Κυψελωτό δίκτυο

Κυψελωτό δίκτυο είναι δίκτυο κινητής τηλεφωνίας με κυψελοειδή μορφή, που χάρις στην οργανωμένη δομή του και τα εύχρηστα τεχνικά χαρακτηριστικά του, αυξάνει τη συνδρομητική χωρητικότητα του συστήματος, παρέχει ουσιαστική εκμετάλλευση του προσφερόμενου φάσματος ραδιοσυχνοτήτων και δίνει παράλληλα δυνατότητα ραδιοκάλυψης σχετικά μεγάλων γεωγραφικών περιοχών, προσφέροντας στους συνδρομητές της κινητής τηλεφωνίας ποιότητα στην επικοινωνία με αποδεκτό κόστος.

Η επινόηση των κυψελοειδών δικτύων

Η τεχνολογία των κυψελοειδών δικτύων είναι γέννημα των απαιτήσεων της αγοράς κινητής τηλεφωνίας για ποιοτική επικοινωνία και ήρθε να καλύψει τις ελλείψεις που παρουσίαζαν τα παραδοσιακά συστήματα εξαιτίας της φύσης και των αρχών λειτουργίας τους.

Οι πρώτες προσπάθειες επινόησης κυψελοειδών δικτύων έγιναν το 1947 στις ΗΠΑ (Bell Labs), ενώ το πρώτο κινητό τηλέφωνο το κατασκεύασε το 1973 ο Martin Cooper για τη Μotorola που διένειμε το 1983 συσκευή στην αγορά.

Το πρώτο κυψελοειδές δίκτυο (Advanced Mobile Phone System, AMPS) υλοποιήθηκε το 1980 και παράχθηκε το 1983 στις ΗΠΑ (Bell Labs). Η βασική ιδέα στην οποία βασίστηκε η κατασκευή των κυψελοειδών δικτύων στηρίχτηκε στην έννοια της κυψέλης, δηλαδή στην τμηματοποίηση της γεωγραφικής περιοχής που πρόκειται να καλυφθεί ηλεκτρομαγνητικά σε μικρές ζώνες, όπου υπάρχει η δυνατότητα επαναχρησιμοποίησης των ίδιων συχνοτήτων.

Η κατασκευή των κυψελοειδών δικτύων επιτυγχάνει την αύξηση της χωρητικότητας του συστήματος από την πλευρά της τηλεπικοινωνιακής κίνησης. Σήμερα, όλα τα πλεονεκτήματα των κυψελοειδών συστημάτων είναι διαθέσιμα στους συνδρομητές κινητής τηλεφωνίας.

Έτσι, η είσοδος της τεχνολογίας των κυψελοειδών συστημάτων αύξησε ετησίως κατά 18% τους χρήστες κινητής τηλεφωνίας σε παγκόσμιο επίπεδο.

Σύντομη περιγραφή

Ουσιαστικά το κυψελοειδές δίκτυο κινητών είναι η μορφή των κυψελών στις οποίες χωρίζεται μια γεωγραφική περιοχή, η οποία είναι προς τηλεπικοινωνιακή κάλυψη, αλλά και υπερκυψέλες.

Για να επιτευχθεί επικοινωνία μεταξύ ενός κινητού τηλεφώνου και κυψελών χρησιμοποιούνται ασύρματα σήματα σε εύρη συχνοτήτων 806-890 MHz και 1850-1990 MHz.

(Τηλεφώνημα: Στέλνει μήνυμα στο Σταθμό Βάσης για σύνδεση με συγκεκριμένο αριθμό. Αν ο πύργος μπορεί ένας διακόπτης μεταβιβάζει το σήμα σε κανάλι του PSTN. Σήμα: ασύρματο κανάλι και PSTN κανάλι. Κανάλι: δεσμεύεται μέχρι τον τερματισμό της συνδιάλεξης).

Η πλέον κατάλληλη μορφή της κυψέλης είναι το κανονικό εξάγωνο γιατί προσεγγίζει την επιφάνεια του κύκλου, δεν εμφανίζει κενά και επικαλυπτόμενες περιοχές και απαιτεί μικρότερο αριθμό κυψελών.

Η συνήθης τοποθέτηση κυψελών είναι έως 2 μίλια, για αγροτικές περιοχές 20 μίλια και για επιβαρυμένες περιοχές η τοποθέτησή τους γίνεται ανάλογα την τεχνολογία, την υψηλότερη συχνότητα και το είδος των κυψελών (π.χ. μικροκυψέλες, πικοκυψέλες).

Με βάση την έννοια της επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων, με εφαρμογή μεθόδου εύρεσης συγκαναλικών κυψελών, σχηματίζονται συμπαγείς ομάδες επαναληψιμότητας-υπερκυψέλες. Δηλαδή, οι υπερκυψέλες αποτελούνται από κυψέλες.

Η σπουδαιότητά του, σε σχέση με τα παραδοσιακά συστήματα κινητής τηλεφωνίας, είναι η κάλυψη μεγαλύτερων γεωγραφικών περιοχών, η αύξηση της χωρητικότητας του δικτύου (εξυπηρέτηση μεγάλου αριθμού κινητών συνδρομητών) και προσφορά ποιότητας στην επικοινωνία, έλλειψη παρεμβολών ή και λανθασμένων μεταδιδόμενων πληροφοριών, με μείωση κόστους και παροχή φιλικού περιβάλλοντος προς τους χρήστες.

Τα πλεονεκτήματα των κυψελοειδών συστημάτων αντισταθμίζουν τις ελλείψεις των παλιών παραδοσιακών συστημάτων και καλύπτουν τις απαιτήσεις που τέθηκαν από την αγορά σχετικά με τη χωρητικότητα του δικτύου, την καλή διαχείριση συχνοτήτων λειτουργίας του συστήματος, τη συμβατότητα όσον αφορά το υλικό και το λογισμικό, την προσαρμογή στην εμφανιζόμενη πυκνότητα επικοινωνιακής κίνησης, το βαθμό ποιότητας επικοινωνίας, τη βελτίωση των παρεχομένων υπηρεσιών προστασίας, την ανταπόκριση με αξιοπιστία και ταχύτητα σε καταστάσεις εκτάκτου ανάγκης, την ευαισθησία στις επικρατούσες ατμοσφαιρικές συνθήκες και το συνδρομητικό κόστος.

Ανάλυση

Σημαντικά σημεία της ανάλυσης των βασικών διαδικασιών και των πλεονεκτημάτων των κυψελοειδών δικτύων είναι α) η επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων, β) η κυψελοειδής διάσπαση και γ) η μεταγωγή από μια κυψέλη σε μια άλλη.

Επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων

Παράδειγμα επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων

Αποτελεί τη δυνατότητα χρησιμοποίησης ραδιοδιαύλων, οι οποίοι έχουν τις ίδιες συχνότητες φορέα και δεν δημιουργούν προβλήματα παρεμβολών (καταχώρηση συχνοτήτων σε διαφορετικές γεωγραφικές περιοχές κάλυψης με επαρκή απόσταση μεταξύ τους). Η λογική του συστήματος επικοινωνίας είναι η διαίρεση καλυπτόμενων περιοχών σε υποπεριοχές-κυψέλες, των οποίων το μέγεθος της διαμέτρου κυμαίνεται από λίγα χιλιόμετρα μέχρι 50 (ή και 100) χιλιόμετρα.

Σε κάθε μία κυψέλη παραχωρείται ένα σύνολο συχνοτήτων. Δύο κυψέλες μπορούν να χρησιμοποιούν τις ίδιες συχνότητες, εφόσον βρίσκονται σε απόσταση τέτοια που αποφεύγονται προβλήματα παρεμβολών.

Οι ραδιοδίαυλοι εξυπηρετούν περισσότερες από μία κυψέλες, κυρίως λόγω των ευκολιών που προσφέρουν τα ψηφιακά συστήματα. Οπότε, οι κυψέλες επιτρέπουν την εκτεταμένη επαναχρησιμοποίηση συχνότητας.

Η χωρητικότητα του κυψελοειδούς συστήματος, όσον αφορά των αριθμό των χρηστών, εξαρτάται από τον αριθμό των διαθέσιμων συχνοτήτων σε κάθε κυψέλη, καθώς και από τον αριθμό των κυψελών.

Κυψελοειδής διάσπαση

Η συγκεκριμένη διαδικασία είναι απαραίτητη για να αντιμετωπιστεί η αύξηση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης και ο μεγάλος αριθμός των χρηστών σε μια συγκεκριμένη περιοχή. Σε ώρες αιχμής ενεργοποιείται η διαδικασία της κυψελοειδούς διάσπασης (διάσπαση μιας κυψέλης σε μικρότερες κυψέλες μικρής ακτίνας), καθώς δεν επαρκούν οι συχνότητες της κάθε κυψέλης για την εξυπηρέτηση των επικοινωνιακών αναγκών της περιοχής κάλυψης της κυψέλης.

Η κάθε μικρή κυψέλη έχει τη δυνατότητα να εξυπηρετεί τον ίδιο αριθμό συνδρομητών, που εξυπηρετούσε πριν η αρχική κυψέλη, χωρίς να υπάρχει ανάγκη αύξησης του διατιθέμενου φάσματος συχνοτήτων.

Η χρήση μικρών κυψελών κάλυψης αυξάνει σημαντικά τη χωρητικότητα του συστήματος (το ζητούμενο), ενώ παράλληλα συμβάλλει στην ελαχιστοποίηση της συγκαναλικής παρεμβολής από την επίδραση των γειτονικών κυψελών.

Μεταγωγή

Η διαδικασία μεταφοράς του ελέγχου, της εκπομπής και της λήψης της μεταδιδόμενης πληροφορίας από έναν Σταθμό Βάσης (ΣΒ) σ’ ένα άλλον.

Ειδικότερα, η μεταγωγή του ραδιοδιαύλου από τη μια κυψέλη στην άλλη γίνεται ως εξής:

Όταν ο πομποδέκτης του συνδρομητή είναι αναμμένος και στην εμβέλεια εντός κυψέλης, αποκαθίσταται μια ζεύξη μεταξύ του κινητού σταθμού και του κέντρου της κινητής τηλεφωνίας μέσω ενός ΣΒ, που διαθέτει το ισχυρότερο σήμα και καλύπτει μέρος της κυψέλης (ή όλη την κυψέλη) στο οποίο βρίσκεται η κινητή μονάδα.

Όταν η ένταση του σήματος ενός κινητού ελαττώνεται, καθώς αυτό πλησιάζει τα όρια της κυψέλης, γίνεται αυτόματα αντιληπτή από το σύστημα το οποίο μετάγει τη ζεύξη, χωρίς ο συνδρομητής να αντιληφθεί σχεδόν τίποτα, σ’ ένα γειτονικό Σταθμό Βάσης, δηλαδή σε κάποια γειτονική κυψέλη (με ισχυρότερο σήμα) που διαχειρίζεται διαφορετικές συχνότητες. Η εναλλαγή διαρκεί μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου.

Βιβλιογραφία

• Α. Αλεξόπουλος & Γ. Λαδογιάννης «Τηλεπικοινωνίες και Δίκτυα Υπολογιστών» Εκδόσεις Παπασωτηρίου & ΣΙΑ Ο.Ε., 8η έκδοση (2012)

• Ana Aguiar (Professor of Electrical and Computer Engineering, Faculty of Engineering, University of Porto) & James Cross (KTH Royal Institute of Technology, Stockholm) «Wirelless Channels Models» TNK Technical Report (2007)

• Ι. Poole «Cellular Communications Explained from Basics to 3G», published by Elsevier (2006)

• Hossein Bidgoli «The Internet Encyclopedia», John Wiley and Sons (2004)

• Timo Halonen (Editor), Javier Romero (Editor), Juan Melero (Editor) «GSM, GPRS and EDGE performance Evolution Towards 3G/UMTS», Wiley 2ndedition (2003)

• M. R. Karim and Mohsen Sarraf «W-CDMA and cdma2000 for 3G Mobile Networks», McGraw-Hill TELECOM Professional (2002)

• Lal Chand Godara «Handbook of Antennas in Wireless Communications», CRC PRESS (2002)

• Μ. Λογοθέτης (Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών, τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών) «Θεωρία Τηλεπικοινωνιακής Κίνησης και Εφαρμογής», Εκδόσεις Παπασωτηρίου & ΣΙΑ Ο.Ε. (2001)

• Kornel Terplan & Patricia Morreale «The Telecommunications Handbook», CRC PRESS (2000)

• Σ. Κωτσόπουλος & Γ. Καραγιαννίδης «Κινητή Τηλεφωνία», Εκδόσεις Παπασωτηρίου & ΣΙΑ Ο.Ε. (1997)

• Dr. Kamilo Feher (Professor, Electrical and Computer Engineering Lake Tahoe, California) «Wireless Digital Communications», Prentice Hall (1995).

• William C.Y.Lee «Mobile Communications Design Fundamentals», Wiley Series in Telecommunications, 2nd Edition (1993)

• Δ. Σουλής «Το Πανευρωπαїκό Σύστημα Κινητής Τηλεφωνίας G.S.M. και η εφαρμογή του στην Ελλάδα» (1992)