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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Merkmale der Mobilfunkkommunikation. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Mobilfunk Die rasante Entwicklung neuer Telekommunikationstechnologien in den 80er und 90er Jahren ist mit der aktiven Nutzung wissenschaftlicher und technologischer Errungenschaften in den Bereichen Telekommunikation, Informationstechnologie und Elektronik verbunden. Eine der vorrangigen Technologien ist die Mobilfunkkommunikation, die in der Bevölkerung immer beliebter wird und sich rasant weiterentwickelt.
„Wenden Sie sich nicht von einer möglichen Zukunft ab, bis Sie sicher sind, dass es dort nichts zu lernen gibt.“
Weltmeisterschaft Lassen Sie uns wie die Leser, die das Magazin lieber bis zum Ende lesen möchten, vorspringen und das Wichtigste sagen: Heutzutage gibt es keine Art der Telekommunikation, die sich so schnell entwickeln würde wie die drahtlose Funktelefonie und insbesondere die Mobilfunkkommunikation für Mobilfunknutzer. Die Zahl dieser Nutzer steigt jährlich um etwa 40 % und hat kürzlich souverän die 350-Millionen-Marke überschritten. Es ist zu beachten, dass bestimmte Arten von Mobilfunknetzen noch beeindruckendere Wachstumsraten aufweisen. Weltweit beträgt das jährliche Wachstum der GSM-Netzteilnehmer etwa 70 % (gsmworld.com), und für die cdmaOne-Netze, hier bekannt als CDMA/IS-95, erreichte es im vergangenen Jahr fast 160 % (cdg.org). )! Es wird erwartet, dass die Zahl der Mobilfunkteilnehmer im Zeitraum 1-2002 eine Milliarde erreichen wird. Obwohl noch nicht viel Zeit vergangen ist, seit Mobilfunknetze aus der Phase der wissenschaftlichen und technischen Entwicklung in den kommerziellen Markt übergegangen sind (an der Wende der 70er und 80er Jahre), ist das Mobiltelefon mittlerweile kein Prestigesymbol mehr, sondern ein Werkzeug Dies ermöglicht eine effizientere Nutzung der Arbeitszeit und eine schnelle Verwaltung technologischer, wirtschaftlicher und anderer Prozesse. Gleichzeitig werden Mobilfunknetze nicht nur immer breiter, sondern auch die Zahl der angebotenen Zusatzdienste nimmt stetig zu. Wenn wir die Dichte der Mobilfunknetze berücksichtigen, die viele Industrieländer erreicht haben (Daten von British Telecom Engineering), dann ist Finnland der unangefochtene Spitzenreiter unter ihnen, wo etwa 70 % der Bevölkerung über Mobiltelefone verfügen. Seine Nachbarn in Skandinavien liegen leicht dahinter (von 50 bis 60 %), zwischen denen ein Teil der VR China (ehemals Hongkong) eingeklemmt ist. Sechs weitere Länder, darunter Australien und Japan, haben die 30-Prozent-Schwelle überschritten, und eine ganze Gruppe von Ländern, darunter das Vereinigte Königreich und die USA, sind nahe daran. Deutschland, Frankreich, Spanien, Kanada und eine Reihe anderer Länder haben Indikatoren von etwa 20 %. Über die Erfolge der Mobilkommunikation ließe sich allerdings noch lange reden, aber die bereits bereitgestellten Informationen reichen aus, um einige Schlussfolgerungen zu ziehen. All dies deutet darauf hin, dass in den meisten dieser Länder die Dichte der Funktelefonleitungen bereits das Niveau der Dichte herkömmlicher Telefonleitungen erreicht hat (ca. 50–60 %) oder mindestens die Hälfte davon beträgt. Viele dieser Länder haben entweder sehr große Gebiete oder eine sehr große Bevölkerung oder beides. Daher erweisen sich sogar 5 % in Brasilien und 3 % in China ohne Hongkong (was für eine kleine Zahl und gleichzeitig eine ungeheuer große Anzahl von Nutzern) als bedeutender als beispielsweise 27 % irgendwo in Holland. Generell ist die Mobilfunkkommunikation bereits zu einem Produkt des Massenkonsums geworden und verzeichnet weiterhin steigende Wachstumsraten. Selbst die unmittelbarsten Prognosen (2003) sind beeindruckend: Gemessen an der Bevölkerungsabdeckung wird eine ganze Gruppe von Ländern nahezu 90 % erreichen. und das ehemalige Hongkong (heute eine Sonderverwaltungszone der Volksrepublik China) wird das erste Territorium sein, in dem dieser Anteil 95 % erreichen wird! Fast zwei Dutzend Länder werden in Bezug auf die Dichte im Bereich von 60 bis 95 % liegen. Allerdings werden selbst sehr entwickelte Länder mit relativ großen Territorien nicht so weit kommen: USA – 53 %, Deutschland – 47 %, Kanada – 30 %, Brasilien – 22 %, China – 8 %. Interessanterweise werden die Mobilfunkpioniere Großbritannien und die USA hinter Ländern wie Österreich, Irland und Griechenland liegen. Vielleicht werden wir in ein paar Jahren erleben, dass die Nutzergruppen von herkömmlichen Mobiltelefonen und Mobiltelefonen nahezu gleich groß sind. Übrigens gibt es heute weltweit etwa 1 Milliarde kabelgebundene Telefonleitungen. Da es bereits genügend Gründe gibt, an der üblichen Vorrangstellung der drahtgebundenen Telefonkommunikation zu zweifeln, beginnen ausländische Analysten, die Mobilfunkkommunikation als einen Dienst zu betrachten, der der Festnetzkommunikation gleichgestellt ist, und einige geben ihr sogar den Vorrang. Der sich schnell entwickelnde globale Markt für Mobilfunkkommunikationsdienste zieht die Aufmerksamkeit vieler Unternehmen auf sich. Allein in Russland sind beispielsweise rund zweihundert Betreibergesellschaften an diesem Geschäft beteiligt. Die immer schnellere Entwicklung der Gesellschaft erfordert dringend personalisiertere Dienste, nämlich die Möglichkeit, mit jedem Teilnehmer überall und jederzeit ein Telefongespräch (und nicht nur) zu führen. Beachten Sie, dass der letzte Satz heutzutage tatsächlich zum Motto der Mobilfunkkommunikation geworden ist. Und nicht nur sie. Nun werden wir näher auf die Komponenten des Mobilfunkmarktes und auf einige historische Phasen seiner technischen und organisatorischen Entwicklung eingehen. Doch zunächst ein kleiner lyrischer Exkurs. Über die Anfänge Wenn Sie ein umfangreiches Thema ansprechen, ist es sinnvoll, mit der Terminologie zu beginnen, um das Wissen, das der Leser zuvor aus anderen Quellen erhalten hat, ein wenig zu ordnen und die Grenzen der Erzählung zu skizzieren. Im Zusammenhang mit dem oben Gesagten stellen wir zunächst fest, dass es sich bei der Mobilfunkkommunikation um eine Form der hochmobilen Funkkommunikation handelt, die sich vor allem durch die Massenversorgung von Teilnehmern in einem begrenzten Gebiet auszeichnet. Gleichzeitig hat die Mobilfunkkommunikation in der Vergangenheit den Leistungsumfang des öffentlichen Telefonnetzes (PSTN) schrittweise erweitert. Tatsächlich ist der Begriff „Mobilfunkkommunikation“ selbst eine allgemein akzeptierte Kurzbezeichnung für einen Dienst, der über bereitgestellte Mobilfunknetze auf der Grundlage geeigneter Systeme erbracht wird. Somit charakterisiert dieser Begriff die mobile Kommunikation. Solch lange Diskussionen sind notwendig, um das Mobilfunknetz und die Mobilfunkkommunikation nicht zu verwechseln, da erstere eine Methode zur Bereitstellung der Funkabdeckung eines bestimmten Gebiets bedeutet (entsprechend kann sie sowohl zur Bereitstellung mobiler als auch fester Kommunikationsdienste verwendet werden) und die Zweiter bezeichnet einen Dienst in Form des Sendens und Empfangens von Informationen ausschließlich zwischen Mobilfunkteilnehmern des Mobilfunknetzes. Darüber hinaus kann es sich heute nicht nur um Sprache, sondern natürlich auch um Daten und das Internet handeln. Es sollte daran erinnert werden, dass jedes Funkkommunikationssystem, das mit einem Teilnehmerfunkterminal mit einer Rundstrahlantenne arbeitet, bis zu einem gewissen Grad mobil ist (und nur wenn die Antenne starr befestigt ist, ist die Bewegung des Teilnehmers unmöglich), da sich der Benutzer bewegen kann innerhalb des Versorgungsbereichs der Basisstation (BS) liegen und gleichzeitig von dieser bedient werden. Daher können solche Kommunikationssysteme in solche unterteilt werden, die Teilnehmer mit geringer Mobilität bedienen, die die Möglichkeit haben, sich während einer Kommunikationssitzung nur innerhalb des Versorgungsbereichs einer BS zu bewegen (diese Systeme können eher als fest bezeichnet werden), und solche, die dies zulassen ein hochmobiler Teilnehmer, der eine kontinuierliche Kommunikationssitzung während der Bewegung (auch sehr schnell, sogar mit einer Geschwindigkeit von 100 km/h oder mehr) vom Versorgungsbereich einer BS in den Bereich einer anderen BS und weiter innerhalb dieses Bereichs durchführt das gesamte vom Netzwerk abgedeckte Gebiet. Das ist echte Mobilfunkkommunikation. Aus dem oben Gesagten lässt sich schließen, dass der Begriff „feste Kommunikation“ hier häufig falsch angewendet wird und ein Funkkommunikationssystem nur aus einer Basisstation mit großer Reichweite besteht, dann kann es in seinem Versorgungsgebiet in der Regel Mobilfunkkommunikation bereitstellen . Wenn die Basisstation auf einem Satelliten platziert wird, machen wir einen wichtigen Schritt zur Schaffung eines globalen (planetaren) Satellitenkommunikationsnetzwerks. Aber gehen wir mal auf den Boden der Tatsachen und befassen uns nun mit den „Waben“. Mobilfunknetze erhielten ihren Namen in Anlehnung an das zellulare Prinzip der Kommunikationsorganisation, das wie folgt lautet. Im Versorgungsbereich des Mobilfunknetzes ist die erforderliche Anzahl der bereits erwähnten Basis-Transceiver-Stationen (BSs) installiert, von denen jede über einen eigenen relativ kleinen Funkabdeckungsbereich verfügt, der den Versorgungsbereich benachbarter BSs etwas überlappt ( um eine kontinuierliche Funkabdeckung des Gebiets zu gewährleisten). Als Antwort auf die logische Frage, die sich im Kopf des Lesers stellt: „Warum ist das notwendig?“, führen viele Autoren von Arbeiten zur Mobilfunkkommunikation häufig ungefähr die folgenden Argumente an: „um den Abonnenten die Möglichkeit zu geben, sich zu bewegen“, „um die elektromagnetische Verträglichkeit sicherzustellen“. benachbarte Zellen“, um die Qualität der Kommunikation zu verbessern. Das alles stimmt natürlich, aber erstens sind auch Festnetzbetreiber an einer guten Funkabdeckung interessiert und zweitens ist objektiv gesehen jeder Mobilfunknetzbetreiber immer daran interessiert, dass sein Netz weniger Zellen enthält. Und noch besser ist es, wenn das Netzwerk grundsätzlich nur aus einer Zelle besteht, denn das ist am einfachsten und günstigsten. Hinzu kommt, dass dies in der Praxis meist nicht umsetzbar ist und bei dem Versuch, gleichzeitig eine erhebliche Anzahl von Teilnehmern gruppiert in einem relativ kleinen Gebiet zu bedienen, zwangsläufig die Notwendigkeit einer entsprechenden Anzahl von Funkkommunikationskanälen entsteht. Und das Funkspektrum ist bekanntlich eine von vielen Nutzern genutzte natürliche Ressource, die für alle immer knapp ist. Einschließlich derjenigen, die viele Funkschnittstellen zwischen Basisstationen und Benutzerterminals (Mobiltelefonen) organisieren. Daher besteht die Hauptaufgabe, die jedes Mobilfunknetz löst, in der wirtschaftlichen Wiederverwendung derselben dem Netzbetreiber zugewiesenen Funkfrequenzressource, um möglichst viele Teilnehmer abzudecken. Dieser Ansatz ermöglicht es uns, das Problem eines wirklich massiven Abonnentendienstes auf ernsthafter kommerzieller Ebene zu lösen. Über die Vorteile der Bienen Nun ein paar Worte zu den Waben selbst, oder wie sie auch genannt werden, den Zellen. Warum übrigens Waben? Ja, da der Funkabdeckungsbereich um die BS im Allgemeinen ein Kreis ist. Und von den gleichseitigen Figuren, die in einen Kreis eingeschrieben sind (Dreiecke und Quadrate zählen nicht), können nur Sechsecke jede Fläche ohne Unterbrechungen bedecken. Daher werden sie als mathematisches Modell eines Mobilfunknetzes verwendet. Es ist auch klar, dass die Bienen dies einst viel früher erraten haben als die Funker. Die Größe von Zellen/Zellen eines zellularen Funktelefonnetzes kann in der Praxis zwischen mehreren zehn Metern und mehreren zehn Kilometern liegen, ihre kleinsten Varianten, die an Orten mit einer besonderen Konzentration von Teilnehmern (z. B. Geschäftszentren) organisiert sind, werden jedoch häufig genannt je nach Größe: Piko- oder Mikrozellen. Um die Teilnehmerkapazität zu erhöhen, können Zellen in einem Multisektor-Design (in der Regel mit drei oder sechs Sektoren) ausgelegt werden, was einer kostengünstigen Organisation von drei oder sechs Zellen anstelle einer Zelle entspricht. In diesem Fall ist die BS ein Block aus mehreren Transceivern, von denen jeder mit seiner eigenen Richtantenne den entsprechenden Sektor der Zelle bedient. Es bleibt hinzuzufügen, dass ausländische Experten normalerweise eine Zelle eines Mobilfunknetzes zusammen mit der darin installierten BS als „Zellenstandort“ bezeichnen. Eine sehr wichtige Aufgabe für den Betreiber vieler Mobilfunknetze für jeden Zweck ist die Planung von Hochfrequenzzellen. Wenn die Funkschnittstellentechnologie eines Mobilfunknetzes tatsächlich die Trennung von Funkkanälen nach Frequenz vorsieht, können benachbarte Zellen nicht auf denselben Funkfrequenzen arbeiten und können je nach technischen Eigenschaften nur durch Zurückziehen um eine bestimmte Entfernung wiederverwendet werden der BS. Diese Situation kommt sehr häufig vor, ist aber für den Betreiber auch sehr unangenehm, da die Notwendigkeit, eine neue Zelle zu organisieren, die Notwendigkeit einer Frequenzumplanung umfangreicher Netzwerkfragmente mit sich bringt. Allerdings beunruhigen solche Probleme nicht jeden. Wir werden etwas später darüber sprechen. Auf der Suche nach einem Abonnenten Das nächste ist sehr wichtig. Nehmen wir sogar an, dass das bestimmende Konzept in der Mobilfunkkommunikation die sogenannte Kontrollübertragung zwischen Zellen ist, wenn ein Teilnehmer von einer Zelle in eine andere wechselt. Es ist diese Fähigkeit, die die Mobilfunkkommunikation von der drahtlosen Kommunikation im Allgemeinen unterscheidet. Diese Steuerung erfolgt nicht durch die BS, sondern durch eine spezialisierte Vermittlungsstelle, die den Kern des Netzwerks darstellt und an die alle BSs angeschlossen sind. Gleichzeitig handelt es sich bei dieser Zentrale um eine spezialisierte PBX. in TFOL enthalten. Die Vermittlungssteuerung ist mit der Organisation eines neuen Kommunikationskanals und der Übergabe einer bestimmten Telefonverbindung an diesen verbunden. Es kann auf verschiedene Arten hergestellt werden, die als „hart“ oder „weich“ bezeichnet werden. Diese hängen von den im Netzwerk verwendeten Technologien ab und werden im Folgenden erläutert. Im Moment konzentrieren wir uns nur auf den Namen. Historisch gesehen wird dieser Umschaltvorgang in Europa häufiger als „Hand-Over“ und in Nordamerika als „Hand-Off“ bezeichnet. Wenn man also auf solche Diskrepanzen stößt, sollte man sich nicht wundern. Wenn wir eine Übergabe in Betracht ziehen (wir werden uns auf den kürzeren Namen konzentrieren), können wir den Fall nicht ignorieren, dass ein Teilnehmer vom Servicebereich eines Mobilfunknetzes in den Servicebereich eines anderen wechselt. Aber unterschiedliche Netzwerke haben unterschiedliche Eigentümer/Betreiber. Der Prozess (sowie die Möglichkeit) der Übertragung der Kontrolle zwischen Zellen/Netzwerken verschiedener Eigentümer erhielt im Ausland nicht nur den Namen „Roaming“ (Tramp), sondern wurde auch in der russischen Schreibweise als „Roaming“ fest verankert. Einerseits ist Hand-off natürlich nichts anderes als Roaming zwischen benachbarten Zellen, aber Telekommunikationsbetreiber verstehen unter Roaming viel mehr, nämlich die Interaktion zwischen Betreibern, für die natürlich nicht nur die technischen Merkmale und Standards von Netze müssen übereinstimmen , es müssen jedoch entsprechende Vereinbarungen über Tarifpolitik, gegenseitige Abrechnung usw. getroffen werden. Darüber hinaus dürfen Mobilfunknetze nicht aneinander grenzen, was darauf hindeutet, dass Roaming im Allgemeinen die Möglichkeit ist, Dienste in den Netzen anderer Betreiber zu empfangen (mit denen). Serviceverträge abgeschlossen wurden) mit demselben Mobiltelefon. Es bleibt noch hinzuzufügen, dass Roaming automatisch erfolgen kann, wenn der Übergang von einem Betreiber zu einem anderen vom Teilnehmer nur durch die entsprechende Anzeige auf dem Teilnehmerterminal und durch die erhaltene Rechnung bemerkt wird. Beim nichtautomatischen Roaming wird der Teilnehmer vorab über die Möglichkeit einer Reise außerhalb des Netzes mit allen damit verbundenen Unannehmlichkeiten informiert, deren Ausmaß von der Effizienz und den Fähigkeiten des Betreibers abhängt. Nun ja, das universellste und unauffälligste, aber auch unbequemste Roaming ist der einfache Handywechsel, wenn man außerhalb der Reichweite des „eigenen“ Netzes unterwegs ist. Wenn wir jedoch unser Teilnehmerterminal nicht nutzen können, handelt es sich überhaupt nicht mehr um Roaming (obwohl einige Betreiber genau diese Art von Roaming anbieten!). Funkschnittstellentechnologien Mobilfunkkommunikation zeichnet sich durch die Möglichkeit des Mehrfachzugriffs aus, was die gleichzeitige Übertragung von Informationen über ein Gerät durch viele Benutzer in einem gemeinsamen Kommunikationskanal impliziert. In diesem Fall kann die Aufteilung des gemeinsamen Kanals nach Frequenz erfolgen (FDMA - Frequency Division Multiple Access), Zeit (TDMA – Time Division Multiple Access) und Code (CDMA – Code Division Multiple Access). Die Merkmale dieser Technologien sind in der Abbildung deutlich dargestellt.
Bei der Frequenzteilung wird das Sendespektrum in Bereiche aufgeteilt, die verschiedenen Nutzern zugeordnet sind. Nur dieses Verfahren kann für die analoge Mobilfunkkommunikation verwendet werden. Daher basieren alle bekannten analogen Mobilfunkstandards darauf: NMT, AMPS, TACS usw. Die Nachteile analoger Systeme liegen mittlerweile auf der Hand: schlechte Störfestigkeit und damit verbundene geringe Qualität der Sprachübertragung, ineffiziente Nutzung des knappen Funkspektrums, Mangel des Abhörschutzes etc. Erwähnenswert ist auch, dass analoge Systeme bereits 1993 ihren Höhepunkt in der Entwicklung erreichten, danach die Zahl ihrer Teilnehmer stetig zurückging und sie nach einigen Jahren vollständig aus dem Kommunikationsmarkt verschwinden sollten aufgrund des Verlusts des Interesses seitens der Betreiber und Abonnenten. AMPS war und ist der analoge Standard weltweit. Die anderen beiden Verfahren werden in der Digitaltechnik und meist in Kombination mit der Frequenzteilung eingesetzt. Beim Zeitmultiplex übertragen mehrere Teilnehmer ihre Nachrichten auf derselben Funkfrequenz, jedoch zu unterschiedlichen Zeiten, wodurch das Volumen des Sprachverkehrs erhöht und eine Reihe weiterer für digitale Kommunikationssysteme charakteristischer Vorteile erzielt werden können. Diese Methode basiert auf so bekannten schmalbandigen digitalen Mobilfunkstandards wie GSM und seiner Version DCS sowie D-AMPS, das eine logische Weiterentwicklung (Verbesserung) des AMPS-Standards darstellt. Es gibt auch japanische Normen, deren Geltungsbereich jedoch ausschließlich auf das nationale Hoheitsgebiet beschränkt ist. Das in CDMA-Mehrfachzugriffssystemen verwendete Prinzip besteht darin, das Spektrum des ursprünglichen Informationssignals (in unserem Fall Sprache) mithilfe eines speziellen Signals mit einer Hülle einzigartiger Form, einer Art Code, zu erweitern. Wie Sie sehen, nutzen in diesem Fall alle Teilnehmer die gleichen Funkfrequenzen, wodurch das CDMA-Mobilfunknetz keinen großen Aufwand für die Frequenzplanung aufwenden muss. Beim Empfänger wird das auf der Gegenseite empfangene Signal mit einem identischen Code verarbeitet, wodurch das ursprüngliche Informationssignal wiederhergestellt wird. Gleichzeitig werden die Signale anderer Benutzer dieses Receivers immer weiter ausgeweitet und von ihm nur noch als „weißes Rauschen“ wahrgenommen, also als „leiseste“ Störung, die den normalen Betrieb des Receivers am wenigsten beeinträchtigt. Natürlich. Wir werden später darauf zurückkommen. Und um das Funktionsprinzip eines solchen Systems allgemeingültig zu erklären, verweisen wir auf eine sehr gelungene Allegorie „für Experten und nicht so“, die bei der Erläuterung der Grundlagen der CDMA-Technologie üblicherweise von Motorola angeboten wird. Stellen Sie sich einen Raum vor, in dem viele Menschenpaare gleichzeitig und in verschiedenen Sprachen miteinander reden. Jeder von ihnen versteht seinen Gesprächspartner gut und alle Nebengespräche werden als eine Art Hintergrund wahrgenommen, der das Gespräch nicht sonderlich stört. Das ist eigentlich das ganze Prinzip. Es ist eine Frage der Technik. Autor: A.Golyshko, Moskau
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