetowa i zaczęły się rozwijać w tym kierunku. W latach 80. rozpoczęło się tworzenie technologii GSM. W 1982 powstała grupa o nazwie Groupe Speciale Mobile, której zadaniem było opracowanie standardu telefonicznego dla całej Europy Zachodniej. Na pierwszym spotkaniu uczestniczyli przedstawiciele 11 krajów.

Przygotowania

Gdy okazało się że limit miejsc w sieci analogowej się wyczerpuje prace nabrały rozmachu. Sprawa ta była brana bardzo poważnie przez Państwa europejskie i były prowadzone nad nią debaty podczas spotkań Wspólnoty Europejskiej. W wyniku tych spotkań zostało zarezerwowane pasmo 900Mhz na którym prowadzono ogólnoeuropejską komunikację radiową. Celem było stworzenie całkowicie cyfrowego systemu komunikacji który nie tylko rozwinie starą koncepcję ale również wzbogaci ją o istotne elementy których w wersji analogowej brakowało jak np. zabezpieczenia. Do budowy pierwszych urządzeń zastosowano układy scalone, które pozwalały na zminiaturyzowanie sprzętu.

Jesienią 1987 r. powołano organizację GSM z siedzibą w Dublinie w Irlandii, której celem było skupianie operatorów przyszłych systemów telefonii komórkowej. Nazywała się GSM Memorandum of Understanding, w skrócie GSM MoU. W 1988 roku rozpoczęto testy dotyczące transmisji sygnałów na kanale radiowym. Powołano do życia ETSI – Europejski Instytut Standardów Telekomunikacyjnych, która pracowała nad tworzeniem standardów, a sam zespół GSM stał się częścią ETSI. GSM otrzymało nowe znaczenie Global System form Mobile communications (globalny system łączności bezprzewodowej). Po raz pierwszy system został zaprezentowany na targach TELECOM’91 w Genewie.

GSM - global system for mobile communiations

Sukces systemu stał się oczywisty, zanim sieć zaczęła tak naprawdę działać. Było to być ogromne osiągnięcie technologiczne, zmieniające sposób komunikowania się całej ludzkości. W ciągu pierwszych trzech lat, liczba abonentów wzrosła o 300%. Wtedy już rozpoczęto pracę nad nowym standardem, który miał jeszcze bardziej rozwinąć technologię rozmów.