מבוא לתקשורת סלולרית

בשיעור זה נדון במערכות רדיו טלפוניות בסיסיות ונעבור על מערכות אנלוגיות ודיגיטליות. 1.נתאר את המרכיבים הבסיסיים של מערכת סלולרית. 2.נעמוד ונתאר טכנולוגיות של מערכות אלחוט דיגיטליות. השיעור יחולק לנושאים הבאים: 1.עקרונות התקשורת הניידת. 2.מערכות טלפון נייד תוך שימוש בעיקרון התא CELL 3.ארכיטקטורת המערכת הסלולרית. 4.מערכות סלולר אנלוגיות . 5.מערכות דיגיטליות.

התקשורת הסלולרית הגדרה: מערכות תקשורת סלולריות משתמשות במספר גדול של משדרים אלחוטיים כדי ליצור תאים (CELLS ), כלומר האזור נותן השירות הגיאוגרפי הבסיסי של מערכת התקשורת הסלולרית, האלחוטית. רמות שונות של עוצמה מאפשרות לשנות את גודל התאים וזאת לפי צפיפות ודרישה באותו אזור הנקבעים על ידי נותן השירות.

1. עקרונות התקשורת הניידת כל טלפון נייד (MOBILE) משתמש בערוץ רדיו זמני נפרד על מנת לדבר עם אתר התא (CELL SITE). התא מדבר עם הרבה "ניידים" בו זמנית, כאשר הוא מנצל ערוץ אחד עבור כל "נייד". ערוצים משתמשים בשני תדרים כדי לקיים תקשורת, תדר אחד לקישור קדמי (FORWARD LINK) כלומר שידור מן התא ותדר שני לקישור אחורי (REVERSE LINK) כלומר לאפשר לתא לקבל קריאות מן המשתמשים (קליטה). Forward link Reverse link

אנרגית רדיו מתפזרת ומתבזבזת כפונקציה של מרחק, כך ש"ניידים" (טלפון נייד) חייבים להישאר קרוב לתחנת הבסיס (BASE STATION) על מנת לשמור על תקשורת. המבנה הבסיסי של רשתות "ניידים" כוללות מערכות טלפוניה ושירותי רדיו.

Radio Telephony System Forward link Mobile Base Station Reverse link Mobile Base Station Mobile Control Equipment Network interface Equipment Mobile Operator

ארכיטקטורה של מערכות אלחוטיות מוקדמות ארכיטקטורה של מערכות אלחוטיות מוקדמות השירותים הניידים המסורתיים היו בנויים בדומה לשידורים טלוויזיוניים. היה קיים משדר אחד גדול ובעל עוצמה שהיה ממוקם בנקודה הכי גבוהה באותו אזור וכך הוא היה יכול לתפוס רדיוס של מעל 50 ק"מ.

2.מערכות טלפון ניידות המשתמשות בעיקרון התא CELL הביא לבניה של רשת תקשורת טלפון שונה בדרך פעולתה. במקום להשתמש במשדר אחד בעל עוצמה גבוהה נשים הרבה משדרים בעלי עוצמה נמוכה ונפזר אותם על כל האזור. לדוגמא אם נחלק אזור גדול למאה אזורים קטנים (CELLS) עם משדרים בעוצמה נמוכה כאשר נשתמש בשתים עשרה שיחות (ערוצים) עבור כל אחד מהם, אז באופן תיאורטי קיבולת המערכת תוכל לעלות משתים עשרה שיחות או ערוצי קול המשתמשים במכשיר אחד רב עוצמה, לשתים עשרה כפול מאה כלומר ל- 1200 שיחות (ערוצים) על ידי שימוש במאה משדרים נמוכי עוצמה.

מערכות טלפון ניידות המשתמשות בעיקרון התא CELL

3.ארכיטקטורה של מערכות סלולריות עלייה בדרכים ובדרישות של משתמשים ניידים מביאה את ספקי השירות לחיפוש של שיטות להעלאת איכות השירות והיעילות של המערכות שלהם. היות ותחום התדרים המסופק לחברות הסלולריות מוגבל היעילות בניצול פס התדרים הכרחי. בהתאם לאזורים יש להתאים את הארכיטקטורה עבור אותו אזור. כלומר רמת הפיזור של התאים וגודלם.

מקבץ תאים (CLUSTERS) CLUSTER הוא מקבץ תאים. בתוך CLUSRTER לא יכול להתבצע שימוש חוזר של ערוצים Cell 7 Cell 6 Cell 5 Cell 4 Cell 3 Cell 2

HANDOFF מכשול שניצב לפני מפתחי הרשת הסלולרית היה כאשר מנוי ברשת עבר מתא אחד למשנהו תוך כדי שיחה .אזורים סמוכים אינם משתמשים באותם ערוצי רדיו , לכן את השיחה ניתן או לנתק , או להעביר לערוץ אחר כאשר מנוי חוצה את הגבול בין שני תאים סמוכים . מכיוון שניתוק שיחה אינו מתקבל על הדעת פותח תהליך ה-'HANDOFF' .'HANDOFF' מתרחש כאשר רשת המכשיר הנייד מעבירה באופן אוטומטי את השיחה מערוץ רדיו אחד לאחר , כאשר מנוי חוצה תאים סמוכים . במהלך השיחה , שני המנויים נמצאים על אותו ערוץ קול . כשהיחידה הניידת נעה מחוץ לתחום הכיסוי של תא מסוים הקליטה נחלשת , בנקודה זו , תחום התא (CELL SITE ) "מגיש בקשה " ל-HANDOFF . המערכת מעבירה את השיחה לערוץ עם קליטה טובה יותר , באתר חדש (תא חדש) , מבלי לגרום להפרעות בשיחה או להזהיר את המנוי . השיחה נמשכת כל עוד המנוי משוחח והמנוי לא מבחין כלל בפעולת ה- HANDOFF .

Hand Off between Adjacent Cells to Base Station 2 Base Station 2 Cellular Switch DMX-MTX 1Base Station Base Station 3 Public Switched Telephone Network Trunk Router

שימוש חוזר בתדרים FREQUENCY REUSE בגלל המס' הקטן של ערוצי התדרים הזמינים למערכות סלולריות מהנדסים היו צריכים לחפש שיטה שבה ערוץ אחד יוכל "לסחוב" עליו יותר משיחה אחת באותו זמן. הפתרון שאומץ היה ריבוב תדרים. ריבוב תדרים יושם על ידי שינוי המבנה של ארכיטקטורת המערכות הסלולריות לארכיטקטורה שתומכת ב"רעיון התא". הרעיון שבריבוב תדרים מבוסס על הגדרה של קבוצת ערוצים עבור כל תא. תאים מגדירים קבוצת ערוצים שונים לגמרי מהתאים השכנים. השטח המכוסה על ידי קבוצת תאים נקרא FOOTPRINT. ה- FOOTPRINT מוגבל על ידי גבולות כך שקבוצה בעלת אותם ערוצים תוכל גם כן לעבוד אם תהיה רחוקה מספיק מחברתה כך שהתדרים שלה לא יגרמו להפרעות.

Frequency Reuse תאים עם אותו מספר יש להם את אותם התדרים. היות ויש אפשרות לשבעה קבוצות תדרים פקטור ריבוב התדר שווה לשביעית. כלומר כל תא משתמש בשביעית מן הערוצים הסלולרים. Cell 1 Cell 7 Cell 6 Cell 5 Cell 4 Cell 3 Cell 2 Cell 1 Cell 1 Cell 7 Cell 6 Cell 5 Cell 4 Cell 3 Cell 2 Cell 1 Cell 7 Cell 6 Cell 5 Cell 4 Cell 3 Cell 2 Cell 1 Cell 1

חלוקת תאים לרוע המזל , שיקולים כלכלים הביאו לרעיון של יצירת מערכות שלמות עם הרבה אזורים קטנים לא מעשיים ,בהם מנויים לא יכלו לקבל שירות.על מנת להתגבר על קושי זה ,מפתחי מערכות פיתחו את הרעיון של חלוקת תאים .כששטחי השירות התמלאו במשתמשים זה גרם לחלוקת שטחים (תאים) ,לשטחים קטנים יותר . בדרך זו מרכזים עירוניים יכולים להתחלק להרבה אזורים , כמה שנדרש , על מנת לספק רמות שירות גבוהות יותר באזורים של תנועה רבה .תאים פחות יקרים יכולים לכסות שטחים כפריים מרוחקים שבהם התנועה קטנה יחסית לשטחים העירוניים.

חלוקת תאים Large Cells for rural areas Small Cells for urban areas

4.מערכות סלולריות אנלוגיות צפון אמריקאיות תכנון המערכות הראשונות החל בסוף שנות השבעים ותחילת שנות השמונים , המערכות האנלוגיות השתנו במקצת מאז אותו זמן שבו פעלו בתדרים של 800 מגהרץ . קבוצה של ממשלות , חברות תקשורת , ויצרני ציוד עבדו יחד כדי לקבוע קבוצה של כללים (פרוטוקולים) שיכתיבו כיצד מנויים סלולריים יתקשרו עם הרשת הסלולרית . מפתחי מערכות לקחו בחשבון הבדלים רבים , לעתים ניגודים , של דרישות מהמערכת ולעתים קרובות עשו הנחות בדרישות . בפיתוח סלולרי ישנם מספר נושאים בסיסיים : 1. הקצאת תדרים וערוצים . 2. רמות הספק מקסימליות . 3. סוגי אפנוני רדיו . 4. מאפייני אפנון . 5. פרוטוקולי תקשורת . 6. סדר עיבוד שיחות .

AMPS AMPS יצא לשוק בשנת 1983 וסיפק שירות לפלאפונים סלולריים בתחום תדרים של 800-900 מגהרץ כאשר לכל ערוץ הוקצה רוחב פס של 30 קילוהרץ . זה היה השירות הסלולרי התקני הראשון בעולם והוא תרם במידה רבה לתקנים של התקשורת הסלולרית כיום .בגרסתו הראשונה הוא תוכנן לערים , בהם הצפיפות גבוהה , ולאחר מכן הוא הורחב גם לאזורים הכפריים .הוא הרחיב את הרעיון הסלולרי ע"י החזרת השימוש בתדירות דבר שתרם להפחתת הספקי המוצא ברדיו .טלפוני AMPS הם בעלי ממשק ידידותי למשתמש והם מתאימים לכל תחנת קרקע של AMPS . דבר זה תורם לניידות פשוטה יותר בין ספקי השירות השונים . מגבלות קישור ב- AMPS כוללות : 1. קיבולת שיחות נמוכה . 2. טווח מוגבל ללא יכולת להרחבה . 3. תקשורת נתונים דלה . 4. פרטיות מינימלית . 5. הגנה נמוכה מפני הונאה (גניבת שיחות) .

MOBILE SUBSCRIBER UNITS (MSUS) הנייד (MS או MSU) כיחידה מורכב ממשדר וממקלט המדברים עם האתר. ישנם שלושה טיפוסים של MSU. 1.MOBILE TELEPHONE שידור בעוצמה של 0.4watts 2. PORTABLEשידור בעוצמה של 0.6watts 3.TRANSPORTABLE שידור בעוצמה של 1.6watts ה-MOBILE מותקנים במטענים של רכבים. ה-PORTABLE וה- TRANSPORTABLE ניתן לשימוש בכל מקום שנרצה, והשימוש מוגבל כמובן בחיי הסוללה.

6.מערכות דיגיטליות הדרישה לטלפונים ניידים עלתה וכן לנותני השירות. נותני השירות נוכחו לדעת שההנחות והרעיונות שיושמו במערכות "חוטיות" לא תופסות מקום ברשתות אלחוטיות מדענים שחשבו להגדיר 50 ואף יותר MOBILES לאותו ערוץ רדיו ניסו ומצאו שה- USER לא מקבל צליל חיוג, זה קרוי סבירות חסימת השיחה. ולכן המערכות נכנסו לרוויה מהר מאוד ואיכות השירות ירדה מהר מאוד. הבעיה הקריטית הייתה קיבולת. המאפיינים השגרתיים של ה- TDMA, GSM ה- PCS1900 וה- CDMA מבטיחים עליה משמעותית ביעילות ומאפשרים מס' רב יותר של משתמשים בו זמנית. היתרונות במערכת דיגיטלית על פני מערכת אנלוגית כוללת עליה בקיבולת ושיפור באבטחה. אפשרויות הטכנולוגיה כמו למשל ה- TDMA וה- CDMA מציעות יותר ערוצים לעומת אותו רוחב פס שמשתמשת המערכת האנלוגית ותומכת בקול ונתונים. בגלל ההוצאות הכספיות העצומות המושקעות ב- AMPS מבחינת חומרה ותוכנה, ספקים חיפשו לעבור מ- AMPS ל- DAMPS על ידי שדרוג המערכות הקיימות במערכות תומכות ארכיטקטורת TDMA.

TDMA ל- TDMA יש את המאפיינים הבאים : 1. IS-54 מפרט סטנדרטי במערכת תקשורת בערוץ קול דיגיטלי . 2. לראשונה שילש את קיבולת השיחות של AMPS . 3. משתמש בהרבה בלוקים בטווח תדרים של 800-1900 מגהרץ . 4. כל המשדרים דיגיטליים . TDMA היא אחת מכמה טכנולוגיות אלחוטיות . היא מספקת לכל שיחה חריץ זמן כך שמספר שיחות יכולות להתקיים על רוחב פס אחד .כל מנוי משתמש בחריץ זמן ספציפי .TDMA ישנם 3-6 ערוצים לעומת ערוץ יחיד ב- AMPS . E-TDMA ל-E-TDMA יש קיבולת גדולה פי 15 ממערכות סלולריות אנלוגיות , קיבולת זו מושגת בעזרת דחיסת זמן שקט במהלך שיחות .E-TDMA מחלקת את המספר הסופי של תדרים סלולריים לתוך יותר חריצי זמן מ- TDMA . פעולה זו מאפשרת למערכת לתמוך ביותר שיחות סלולריות בעת ובעונה אחת .

(PERSONAL COMMUNICATION SERVICE ( PCS) עתיד הטלקומוניקציה כולל את שירותי התקשורת האישיים. PCS ב- Mhz1900 הוא היישום הצפון אמריקאי של DCS1800 (GSM).בספקטרום התדרים של ה- PCS מוגדרים מס' ערוצים. תוכנית התדרים מגדירים ערוצים ספציפיים עבור תאים ספציפיים בהתאם לתבנית כך שמאתחלים עם כל תא N.כמו ב- AMPS ערוץ מכיל UPLINK DOWNLINK (תדרים). כלומר: ערוץ 512UPLINK = 1850.2 MHZ עם DOWNLINK= 1930.2 MHZ .

CDMA- CODE DEVISION MULTIPLE ACCESS מהקיבולת של האנלוגי. בהסתמך על ריבוב התדרים ברשת חוטית כך גם ברשת אלחוטית. בגלל שהמשתמשים מקודדים הם יכולים לחלוק את אותו התדר הנושא. כל אתר תא יכול לקבל את אותו פס של 1.25MHZ.לעומת זאת כל משתמש הוא מקור רעש באותו ערוץ והרעשים מצטברים מכל המשתמשים. ב- CDMA עקב כך חיי הסוללה הופכים ארוכים יותר. המטרה היא להביא את הניידים לכך שתהיה להם עוצמה ב- LEVEL מינימום להבטיח שירות איכותי. במצב אידיאלי, העוצמה המתקבלת בתחנת בסיס מכל MOBILE תהיה שווה (מינימום אות לרעש).

התשובה הנכונה היא ג שאלות חזרה 1. אפקט ההפרעה (interference) ברשת הסלולרית נובע מ ? א. המרחק בין האזורים ב. הספק המשדר ג. היחס של המרחק בין האזורים לבין הספק השידור של האזורים ד. גובה האנטנות התשובה הנכונה היא ג

התשובה הנכונה היא ב 2. תאים גדולים יותר שימושים ב ? 2. תאים גדולים יותר שימושים ב ? א.אזורים עירוניים צפופים במיוחד ב. אזורים כפריים ג. אזורים עירוניים בעלי אוכלוסייה מעטה ד. אזורים הררים התשובה הנכונה היא ב

3. תאים סלולרים משושים ? א.נכון ב. לא נכון התשובה הנכונה היא ב

4. הסטנדרט הנפוץ ביותר שבו משתמשים ברשתות סלולריות כיום הוא ? א. Advanced mobile phone service (AMPS) ב. Mobile subscriber unit (MSU) ג. Code division multiple access (CDMA) ד. Time division multiple access (TDMA) התשובה הנכונה היא א

5. בכמה שיחות בכל ערוץ יכולה לעמוד הרשת הדיגיטלית TDMA ? א.1 ב. 2 ג. 3 ד. 10 התשובה הנכונה היא ג

התשובה הנכונה היא ד 6. מי מהתשובות הבאות אינה הגבלה של AMPS ? א. קיבולת דיבור נמוכה ב. שמירת פרטיות נמוכה (גניבת שיחות) ג. ספקטרום מוגבל ד. אזור כיסוי רחב התשובה הנכונה היא ד

7.טכנולוגיות סלולריות דיגיטליות מעלים את רמת הקיבוליות והבטיחות ? א. נכון ב. לא נכון התשובה הנכונה היא א

8. ל- TDMA יש קיבול כפול מזה של הרשת האנלוגית AMPS ? א. נכון ב. לא נכון התשובה הנכונה היא ב

9. שימוש חוזר בתדרים ((Frequency reuse היה מקסימלי כאשר מגדילים את גודל התא ? א. נכון ב. לא נכון התשובה הנכונה היא ב

10. ב-Fixed wireless access(FWA) משתמשים בעיקר באזורים כפריים ? א. נכון ב. לא נכון התשובה הנכונה היא א

הפסקה

התא תא הוא היחידה הגיאוגרפית הבסיסית של מערכת סלולרית. המושג סלולר (CELLULAR) נגזר מצורת החלוקה שבה מתחלק האזור. תאים הם תחנות שידור של אזורים קטנים שמיוצגים על ידי צורת המשושה. כל תא נקבע גודלו בהתאם לשטח בו הוא נמצא. חזרה

אתר התא CELL SITE המושג CELL SITE מתייחס למיקום הפיזי של ציוד הרדיו שמכסה אזור של תא אחד. מספר של רכיבי חומרה נמצאים באתר כגון מקורות מתח, משדרי רדיו ומקלטים ומערכות אנטנה. חזרה

מערכות טלפון ניידות המשתמשות בעיקרון התא (CELL) בעיות הפרעות שנגרמות משמוש של אותו ערוץ באזורים סמוכים מוכיחות שאין אפשרות שכל הערוצים יקוימו בכל תא. נוכחו לדעת שהפרעות נגרמו לא בגלל המרחק בין האזורים אלא עקב שיעור בין המרחק בין אזורים, לבין הרדיוס שתופס המשדר. לכן על ידי כך שנוריד את גודל הרדיוס של אזור ב- 50%, נותני השירות יוכלו להעלות את כמות המשתמשים הפוטנציאלית באזור פי ארבע. תחנות בסיס באזורים בעלי רדיוס של אחד קילומטר ירוויחו פי מאה יותר ערוצים מאשר מערכות בעלות רדיוס של עשרה קילומטר. הגיעו למסקנה שעל ידי הקטנה של הרדיוס לכמה מאות מטרים, תיתן ותוביל למצב שנוכל לשרת מיליונים של שיחות. רעיון התא משתמש בכמה רמות נמוכות עוצמה, שמאפשרות לקבוע את מספר התאים לפי הצרכים של אזור נתון. כלומר שהאוכלוסייה גדלה ניתן להוסיף תאים. תדרים שעובדים בתא מסוים יכולים לעבור לתאים אחרים. שיחות יכולות לעבור, מתא אל תא אחר ובכך לשמור על שירות גם במעבר מתא אל תא אחר. חזרה