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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Características de la comunicación celular. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / La telefonía móvil El rápido desarrollo de las nuevas tecnologías de las telecomunicaciones en los años 80 y 90 está asociado con el uso activo de los logros científicos y tecnológicos en los campos de las telecomunicaciones, la tecnología de la información y la electrónica. Una de las tecnologías prioritarias son las comunicaciones celulares, que están ganando cada vez más popularidad entre la población y se están desarrollando a un ritmo muy rápido.
"No te alejes de un posible futuro hasta que estés seguro de que no hay nada que puedas aprender".
Campeonato mundial Como aquellos lectores que prefieren ver la revista desde el final, avancemos y digamos lo principal: hoy en día no existe ningún tipo de telecomunicaciones que se desarrolle tan rápidamente como la radiotelefonía inalámbrica, y especialmente las comunicaciones celulares al servicio de los usuarios móviles. El número de estos usuarios aumenta anualmente aproximadamente un 40% y recientemente superó con confianza la marca de los 350 millones. Cabe señalar que ciertos tipos de redes móviles celulares muestran tasas de crecimiento aún más impresionantes. En el mundo, el crecimiento anual de suscriptores de redes GSM es de aproximadamente el 70% (gsmworld.com), y para las redes cdmaOne, conocidas aquí como CDMA/IS-95, durante el último año ha alcanzado casi el 160% (cdg.org )! Se espera que el número de abonados a la telefonía móvil alcance los mil millones en algún momento del período 1-2002. Aunque no ha pasado mucho tiempo desde que las redes móviles emergieron de la etapa de desarrollo científico y técnico al mercado comercial (a finales de los años 70 y 80), el teléfono móvil ha dejado de ser un símbolo de prestigio y se ha convertido en una herramienta. que permita un uso más eficiente del tiempo de trabajo, gestionar rápidamente procesos tecnológicos, económicos y otros. Al mismo tiempo, las redes celulares no sólo están creciendo en ancho, sino que también aumentan constantemente el número de servicios adicionales ofrecidos. Si tomamos la densidad de redes celulares que han logrado muchos países desarrollados (datos de British Telecom Engineering), entonces el líder indiscutible entre ellos es Finlandia, donde alrededor del 70% de la población tiene teléfonos celulares. Sus vecinos escandinavos están ligeramente por detrás (del 50 al 60%), entre los que se encuentra una parte de la República Popular China (antes Hong Kong). Seis países más, entre ellos Australia y Japón, han superado el umbral del 30%, y todo un grupo de países, entre ellos el Reino Unido y Estados Unidos, están cerca de alcanzarlo. Alemania, Francia, España, Canadá y varios otros países tienen indicadores de aproximadamente el 20%. Sin embargo, podríamos seguir hablando de los éxitos de las comunicaciones móviles, pero la información ya proporcionada es suficiente para sacar algunas conclusiones. Todo lo anterior indica que en la mayoría de estos países la densidad de líneas radiotelefónicas ya ha alcanzado el nivel de densidad de las líneas telefónicas tradicionales (aproximadamente 50-60%) o es al menos la mitad. Muchos de estos países tienen territorios muy grandes, poblaciones muy grandes o ambas cosas. Por lo tanto, incluso el 5% en Brasil y el 3% en China excluyendo Hong Kong (qué cifra tan pequeña y al mismo tiempo un número monstruosamente grande de usuarios) resultan ser más significativos que, por ejemplo, el 27% en algún lugar de Holanda. En general, las comunicaciones celulares ya se han convertido en un producto de consumo masivo y continúan aumentando sus tasas de crecimiento. Incluso las previsiones más inmediatas (2003) son impresionantes: en términos de cobertura poblacional, todo un grupo de países se acercará al 90%. ¡Y el antiguo Hong Kong (ahora región administrativa especial de la República Popular China) se convertirá en el primer territorio donde esta cifra alcanzará el 95%! Casi dos docenas de países en términos de densidad estarán en el rango del 60...95%. Sin embargo, incluso los países muy desarrollados con territorios relativamente grandes no avanzarán hasta ahora: EE.UU. - 53%, Alemania - 47%, Canadá - 30%, Brasil - 22%, China - 8%. Curiosamente, los pioneros móviles del Reino Unido y Estados Unidos estarán detrás de países como Austria, Irlanda y Grecia. Quizás dentro de unos años veamos que los grupos de usuarios de teléfonos tradicionales y móviles son casi iguales en número. Por cierto, hoy en día existen alrededor de mil millones de líneas telefónicas por cable en todo el mundo. Dado que ya hay suficientes razones para dudar de la primacía habitual de las comunicaciones telefónicas por cable, los analistas extranjeros están empezando a considerar las comunicaciones celulares como un servicio igual al alámbrico, y algunos incluso le dan primacía. El mercado global de servicios de comunicación celular en rápido desarrollo está atrayendo la atención de muchas empresas. Por ejemplo, sólo en Rusia participan en este negocio unas doscientas empresas operativas. El ritmo cada vez más acelerado de desarrollo de la sociedad requiere con urgencia servicios más personalizados, a saber: la posibilidad de mantener una conversación telefónica (y no sólo) con cualquier abonado, en cualquier lugar y en cualquier momento. Tenga en cuenta que la última frase se ha convertido realmente en el lema de las comunicaciones móviles en estos días. Y no sólo ella. Ahora nos detendremos con más detalle en los componentes del mercado de las comunicaciones celulares y en algunas etapas históricas de su desarrollo tanto técnico como organizativo. Pero primero, una pequeña digresión lírica. Sobre los comienzos Al tocar un tema extenso, es útil comenzar con la terminología para organizar ligeramente el conocimiento que los lectores obtuvieron previamente de otras fuentes, así como para delinear los límites de la narrativa. En relación con lo anterior, en primer lugar, observamos que la comunicación celular es un tipo de comunicación por radio altamente móvil, que se distingue principalmente por el servicio masivo de suscriptores en un área limitada. Al mismo tiempo, históricamente las comunicaciones celulares han ampliado gradualmente el alcance del servicio de la red telefónica pública (PSTN). De hecho, el término "comunicaciones celulares" en sí es un nombre abreviado generalmente aceptado para un servicio obtenido utilizando redes móviles celulares desplegadas basadas en sistemas apropiados. Así, este término caracteriza las comunicaciones móviles. Estas largas discusiones son necesarias para no confundir la red celular y las comunicaciones celulares, porque la primera significa un método para proporcionar cobertura de radio en un territorio determinado (en consecuencia, se puede utilizar para proporcionar servicios de comunicación tanto móviles como fijos), y el segundo significa un servicio en forma de transmisión y recepción de información exclusivamente entre suscriptores móviles de la red celular. Además, hoy en día no solo puede tratarse de voz, sino también de datos, por supuesto, de Internet. Cabe recordar que cualquier sistema de radiocomunicación que funcione con un terminal de radio de abonado con antena omnidireccional es, en un grado u otro, móvil (y sólo cuando la antena está rígidamente fijada, el movimiento del abonado es imposible), porque el usuario puede moverse dentro del área de cobertura de la estación base (BS) y al mismo tiempo ser atendido por esta. Por lo tanto, dichos sistemas de comunicación se pueden dividir en aquellos que atienden a suscriptores de baja movilidad que tienen la oportunidad de moverse durante una sesión de comunicación solo dentro del área de servicio de una BS (estos sistemas se pueden llamar fijos) y aquellos que permiten un abonado de alta movilidad para llevar a cabo una sesión de comunicación continua en movimiento (incluso muy rápido, incluso a una velocidad de 100 km/h o más) desde el área de servicio de una BS al área de otra BS y más dentro todo el territorio cubierto por la red. Esta es una comunicación celular real. De lo anterior se puede concluir que el concepto de "comunicaciones fijas" a menudo se aplica erróneamente aquí, y si un sistema de comunicaciones por radio consta de una sola estación base con un largo alcance, generalmente puede proporcionar comunicaciones por radio móviles en su área de servicio. . Si la estación base se coloca en un satélite, daremos un paso importante hacia la creación de una red global (planetaria) de comunicaciones por satélite. Pero bajemos a la tierra y ocupémonos ahora de los “panales”. Las redes celulares recibieron su nombre de acuerdo con el principio celular de organización de las comunicaciones, que es el siguiente. En el área de servicio de la red celular, se instala el número requerido de las estaciones transceptoras base (BS) ya mencionadas, cada una de las cuales tiene su propia área de cobertura de radio relativamente pequeña, que se superpone algo al área de servicio de las BS vecinas ( para garantizar una cobertura radioeléctrica continua del territorio). Respondiendo a la pregunta lógica que surge en la mente del lector: "¿Por qué es necesario?", muchos autores de trabajos sobre comunicaciones celulares suelen dar aproximadamente los siguientes argumentos: "para proporcionar a los suscriptores la capacidad de moverse", "para garantizar la compatibilidad electromagnética de células vecinas” para mejorar la calidad de la comunicación ". Todo esto, por supuesto, es cierto, pero, en primer lugar, los operadores de redes fijas también están interesados en una buena cobertura de radio y, en segundo lugar, objetivamente, cualquier operador de redes celulares siempre está interesado en que su red contenga menos células. Y es aún mejor si la red generalmente consta de una sola celda, porque es la más simple y económica. Otra cosa es que esto generalmente no es posible implementar en la práctica, y cuando se intenta dar servicio simultáneamente a un número significativo de suscriptores agrupados en un área relativamente pequeña, surge inevitablemente la necesidad de un número adecuado de canales de comunicación por radio. Y el espectro radioeléctrico es, como sabemos, un recurso natural explotado por muchos usuarios, que siempre escasea para todos. Incluidos quienes organizan muchas interfaces de radio entre estaciones base y terminales de usuario (teléfonos móviles). Por tanto, la principal tarea que resuelve cualquier red celular es la reutilización económica del mismo recurso de radiofrecuencia asignado al operador de la red para cubrir el mayor número posible de suscriptores. Este enfoque nos permite resolver el problema de un servicio de abonado verdaderamente masivo a un nivel comercial serio. Sobre los beneficios de las abejas Ahora unas palabras sobre los propios panales o, como también se les llama, células. ¿Por qué, por cierto, panales? Sí, porque el área de cobertura de radio alrededor de la BS es generalmente un círculo. Y de las figuras equiláteras inscritas en un círculo (los triángulos y los cuadrados no cuentan), sólo los hexágonos pueden cubrir cualquier superficie sin interrupciones. Por tanto, se utilizan como modelo matemático de una red celular. También está claro que hubo un tiempo en que las abejas lo adivinaron mucho antes que los operadores de radio. El tamaño de las células/células de una red radiotelefónica celular en la práctica puede variar desde decenas de metros hasta decenas de kilómetros, sin embargo, sus variedades más pequeñas, organizadas en lugares con una concentración especial de suscriptores (por ejemplo, centros de negocios), a menudo se denominan según su tamaño: pico o microcélulas. Para aumentar la capacidad de los abonados, las células pueden diseñarse con un diseño multisectorial (normalmente con tres o seis sectores), lo que equivale a una organización económica de tres o seis células en lugar de una. En este caso, la BS es un bloque de varios transceptores, cada uno de los cuales con su propia antena direccional sirve al sector correspondiente de la celda. Queda por agregar que los expertos extranjeros suelen llamar "sitio celular" a una celda de una red celular, junto con la BS instalada en ella. Una tarea muy importante a la que se enfrenta el operador de muchas redes celulares para cualquier propósito es la planificación de celdas de radiofrecuencia. De hecho, si la tecnología de interfaz de radio de una red celular prevé la separación de canales de radio por frecuencia, entonces las células vecinas no pueden operar en las mismas frecuencias de radio y solo pueden reutilizarse retrocediendo una cierta distancia, dependiendo de las características técnicas. de la BS. Esta situación es muy común, pero también muy desagradable para el operador, porque la necesidad de organizar una nueva celda implica la necesidad de reprogramar la frecuencia de grandes fragmentos de la red. Sin embargo, estos problemas no preocupan a todos. Hablaremos de esto un poco más tarde. En busca de un suscriptor Lo siguiente es muy importante. Incluso digamos que el concepto definitorio en las comunicaciones celulares es el llamado relevo de control entre celdas cuando un abonado pasa de una celda a otra. Es esta capacidad la que distingue las comunicaciones celulares de las comunicaciones inalámbricas en general. Este control no lo proporciona la BS, sino un centro de conmutación especializado, que es el núcleo de la red y al que están conectadas todas las BS, al mismo tiempo, este centro, que en general es una centralita especializada. incluido en TFOL. El control de conmutación está asociado con la organización de un nuevo canal de comunicación y la transferencia de una conexión telefónica específica al mismo. Puede producirse de diferentes formas, denominadas “duras” o “blandas”, que dependen de las tecnologías utilizadas en la red y que se analizarán a continuación. Por ahora nos centraremos únicamente en el nombre. Históricamente, en Europa este proceso de cambio se denomina más a menudo "traspaso" y en América del Norte, "traspaso". Por lo tanto, al encontrar tales discrepancias, uno no debería sorprenderse. Al considerar la transferencia (nos centraremos en el nombre más corto), no podemos ignorar el caso en el que un suscriptor pasa del área de servicio de una red celular al área de servicio de otra. Pero diferentes redes tienen diferentes propietarios-operadores. El proceso (así como la posibilidad) de transferir el control entre células/redes de diferentes propietarios no sólo recibió el nombre de “roaming” (tramp) en el extranjero, sino que también quedó firmemente establecido en la ortografía rusa como “roaming”. Por supuesto, por un lado, el traspaso no es más que itinerancia entre células vecinas, pero los operadores de telecomunicaciones entienden mucho más por itinerancia, es decir, interacción entre operadores, para lo cual, por supuesto, no sólo se tienen en cuenta las características técnicas y los estándares de las redes deben coincidir, pero se deben celebrar acuerdos apropiados sobre política tarifaria, acuerdos mutuos, etc. Además, las redes celulares no pueden limitarse entre sí, lo que sugiere que el roaming es generalmente la capacidad de recibir servicios en las redes de otros operadores (con los cuales se han celebrado contratos de servicio) utilizando el mismo teléfono móvil. Queda por agregar que el roaming puede ser automático, cuando el abonado nota el proceso de transición de un operador a otro únicamente mediante la indicación correspondiente en el terminal del abonado y mediante la factura recibida. El roaming no automático implica la notificación previa al operador por parte del abonado sobre la posibilidad de viajar fuera de la red con todos los inconvenientes que conlleva, cuyo grado depende de la eficiencia y capacidades del operador. Bueno, el roaming más universal y discreto, pero también el más inconveniente, es simplemente cambiar de teléfono móvil cuando viaja fuera del alcance de su "propia" red. Sin embargo, si no podemos utilizar nuestro terminal de abonado, esto ya no es roaming (¡aunque algunos operadores ofrecen precisamente este tipo de roaming!). Tecnologías de interfaz de radio Las comunicaciones celulares se caracterizan por la posibilidad de acceso múltiple, lo que implica la transmisión simultánea de información a través de un dispositivo por muchos usuarios en un canal de comunicación común. En este caso, la división del canal común se puede realizar por frecuencia (FDMA - Acceso múltiple por división de frecuencia), tiempo (TDMA - Acceso múltiple por división de tiempo) y código (CDMA - Acceso múltiple por división de código). Las características de estas tecnologías se muestran claramente en la figura.
En la división de frecuencia, el espectro de transmisión se divide en áreas asignadas a diferentes usuarios. Sólo este método se puede utilizar para comunicaciones celulares analógicas. Por lo tanto, todos los estándares de comunicación celular analógicos conocidos se basan en él: NMT, AMPS, TACS, etc. Las desventajas de los sistemas analógicos ahora son obvias: baja inmunidad al ruido y la baja calidad asociada de la transmisión de voz, uso ineficiente del escaso espectro de radio, falta de protección contra escuchas ilegales, etc. También hay que decir que los sistemas analógicos alcanzaron su punto máximo de desarrollo en 1993, después de lo cual hubo una disminución constante en el número de suscriptores, y después de unos años deberían abandonar por completo el mercado de las comunicaciones. Debido a la pérdida de interés por parte de operadores y suscriptores, AMPS era y sigue siendo el estándar analógico en el mundo. Los otros dos métodos se utilizan en tecnología digital y normalmente en combinación con división de frecuencia. En el caso del acceso múltiple por división de tiempo, varios suscriptores transmiten sus mensajes en la misma frecuencia de radio, pero en diferentes momentos, lo que permite aumentar el volumen de tráfico de voz y obtener una serie de otras ventajas características de los sistemas de comunicación digitales. Este método se basa en estándares de comunicación celular digital de banda estrecha tan conocidos como GSM y su versión DCS, así como D-AMPS, que se convirtió en un desarrollo (mejora) lógico del estándar AMPS. También existen normas japonesas, pero su alcance se limita exclusivamente al territorio nacional. El principio utilizado en los sistemas CDMA de acceso múltiple es ampliar el espectro de la señal de información original (en nuestro caso, el habla) utilizando una señal especial con una envolvente de forma única, que es una especie de código. Como puede ver, en este caso, todos los suscriptores operan en las mismas frecuencias de radio, por lo que la red celular CDMA no necesita gastar mucho esfuerzo en la planificación de frecuencias. En el receptor, la señal recibida en el otro lado se procesa utilizando un código idéntico, lo que da como resultado la restauración de la señal de información original. Al mismo tiempo, las señales de otros usuarios de este receptor continúan ampliándose y son percibidas por él solo como "ruido blanco", que es la interferencia "más suave" que menos interfiere con el funcionamiento normal del receptor. Por supuesto. Continuaremos con ésto luego. Y para explicar popularmente el principio de funcionamiento de dicho sistema, nos referiremos a una alegoría muy exitosa "para expertos y no tanto", que, al explicar los conceptos básicos de la tecnología CDMA, suele ofrecer Motorola. Imagine una habitación en la que muchas parejas de personas hablan entre sí al mismo tiempo y en diferentes idiomas. Cada uno de ellos comprende bien a su interlocutor y todas las conversaciones extrañas se perciben como una especie de trasfondo que no interfiere particularmente con la conversación. De hecho, ese es el principio completo. Es una cuestión de técnica. Autor: A.Golyshko, Moscú
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