Umts-cellular-concepts-introduction
セルラーコンセプト-はじめに
従来の電話の計り知れない可能性は、接続ワイヤによって課せられる制限のために最大限に活用することはできません。 しかし、セルラー無線の出現により、この制限は取り除かれました。
周波数不足問題
すべての加入者に専用のRFループを使用する場合、単一の都市で限られた数の加入者にサービスを提供するためにより大きな帯域幅が必要です。
例
単一のRFループには50 kHz B/Wが必要です。数万人の加入者の場合、1,00,000 x 50 kHz = 5 GHzが必要です。
この白黒の問題を克服するには、加入者は専用のRFループではなく、必要に応じてRFチャネルを共有する必要があります。 これは、FDMA、TDMA、またはCDMAの複数のアクセス方法を使用して実現できます。 それでも、加入者にサービスを提供するために必要なRFチャネルの数は、実行不可能であることがわかります。
例
30Sq.Kmのサブ密度、1％のサービスグレード、30m Eとしてモバイルサブごとに提供されるトラフィックを考慮してください。 その後、必要なRFチャネルの数は-
| Radius(km) | Area in Sq.km | Subs | RF Channels |
|---|---|---|---|
| 1 | 3.14 | 100 | 8 |
| 3 | 28.03 | 900 | 38 |
| 10 | 314 | 10000 | 360 |
10,000のサブで360の無線チャンネルを割り当てるには、360×50 KHz = 18 MHzのB/Wが必要です。 これは実際には実行できません。
細胞アプローチ
限られた周波数リソースで、セルラー方式は手頃な価格で数千の加入者にサービスを提供できます。 セルラーネットワークでは、総エリアは「セル」と呼ばれる小さなエリアに分割されます。 各セルは、その境界内の限られた数のモバイル加入者をカバーできます。 各セルには、複数のRFチャネルを備えた基地局を設置できます。
特定のセル領域で使用される周波数は、地理的に離れた別のセルで同時に再利用されます。 たとえば、一般的な7セルパターンを検討できます。
使用可能な合計周波数リソースは7つの部分に分割され、各部分は複数の無線チャネルで構成され、セルサイトに割り当てられます。 7つのセルのグループでは、使用可能な周波数スペクトルが完全に消費されます。 同じ7セットの周波数を一定の距離の後に使用できます。
利用可能な周波数スペクトルが完全に消費されるセルのグループは、セルのクラスターと呼ばれます。
隣接クラスタ内で同じ番号の2つのセルは、同じRFチャネルのセットを使用するため、「同一チャネルセル」と呼ばれます。 同じ周波数を使用するセル間の距離は、同一チャネル（co-chl）干渉を許容レベルに保つのに十分でなければなりません。 したがって、セルラーシステムは同一チャネル干渉によって制限されます。
したがって、細胞の原理は以下を可能にします。
- 利用可能な限られたRFソースのより効率的な使用。
- 同じチャネルセットを持つ地域内の加入者のすべての端末の製造。これにより、地域内の任意のモバイルを使用できます。
セルの形状
分析目的では、次の理由により、「ヘキサゴン」セルは紙上の他の形状よりも優先されます。
- 六角形レイアウトでは、特定の領域をカバーするために必要なセルが少なくなります。 したがって、より少ない基地局と最小限の設備投資を想定しています。
- 他の幾何学的形状ではこれを効果的に行えません。 たとえば、円形のセルが存在する場合、セルが重複します。
- また、正方形、三角形、六角形の中で与えられた領域では、六角形の半径が弱いモバイルに必要な最大値になります。
実際には、セルは六角形ではなく不規則な形状であり、地形、障害物、およびその他の地理的制約に対する電波の伝搬などの要因によって決定されます。 領域をセルに分割するには、複雑なコンピュータープログラムが必要です。 そのようなプログラムの1つが、シーメンスの「トルネード」です。
動作環境
モビリティにより、基地局とモバイル端末間の無線信号は、同じセル内であっても送信機から受信機に移動する際にさまざまな変更を受けます。 これらの変更の原因は-
- 送信機と受信機の物理的な分離。
- パスの物理環境、つまり 地形、建物、その他の障害物。
遅いフェージング
- 自由空間条件（または）LOSでは、RF信号伝搬定数は2つと見なされます。 r = 2。 これは、静的無線システムに適用されます。
- モバイル環境では、これらのバリエーションはかなりのものであり、通常「r」は3から4と見なされます。
レイリーフェージング
基地局とモバイル間のモバイル環境での直接の見通し線は保証されず、受信機で受信される信号は、異なるパス（マルチパス）を介して到達する信号の数の合計です。 RF波のマルチパス伝搬は、丘、建物、トラック、または航空機などからのRFエネルギーの反射によるものです。反射エネルギーも相変化します。
ダイレクトパス信号と位相が180ずれている場合、それらは互いに打ち消し合う傾向があります。 そのため、マルチパス信号は信号強度を低下させる傾向があります。 送信機と受信機の位置および経路長に沿ったさまざまな反射障害物に応じて、信号は変動します。 変動は高速に発生し、「レイリーフェージング」として知られています。
さらに、マルチパス伝搬は「パルスの広がり」と「シンボル間干渉」につながります。
ドップラー効果
加入者の機動性により、受信したRF信号の周波数に変化が生じます。 セルラーモバイルシステムは、次の手法を使用してこれらの問題に対処します。
- チャンネルコーディング
- インターリーブ
- イコライゼーション
- レーキレシーバー
- 低速ホッピング
- アンテナの多様性
同一チャネル干渉とセル分離
セル半径「R」および同一チャネル距離「D」およびクラスターサイズ「N」を有するセルラーシステムを想定します。 セルサイズが固定されているため、同一チャネル干渉は電力に依存しません。
'__ Co-chl干渉は、「q」= D/Rの関数です。
Q = Co-chl干渉低減係数。
「q」の値が大きいほど、干渉が少なくなります。
「q」の値が小さいほど、干渉が大きくなります。
「q」は、q = 3Nであるため、クラスターサイズ（N）にも関連しています。
q = 3N = D/R '__
Nの異なる値の場合、qは-
「q」のより高い値
- 同一チャネル干渉を削減し、
- より多くの「N」個のセル/クラスターの高い値につながり、
- 少ないチャンネル/セル、
- 少ないトラフィック処理能力。
「q」の低い値
- 同一チャネル干渉を増加させ、
- 値が「n」個少ないセル/クラスターになり、
- より多くのチャネル/セル、
- より多くのトラフィック処理能力。
通常、N = 4、7、12。
C/I計算と「q」
「q」の値もC/Iに依存します。 「C」は目的の送信機から受信したキャリア電力、「I」はすべての干渉セルから受信した同一チャネル干渉です。 7セル再利用パターンの場合、同一チャネル干渉セルの数は6でなければならない。
I = [.intsuma]# m2b ∑ Mz1 ＃私は〜m〜
信号の損失は（距離）-rに比例します
R –伝播定数。
R =セルの半径。
D =同一チャネル分離距離
C/I = R – r/6D –r = 1/6×Dr/Rr = 1/6（D/R）r
q = D/Rおよびq r = 6 C/Iなので、C/I = 1/6 q r
Q = [6×C/I] 1/r
許容可能な音声品質に基づいて、C/Iの値は18 dBに等しいことが判明しています。
仮定すると、
- 7セルの再利用パターン
- 無指向性アンテナ
「q」の値は通常、約4.6です。
値rは3として取得されます。
これは、干渉セルからモバイルユニットまでの距離がすべてのケースで一様に「D」に等しいことを考慮すると、理想的な条件です。 しかし、実際にはモバイルが移動し、距離「D」がセルの境界に達すると「D-R」に減少し、C/Iは14.47 dBに低下します。
したがって、7の「freq」再利用パターンは、無指向性アンテナでC/I基準を満たしていません。
N = 9（または）12の場合
N = 9q = 5.2C/I = 19.78 dB
N = 12q = 6.0C/I = 22.54 dB
したがって、9個または12個のセルパターンのいずれかを無指向性アンテナで使用することになりますが、トラフィック処理能力は低下します。 したがって、これらは優先されません。
N = 7（またはそれ以下）を使用するために、すべてのセルサイトで指向性アンテナが使用されます。 3つのセクターを持つセルは非常に人気があり、下図のようになります。
アンテナのフォント–バックカップリング現象により、潜在的な干渉源の数が減ります。
たとえば、N = 7の場合。
全方向性アンテナの場合、干渉セルの数は6個でなければなりません。 指向性アンテナと3つのセクターでは、同じ数が2つに削減されます。 N = 7および3セクターの場合、C/Iは最悪の状況でも14.47 dBから24.5 dBに改善されます。 その後、C/Iは18dBの要件を満たします。 N = 7および6セクターの場合、C/Iは29 dBに向上します。
アーバンアプリケーションでは、N = 4であり、3セクターセルが使用されるため、セルあたりのキャリア数はN = 7より多くなります。 また、最悪の場合、C/Iは20 dBになります。
セクター化の利点
- 同一チャネル干渉を減らす
- システム容量を増やす
セクター化の欠点
- 基地局の多数のアンテナ。
- セクター/セルの数が増えると、トランキングの効率が低下します
- セクター化は、特定のチャネルグループのカバレッジエリアを縮小します。
- 「ハンドオフ」の数が増加します。
渡す
モバイルユニットがパスに沿って移動すると、異なるセルを通過します。 f =異なる周波数に関連付けられた異なるセルに入るたびに、他の基地局がモバイルの制御を引き継ぎます。 これは「ハンドオフ」として知られています。
ハンドオフはに基づいて決定されます-
- しきい値を下回っている場合、受信信号強度情報。
- 搬送波対干渉比は18 dB未満です。
隣接チャネル干渉
特定のセル/セクターは、多数のRFチャネルを使用します。 近くの周波数が通過帯域に漏れる可能性のある不完全な受信機フィルターのため、隣接チャネル干渉が発生します。
特定のセル内の各RFチャネル間の周波数間隔をできるだけ大きく保つことで、この問題を軽減できます。 再利用係数が小さい場合、この分離では不十分な場合があります。
6チャンネル以上離れているRF周波数を選択することによるチャンネル分離は、隣接チャンネル干渉を制限内に保つのに十分です。
たとえば、4/12パターンに従うGSMでは、N = 4
セクター= 3/セル
IAはRF Carrを使用します。 1、13、25、………..
IBはRF Carr 5、17、29を使用します、…………
ICはRF Carrを使用します。 9、21、33、……….. 等々。
トランキング
セルラー無線は、限られた無線スペクトルで多数のユーザーに対応するためにトランキングに依存しています。 各ユーザーには、必要に応じて/コールごとにチャネルが割り当てられ、セルの終了時に、チャネルはRFチャネルの共通プールに戻されます。
サービスのグレード（GOS）
トランキングのため、すべてのRFチャネルが使用されている場合、コールがブロックされる可能性があります。 これは「Grade of Service」「GOS」と呼ばれます。
携帯電話の設計者は、GOSを満たすために必要な最大容量を見積もり、適切な数のRFチャネルを割り当てます。 これらの計算には、「ERLANG B」テーブルが使用されます。
セル分割
スタートアップセル（初期設計）でユーザー数が飽和状態になり、使用可能なスペア周波数がなくなると、通常は4つの小さなセルにスタートアップセルが分割され、トラフィックが4つ以上のサブスクライバーによって増加します提供することができます。
「n」分割後、トラフィックは-
T2 = T0×42
電力が削減されます-
P2 = P0 – n×12 db
したがって、セル分割により容量が改善され、送信電力が低下します。
