Od lat sześćdziesiątych satelity zaczęły być wykorzystywane do zadań telekomunikacyjnych i dzięki temu zaczęła się m.in. era telewizji satelitarnej, no i oczywiście telefonii. Do połowy lat dziewięćdziesiątych większość systemów telekomunikacyjnych korzystała z satelitów znajdujących się na orbicie geostacjonarnej – na wysokości 36000km nad powierzchnią Ziemi. Największą zaletą tych satelitów jest to, że obracają się równolegle z orbitą ziemską, oznacza to że dla mieszkańców planety tak właściwie stoją one w miejscu. W efekcie tego można satelity geostacjonarne są używane od dawna do transmisji telewizji satelitarnej. Ogromnym minusem takich satelit jest ich odległość – sygnał jest opóźniony, co wpływa na jakość transmisji. Również przez taką odległość spada siła sygnału, przez co nie można było początkowo projektować telefonów zminiaturyzowanych, gdyż nie dawały sobie rady. Dodatkowym problemem był fakt, że satelitów geostacjonarnych jest już sporo i wszystkie „najlepsze” miejsca na orbitach były już pozajmowane.

W latach dziewięćdziesiątych dzięki rozwojowi technologicznemu można było komercyjnie użytkować satelity nie geostacjonarne. Do tych działań wykorzystano dwa rodzaje orbit: orbity niskie znajdujące się na wysokości 500-2000km i orbity pośrednie na wysokości 8000-12000km.

źródło: gsm.edu.pl

Podstawową funkcja transmisyjną realizowaną przez aparat telefoniczny jest generowanie prawidłowego sygnału na częstotliwości i komunikacja pomiędzy aparatem i bazą. Ponieważ liczba urządzeń mających dostęp do sieci telefonicznej jest ogromna, aparaty telefoniczne mają bardzo staranny nadzór nad parametrami elektrycznymi sygnału urządzenia. Do najważniejszych parametrów urządzeń należą:

  • Moc nadajnika – w systemie GSM zastosowano mechanizm sterowania mocą. Stacja bazowa wysyła polecenie z regulacją mocy, by ta nie była ani za mocna, ani za słaba. Zależy to od odległości telefonu od stacji bazowej. Efektem ubocznym regulacji mocy jest niepożądane promieniowanie w sąsiednich kanałach radiowych. Standard GSM definiuje parametry czasowe włączenia i wyłączenia stacji ruchomej.
  • Niepożądana emisja poza pasmem – definiuje ograniczenia na moc sygnałów niepożądanych o częstotliwościach leżących poza pasmem GSM. Ograniczenia są stworzone by uniknąć interferencji z innym sprzętem elektronicznym. Stabilność częstotliwości – stacja bazowa dostraja urządzenie przenośne do odpowiedniej częstotliwości.
  • Dokładność modulacji – zastosowano modulację GMSK. Pozwala to na stosowanie w stacjach wydajnych nieliniowych wzmacniaczy.
    Pobór mocy – telefony są zoptymalizowane do działania jak najdłużej, przy odpowiedniej minimalizacji akumulatorów.

Standardy sieci telefonii komórkowej (analogowe i cyfrowe) zostały zaprojektowane do pracy w trybie nakładkowym. Oznacza to że mają możliwość współpracy ze sobą. Jest to istotna cecha, gdyż pozwala na realizowanie połączeń pomiędzy użytkownikami różnorodnych sieci.

Jest kilka różnych sposobów kodowania sygnału dźwiękowego, by była możliwość przesłania go między użytkownikami. Do kodowania są wykorzystywane zapisy analogowe lub cyfrowe, w zależności od sprzętu. I jeden i drugi format jest powszechnie używany do kodowania na całym świecie. Dzięki zróżnicowaniu kodowania, osoby w różnych krajach mogą się ze sobą komunikować, gdyż nawet jeśli w jednym kraju używa się jednej formy kodowania, jest on automatycznie transformowany na system używany w danym miejscu.

Sytuacja w sieciach GSM jest bardziej skomplikowana. Na świecie używanych jest kilkadziesiąt standardów sieci komórkowych i cały czas pojawiają się nowe możliwości i rozwiązania technologiczne. Dotychczasowo realizowano połączenia GSM za pomocą sieci stacjonarnych. Sygnał z telefonu GSM był kierowany do centrali stacjonarnej, następnie połączenie szło po kablach stacjonarnych i dopiero przy „wychodzącej” stacji, łączono się z odbiorcą połączenia. Dzisiaj połączenie jest realizowane za pomocą satelity. Pozwala to na przyspieszenie połączenie i lepsze zorganizowanie sieci telefonicznej. Dzięki temu koszty połączeń stale maleją, a użytkowników przybywa. Nie trzeba już dobudowywać kolejnych stacji centralnych, tylko kolejne satelity.

źródło: gsm.edu.pl

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.

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.