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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Caractéristiques de la communication cellulaire. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Les communications mobiles Le développement rapide des nouvelles technologies de télécommunications dans les années 80 et 90 est associé à l'utilisation active des réalisations scientifiques et technologiques dans les domaines des télécommunications, des technologies de l'information et de l'électronique. L'une des technologies prioritaires est la communication cellulaire, qui gagne en popularité auprès de la population et se développe à un rythme très rapide.
"Ne tournez pas le dos à un avenir possible tant que vous n'êtes pas sûr qu'il n'y a rien à apprendre."
championnat du monde Comme les lecteurs qui préfèrent lire le magazine jusqu'à la fin, allons de l'avant et disons l'essentiel : il n'existe aujourd'hui aucun type de télécommunication qui se développerait aussi rapidement que la radiotéléphonie sans fil, et en particulier les communications cellulaires au service des utilisateurs mobiles. Le nombre de ces utilisateurs augmente chaque année d'environ 40 % et a récemment franchi avec confiance la barre des 350 millions. Il convient de noter que certains types de réseaux mobiles cellulaires affichent des taux de croissance encore plus impressionnants. Dans le monde, la croissance annuelle des abonnés au réseau GSM est d'environ 70 % (gsmworld.com), et pour les réseaux cdmaOne, connus ici sous le nom de CDMA/IS-95, elle a atteint l'année dernière près de 160 % (cdg.org )! Le nombre d'abonnés au cellulaire devrait atteindre 1 milliard en 2002-2003. Bien que peu de temps se soit écoulé depuis que les réseaux cellulaires sont passés du stade de développement scientifique et technique au marché commercial (au tournant des années 70 et 80), le téléphone portable a désormais cessé d'être un symbole de prestige et est devenu un outil qui permet une utilisation plus efficace du temps de travail, une gestion rapide des processus technologiques, économiques et autres. Dans le même temps, les réseaux cellulaires ne se contentent pas de s'étendre, mais augmentent également régulièrement le nombre de services supplémentaires fournis. Si l'on prend la densité des réseaux cellulaires, que de nombreux pays développés ont atteint (données de British Telecom Engineering), alors le leader incontesté d'entre eux est la Finlande, où environ 70 % de la population possède un téléphone portable. Les voisins scandinaves sont un peu en retard (de 50 à 60 %), entre lesquels s'est coincé un morceau de Chine (l'ex-Hong Kong). Six autres pays, dont l'Australie et le Japon, ont franchi le seuil des 30 %, et tout un groupe de pays, dont le Royaume-Uni et les États-Unis, s'en sont approchés. Environ 20 % des indicateurs se trouvent en Allemagne, en France, en Espagne, au Canada et dans un certain nombre d'autres pays. On pourrait cependant s'étendre encore et encore sur les succès des communications mobiles, mais les informations déjà fournies suffisent pour tirer quelques conclusions. Tout ce qui précède indique que dans la plupart de ces pays, la densité des lignes radiotéléphoniques a déjà atteint le niveau de densité des lignes téléphoniques traditionnelles (environ 50 à 60 %) ou en représente au moins la moitié. Beaucoup de ces pays ont soit de très vastes territoires, soit de très grandes populations, ou les deux. Ainsi, même 5 % au Brésil et 3 % en Chine hors Hong Kong (quel petit chiffre et en même temps un nombre monstrueux d'utilisateurs) s'avèrent plus significatifs que, par exemple, 27 % quelque part aux Pays-Bas. En général, les communications cellulaires sont déjà devenues un produit de consommation de masse et continuent d'augmenter leurs taux de croissance. Même les prévisions les plus immédiates (2003) sont impressionnantes : en termes de couverture démographique, tout un groupe de pays approchera les 90 %. et l'ex-Hong Kong (aujourd'hui région administrative spéciale de la République populaire de Chine) deviendra le premier territoire où ce chiffre atteindra 95 % ! Près de deux douzaines de pays en termes de densité seront compris entre 60 et 95 %. Cependant, même les pays très développés avec des territoires relativement vastes n'avanceront pas aussi loin : États-Unis - 53 %, Allemagne - 47 %, Canada - 30 %, Brésil - 22 %, Chine - 8 %. Il est intéressant de noter que les pionniers du mobile au Royaume-Uni et aux États-Unis seront derrière des pays comme l'Autriche, l'Irlande et la Grèce. Peut-être que dans quelques années nous verrons des groupes d’utilisateurs de téléphones traditionnels et de téléphones portables presque égaux en nombre. À propos, il existe aujourd’hui environ 1 milliard de lignes téléphoniques filaires dans le monde. Puisqu'il y a suffisamment de raisons de douter de la primauté habituelle de la téléphonie filaire, les analystes étrangers commencent à considérer les communications cellulaires comme un service égal au filaire, et certains lui accordent même la primauté. Le marché mondial des services de communication cellulaire, en développement rapide, attire l'attention de nombreuses entreprises. Par exemple, rien qu'en Russie, environ deux cents sociétés opérationnelles sont impliquées dans cette activité. Le rythme de développement toujours accéléré de la société nécessite de toute urgence des services plus personnalisés, à savoir : la possibilité d'avoir une conversation téléphonique (et pas seulement) avec n'importe quel abonné, n'importe où et à tout moment. Notez que cette dernière phrase est véritablement devenue la devise des communications cellulaires de nos jours. Et pas seulement elle. Nous allons maintenant nous attarder plus en détail sur les composantes du marché des communications cellulaires et sur certaines étapes historiques de son développement technique et organisationnel. Mais d’abord, une petite digression lyrique. À propos des débuts Lorsqu'on aborde un sujet vaste, il est utile de commencer par la terminologie afin de rationaliser légèrement les connaissances que les lecteurs ont réussi à acquérir plus tôt à partir d'autres sources, ainsi que de définir les limites du récit. En relation avec ce qui précède, notons tout d'abord que la communication cellulaire est un type de communication radio hautement mobile, qui se distingue principalement par le service de masse des abonnés dans une zone limitée. Dans le même temps, historiquement, les communications cellulaires ont progressivement élargi la portée du service du réseau téléphonique public (PSTN). En fait, le terme « communications cellulaires » lui-même est un nom abrégé généralement accepté pour un service obtenu à l'aide de réseaux mobiles cellulaires déployés basés sur des systèmes appropriés. Ainsi, ce terme caractérise la communication mobile. Des discussions aussi longues sont nécessaires pour ne pas confondre réseau cellulaire et communications cellulaires, car le premier désigne une méthode permettant de fournir une couverture radio d'un certain territoire (en conséquence, il peut être utilisé pour fournir des services de communication mobiles et fixes), et le deuxièmement, un service sous forme de transmission et de réception d'informations exclusivement entre abonnés mobiles du réseau cellulaire. De plus, aujourd'hui, il peut s'agir non seulement de paroles, mais aussi de données, bien sûr, d'Internet. Il convient de rappeler que tout système de radiocommunication fonctionnant avec un terminal radio d'abonné doté d'une antenne omnidirectionnelle est, à un degré ou à un autre, mobile (et seulement lorsque l'antenne est rigidement fixée, le mouvement de l'abonné est impossible), car l'utilisateur peut se déplacer dans la zone de couverture de la station de base (BS) et en même temps être desservi par celle-ci. Par conséquent, ces systèmes de communication peuvent être divisés en ceux qui desservent les abonnés à faible mobilité qui ont la possibilité de se déplacer au cours d'une session de communication uniquement dans la zone de service d'une BS (ces systèmes peuvent plutôt être qualifiés de fixes), et ceux qui permettent un abonné très mobile pour effectuer une session de communication continue en mouvement (y compris très rapide, même à une vitesse de 100 km/h ou plus) de la zone de service d'une BS à la zone d'une autre BS et plus loin à l'intérieur l'ensemble du territoire couvert par le réseau. Il s'agit d'une véritable communication cellulaire. De ce qui précède, nous pouvons conclure que le concept de « communications fixes » est souvent mal appliqué ici, et si un système de communications radio se compose d'une seule station de base à longue portée, il peut généralement fournir des communications radio mobiles dans sa zone de service. . Si la station de base est placée sur un satellite, nous franchirons alors une étape importante vers la création d'un réseau mondial (planétaire) de communications par satellite. Mais descendons au sol et parlons maintenant du "nid d'abeille". Les réseaux cellulaires tirent leur nom du principe cellulaire d'organisation de la communication, qui est le suivant. Dans la zone de service du réseau cellulaire, le nombre requis de stations d'émission-réception de base (BS) déjà mentionnées est installé, chacune ayant sa propre zone de couverture radio relativement petite, chevauchant quelque peu la zone de service des BS voisines ( pour assurer une couverture radio continue du territoire). Répondant à la question logique du lecteur : "Pourquoi est-ce nécessaire ?" - De nombreux auteurs d'ouvrages sur les communications cellulaires avancent souvent approximativement les arguments suivants : "offrir aux abonnés la possibilité de se déplacer", "mettre en œuvre la compatibilité électromagnétique des cellules voisines" en "eux" pour améliorer la qualité de la communication ". Bien entendu, tout cela est vrai, mais d’une part, les opérateurs de réseaux fixes sont également intéressés par une bonne couverture radio et, d’autre part, objectivement, tout opérateur de réseau cellulaire est toujours intéressé à avoir moins de cellules dans son réseau. Mieux encore, le réseau est généralement constitué d’une seule cellule, car c’est la plus simple et la moins chère. Une autre chose est que cela n'est généralement pas possible dans la pratique, et lorsqu'on essaie de desservir simultanément un nombre important d'abonnés regroupés dans une zone relativement petite, il devient inévitablement nécessaire de disposer d'un nombre approprié de canaux de communication radio. Et le spectre radioélectrique, comme vous le savez, est une ressource naturelle exploitée par de nombreux utilisateurs, et qui est toujours rare. Y compris ceux qui organisent de nombreuses interfaces radio entre les stations de base et les terminaux d'abonnés (téléphones portables). Ainsi, la tâche principale que résout tout réseau cellulaire est la réutilisation économique de la même ressource radiofréquence allouée à l'opérateur de réseau pour couvrir autant d'abonnés que possible. Cette approche nous permet de résoudre le problème d'un service d'abonnement véritablement massif à un niveau commercial sérieux. À propos des bienfaits des abeilles Quelques mots maintenant sur les cellules elles-mêmes ou, comme on les appelle aussi, les cellules. Au fait, pourquoi des nids d'abeilles ? Oui, car la zone de couverture radio autour de la BS est dans le cas général un cercle. Et parmi les figures équilatérales inscrites dans un cercle (les triangles et les carrés ne comptent pas), seuls les hexagones peuvent recouvrir n'importe quelle surface sans cassures. Par conséquent, ils sont utilisés comme modèle mathématique d’un réseau cellulaire. Il est également clair qu'à une époque, bien avant les opérateurs radio, les abeilles l'avaient deviné. La taille des cellules/cellules d'un réseau radiotéléphonique cellulaire peut en pratique aller de quelques dizaines de mètres à des dizaines de kilomètres, cependant, leurs plus petites variétés, organisées dans des lieux avec une concentration particulière d'abonnés (par exemple, des centres d'affaires), sont souvent appelées selon leur taille : pico- ou microcellules. Afin d'augmenter la capacité d'abonnés, les cellules peuvent être conçues selon une conception multisectorielle (généralement avec trois ou six secteurs), ce qui équivaut à une organisation économique de trois ou six cellules au lieu d'une cellule. Dans ce cas, la BS est un bloc de plusieurs émetteurs-récepteurs dont chacun avec sa propre antenne directionnelle dessert le secteur correspondant de la cellule. Il reste à ajouter que les experts étrangers appellent généralement une cellule d'un réseau cellulaire, ainsi que la BS qui y est installée, un « site cellulaire ». La planification des cellules RF est une tâche très importante à laquelle est confronté l'opérateur de nombreux réseaux cellulaires, quel que soit son objectif. En effet, si la technologie d'interface radio d'un réseau cellulaire prévoit la séparation des canaux radio par fréquence, alors les cellules voisines ne peuvent pas fonctionner sur les mêmes fréquences radio, et elles ne peuvent être réutilisées qu'en reculant d'une certaine distance, en fonction des caractéristiques techniques. du BS. Cette situation est très courante, mais aussi très désagréable pour l'opérateur, car la nécessité d'organiser une nouvelle cellule entraîne la nécessité d'une réordonnancement des fréquences de fragments de réseau étendus. Cependant, ces problèmes ne préoccupent pas tout le monde. Nous en reparlerons un peu plus tard. À la poursuite d'un abonné Le prochain est très important. Disons même que le concept déterminant des communications cellulaires est ce qu'on appelle le relais de contrôle entre les cellules lorsqu'un abonné passe d'une cellule à une autre. C'est cette capacité qui distingue les communications cellulaires des communications sans fil en général. Ce contrôle n'est pas assuré par la BS, mais par un centre de commutation spécialisé, qui constitue le cœur du réseau et auquel toutes les BS sont connectées, en même temps que ce centre, qui est en général un PBX spécialisé. inclus dans TfOL. La commutation de contrôle est associée à l'organisation d'un nouveau canal de communication et au transfert d'une connexion téléphonique spécifique vers celui-ci. Cela peut se faire de différentes manières, dites « dures » ou « douces », qui dépendent des technologies utilisées dans le réseau et qui seront discutées ci-dessous. Pour l'instant, nous nous concentrerons uniquement sur le nom. Historiquement, ce processus de changement est plus communément appelé « hand-over » en Europe et « hand-off » en Amérique du Nord. Il ne faut donc pas être surpris lorsqu’on rencontre de tels écarts. Considérant le transfert (nous nous concentrerons sur un nom plus court), on ne peut ignorer le cas où l'abonné passe de la zone de service d'un réseau cellulaire à la zone de service d'un autre. Mais différents réseaux ont différents propriétaires-exploitants. Le processus (ainsi que la possibilité) de transfert de contrôle entre cellules/réseaux de différents propriétaires a non seulement reçu le nom de « roaming » (clochard) à l'étranger, mais s'est également fermement établi dans l'orthographe russe sous le nom de « roaming ». Bien entendu, d'une part, le hand-off n'est rien d'autre qu'une itinérance entre cellules voisines, mais les opérateurs de télécommunications entendent bien plus par itinérance, à savoir une interaction entre opérateurs, pour laquelle, bien entendu, non seulement les caractéristiques techniques et les normes de les réseaux doivent coïncider, mais des accords appropriés doivent être conclus sur la politique tarifaire, les règlements mutuels, etc. De plus, les réseaux cellulaires ne peuvent pas se frontièrer, ce qui suggère que l'itinérance est généralement la possibilité de recevoir des services dans les réseaux d'autres opérateurs (avec lesquels des contrats de service ont été conclus) en utilisant le même téléphone portable. Reste à ajouter que le roaming peut être automatique, lorsque le processus de passage d'un opérateur à un autre n'est constaté par l'abonné que par l'indication correspondante sur le terminal de l'abonné et par la facture reçue. L'itinérance non automatique implique une notification préalable à l'opérateur par l'abonné de la possibilité de voyager hors du réseau avec tous les inconvénients qui en découlent, dont le degré dépend de l'efficacité et des capacités de l'opérateur. Eh bien, le roaming le plus universel et le plus discret, mais aussi le plus gênant, consiste simplement à changer de téléphone portable lorsque vous voyagez hors de portée de votre « propre » réseau. Cependant, si nous ne pouvons pas utiliser notre terminal d'abonné, alors il ne s'agit plus du tout de roaming (même si certains opérateurs proposent justement ce type de roaming !). Technologies d'interface radio Les communications cellulaires se caractérisent par la possibilité de multi-accès, ce qui implique la transmission simultanée d'informations via un seul appareil par plusieurs utilisateurs dans un canal de communication commun. Dans ce cas, la division du canal commun peut être effectuée par fréquence (FDMA - Frequency Division Multiple Access), le temps (TDMA - Time Division Multiple Access) et le code ( CDMA - Code Division Multiple Access). Les caractéristiques de ces technologies sont clairement illustrées sur la figure.
En répartition en fréquence, le spectre de transmission est divisé en zones attribuées à différents utilisateurs. Seule cette méthode peut être utilisée pour les communications cellulaires analogiques. Par conséquent, toutes les normes de communication cellulaire analogique connues sont basées sur celui-ci : NMT, AMPS, TACS, etc. Les inconvénients des systèmes analogiques sont désormais évidents : mauvaise immunité au bruit et la faible qualité de transmission vocale qui en découle, utilisation inefficace du rare spectre radio, manque de protection contre l'écoute, etc. Il faut également dire que les systèmes analogiques ont atteint leur apogée de développement en 1993, après quoi le nombre de leurs abonnés diminue régulièrement et, dans quelques années, ils devraient généralement quitter le marché des communications en raison à cause de la perte d'intérêt des opérateurs et des abonnés. L'AMPS était et reste toujours le standard analogique dans le monde. Les deux autres méthodes sont utilisées dans la technologie numérique et généralement en combinaison avec la répartition en fréquence. Dans le cas de l'accès multiple par répartition dans le temps, plusieurs abonnés transmettent leurs messages sur la même fréquence radio, mais à des moments différents, ce qui permet d'augmenter le volume du trafic vocal et d'obtenir un certain nombre d'autres avantages caractéristiques des systèmes de communication numérique. Cette méthode est basée sur des normes de communication cellulaire numérique à bande étroite bien connues telles que GSM et sa version DCS, ainsi que D-AMPS, qui est devenue un développement (amélioration) logique de la norme AMPS. Il existe également des normes japonaises, mais leur portée se limite exclusivement au territoire national. Le principe utilisé dans les systèmes multi-accès CDMA est d'élargir le spectre du signal d'information original (dans notre cas, la parole) à l'aide d'un signal spécial avec une enveloppe de forme unique, qui est une sorte de code. Comme vous pouvez le constater, dans ce cas, tous les abonnés fonctionnent sur les mêmes fréquences radio, de sorte que le réseau cellulaire CDMA n'a pas besoin de consacrer beaucoup d'efforts à la planification des fréquences. Au niveau du récepteur, le signal reçu de l'autre côté est traité à l'aide d'un code identique, ce qui entraîne la restauration du signal d'information d'origine. Dans le même temps, les signaux des autres utilisateurs de ce récepteur continuent d'être étendus et ne sont perçus par celui-ci que comme du « bruit blanc », qui est l'interférence « la plus douce » qui interfère le moins avec le fonctionnement normal du récepteur. Bien sûr. c'est sur cela que nous reviendrons. Et afin d'expliquer populairement le principe de fonctionnement d'un tel système, nous nous référerons à une allégorie très réussie « pour les experts et les moins », qui, expliquant les bases de la technologie CDMA, est généralement proposée par Motorola. Imaginez une pièce dans laquelle plusieurs paires de personnes se parlent en même temps et dans des langues différentes. Chacun d'eux comprend bien son interlocuteur, et toutes les conversations superflues sont perçues comme une sorte de fond qui ne gêne pas particulièrement la conversation. C’est en fait tout le principe. C'est une question de technique. Auteur : A.Golyshko, Moscou
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