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無線電子工学および電気工学の百科事典 セルラー通信の特徴。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
80 年代から 90 年代にかけての新しい電気通信技術の急速な発展は、電気通信、情報技術、エレクトロニクスの分野における科学技術の成果の積極的な利用に関連しています。優先技術の XNUMX つはセルラー通信です。セルラー通信は人々の間で人気が高まっており、非常に速いペースで発展しています。
「そこには学ぶべきことが何もないと確信するまで、起こり得る未来から目を背けてはいけない。」
世界選手権 雑誌を最後から見たい読者と同じように、先へ進んで肝心なことを言ってみましょう。現在、無線電話、特にモバイル ユーザーにサービスを提供するセルラー通信ほど急速に発展する電気通信はありません。このようなユーザーの数は毎年約 40% 増加しており、最近では自信を持って 350 億 70 万人の大台を超えました。特定のタイプのセルラーモバイルネットワークはさらに驚くべき成長率を示していることに注意してください。世界では、GSM ネットワーク加入者の年間増加率は約 95% (gsmworld.com) であり、ここでは CDMA/IS-160 として知られる cdmaOne ネットワークでは、過去 1 年間でほぼ 2002% に達しています (cdg.org) ）！携帯電話加入者数は、2003 年から XNUMX 年中に XNUMX 億人に達すると予想されています。 携帯電話ネットワークが科学技術の発展段階から商用市場に登場してからそれほど時間は経っていませんが（70年代から80年代の変わり目）、携帯電話は今や威信の象徴ではなくなり、単なる道具となりました。これにより、作業時間をより効率的に使用でき、技術的、経済的、その他のプロセスを迅速に管理できます。同時に、携帯電話ネットワークの幅が拡大しているだけでなく、提供される追加サービスの数も着実に増加しています。 多くの先進国が達成した携帯電話ネットワークの密度 (British Telecom Engineering のデータ) を考慮すると、その中で議論の余地のないリーダーはフィンランドであり、人口の約 70% が携帯電話を持っています。スカンジナビアの近隣諸国はわずかに遅れており(50%から60%)、その間に中華人民共和国(旧香港)の一部が挟まれています。オーストラリアや日本を含むさらに30か国が20％の基準を超えており、英国や米国を含む一連の国全体がXNUMX％の基準に近づいている。ドイツ、フランス、スペイン、カナダ、その他多くの国では約 XNUMX% の指標があります。ただし、モバイル通信の成功についてはいくらでも述べることができますが、いくつかの結論を導き出すには、すでに提供されている情報で十分です。 上記のすべては、これらの国のほとんどで、無線電話回線の密度がすでに従来の電話回線の密度レベル (約 50 ～ 60%) に達しているか、少なくともその半分であることを示しています。これらの国の多くは、非常に広い領土、または非常に大きな人口、あるいはその両方を持っています。したがって、ブラジルの 5%、香港を除く中国の 3% (なんと小さい数字であると同時に、途方もなく多くのユーザーがいる) であっても、たとえばオランダのどこかの 27% よりも重要であることがわかります。一般に、セルラー通信はすでに大量消費の製品となっており、成長率は上昇し続けています。 最も近い予測（2003 年）でさえ印象的です。人口カバー率に関して言えば、グループ全体の国が 90% 近くになるでしょう。そして旧香港（現在は中華人民共和国の特別行政区）は、この数字が95%に達する最初の地域となるでしょう。密度に関して言えば、ほぼ 60 か国が 95 ～ 53% の範囲にあります。しかし、比較的広い領土を持つ先進国でさえ、ここまで進歩することはないだろう：米国 - 47%、ドイツ - 30%、カナダ - 22%、ブラジル - 8%、中国 - XNUMX%。興味深いことに、モバイルの先駆者である英国と米国は、オーストリア、アイルランド、ギリシャなどの国々に後れを取ることになります。 おそらく数年以内に、従来型電話と携帯電話のユーザー グループの数がほぼ同じになるでしょう。ところで、現在、世界中に有線電話回線が約1億回線あります。有線電話通信の通常の優位性を疑う十分な理由がすでにあるため、海外のアナリストはセルラー通信を有線と同等のサービスとして検討し始めており、一部ではそれを優位視する人さえいる。 急速に発展する携帯通信サービスの世界市場は、多くの企業の注目を集めています。たとえば、ロシアだけでも約 200 社の事業会社がこのビジネスに関わっています。加速し続ける社会の発展には、よりパーソナライズされたサービス、つまり、いつでも、どこでも、あらゆる加入者と (それに限らず) 電話で会話できる機能が緊急に必要とされています。最後のフレーズが、最近の携帯電話通信のモットーになっていることに注意してください。彼女だけではありません。 ここで、セルラー通信市場の構成要素と、その技術的および組織的発展のいくつかの歴史的段階をさらに詳しく見てみましょう。その前に、ちょっとした歌詞の余談を。 始まりについて 大きなトピックに触れる場合、読者が以前に他の情報源から得た知識を少し整理したり、物語の境界を概説したりするために、用語から始めると便利です。 上記に関連して、まず第一に、セルラー通信は移動性の高い無線通信の一種であり、主に限られたエリア内の加入者の大量サービスによって区別されることに注意してください。同時に、歴史的に、セルラー通信は公衆電話網 (PSTN) のサービス範囲を徐々に拡大してきました。実際、「セルラー通信」という用語自体は、適切なシステムに基づいて展開されたセルラーモバイルネットワークを使用して得られるサービスの略称として一般に受け入れられています。したがって、この用語はモバイル通信を特徴づけます。このような長い議論は、セルラー ネットワークとセルラー通信を混同しないようにするために必要です。なぜなら、前者は、特定の領域の無線カバレッジを提供する方法 (したがって、移動通信サービスと固定通信サービスの両方を提供するために使用できます) を意味するからです。 2番目は、セルラーネットワークのモバイル加入者間で排他的に情報を送受信する形式のサービスを意味します。さらに、今日では音声だけでなく、データ、もちろんインターネットも可能です。 全方向性アンテナを備えた加入者無線端末で動作する無線通信システムは、ある程度移動可能である (アンテナがしっかりと固定されている場合にのみ、加入者の移動は不可能である) ことを覚えておく必要があります。ユーザーは移動できるためです。基地局 (BS) のサービスエリア内にあり、同時に基地局からサービスを受けています。したがって、そのような通信システムは、通信セッション中に 100 つの BS のサービスエリア内でのみ移動する機会を持つ低移動性の加入者にサービスを提供するシステム (これらのシステムはむしろ固定と呼ぶことができます) と、移動性の低い加入者にサービスを提供するシステムに分けることができます。ある BS のサービス エリアから別の BS のエリアへ、さらにはその BS のサービス エリア内へ移動（XNUMX km/h 以上の非常に高速な場合も含む）時に継続的な通信セッションを実行する高モバイル加入者ネットワークがカバーする領域全体。これが本当の携帯電話通信です。 上記のことから、ここでは「固定通信」の概念が誤って適用されることが多く、無線通信システムが長距離の 1 つの基地局のみで構成されている場合、通常はそのサービスエリア内で移動無線通信を提供できると結論付けることができます。 。基地局が衛星に設置されれば、地球規模の（惑星上の）衛星通信ネットワークの構築に向けた重要な一歩を踏み出すことになります。しかし、現実に戻って、今度は「蜂の巣」に対処しましょう。 携帯電話ネットワークは、次のような通信を組織する携帯電話の原則に従ってその名前が付けられました。セルラーネットワークのサービスエリアには、必要な数の前述の基地局（BS）が設置されており、それぞれの無線サービスエリアは比較的狭く、隣接するBSのサービスエリアと多少重なっています（BS）。地域の継続的な無線受信範囲を確保するため）。 「なぜこれが必要なのか?」という読者の心の中に生じる論理的な質問に答えるために、セルラー通信に関する作品の多くの著者は、次のような議論を行うことがよくあります。「加入者に移動能力を提供するため」、「電波の電磁両立性を確保するため」。隣接セル「通信の品質を向上させる」。もちろん、これはすべて真実ですが、第一に、固定回線ネットワーク事業者は良好な無線カバレッジにも関心があり、第二に、客観的には、携帯電話ネットワーク事業者は常に、より少ないセルを含むネットワークに関心を持っています。また、ネットワークが一般に 1 つのセルのみで構成されている場合は、それが最も単純で安価であるため、さらに優れています。 もう 1 つは、これは通常は実際に実装することが不可能であり、比較的狭いエリアにグループ化された多数の加入者に同時にサービスを提供しようとすると、必然的に適切な数の無線通信チャネルが必要になるということです。そして、ご存知のとおり、無線スペクトルは多くのユーザーによって利用されている天然資源ですが、誰にとっても常に不足しています。基地局とユーザー端末 (携帯電話) の間の多くの無線インターフェースを組織する者も含まれます。 したがって、セルラー ネットワークが解決する主なタスクは、できるだけ多くの加入者をカバーするために、ネットワーク オペレータに割り当てられた同じ無線周波数リソースを経済的に再利用することです。このアプローチにより、真に大規模な加入者サービスの問題を深刻な商業レベルで解決できるようになります。 ミツバチの効能について ここで、蜂の巣自体、または細胞とも呼ばれる蜂の巣について少しお話します。ところで、なぜ蜂の巣なのでしょうか？はい、BS の周囲の無線受信エリアは通常円形であるためです。そして、円に内接する正三角形（三角形と四角形は数えません）のうち、途切れることなく任意の面を覆うことができるのは六角形だけです。したがって、これらは携帯電話ネットワークの数学モデルとして使用されます。また、かつてはミツバチが無線通信士よりもはるかに早くこれを推測していたことも明らかです。実際のセルラー無線電話ネットワークのセルのサイズは、数十メートルから数十キロメートルの範囲に及びますが、加入者が特別に集中している場所 (ビジネス センターなど) に編成されたセルの最小の種類は、多くの場合、セルと呼ばれます。サイズに応じて: ピコセルまたはマイクロセル。加入者容量を増やすために、セルをマルチセクター設計 (通常は 3 つまたは 6 つのセクター) で設計できます。これは、1 つのセルではなく 3 つまたは 6 つのセルからなる経済的な組織に相当します。この場合、BS はいくつかのトランシーバーのブロックであり、各トランシーバーは独自の指向性アンテナを備え、セルの対応するセクターにサービスを提供します。外国の専門家は通常、セルラーネットワークの 1 つのセルを、そこに設置されている BS とともに「セルサイト」と呼んでいることを付け加えておきます。 目的を問わず、多くのセルラー ネットワークのオペレーターが直面する非常に重要なタスクは、無線周波数セルの計画です。実際、セルラーネットワークの無線インターフェース技術が周波数ごとに無線チャネルを分離できる場合、隣接するセルは同じ無線周波数で動作できず、技術的特性に応じて、一定の距離を戻さないと再利用できません。 BSの。この状況は非常に一般的ですが、新しいセルを編成する必要があると、広範なネットワーク フラグメントの周波数を再スケジュールする必要が生じるため、オペレータにとっては非常に不快な状況でもあります。ただし、このような問題は誰もが心配するわけではありません。これについては後ほど説明します。 購読者を目指して 次のことがとても重要です。セルラー通信の定義概念は、加入者があるセルから別のセルに移動するときの、いわゆるセル間の制御の中継であるとさえ言ってみましょう。一般にセルラー通信とワイヤレス通信を区別するのはこの機能です。この制御は BS ではなく、ネットワークの中核であり、すべての BS が接続される専用の交換局であると同時に、一般的には専用の PBX によって行われます。 TFOLに含まれます。スイッチング制御は、新しい通信チャネルの編成と、そこへの特定の電話接続の転送に関連付けられています。これは、「ハード」または「ソフト」と呼ばれるさまざまな方法で作成できます。これらの方法は、ネットワークで使用されるテクノロジに応じて異なります。これについては、以下で説明します。ここでは名前だけに焦点を当てます。 歴史的に、ヨーロッパではこの切り替えプロセスは「ハンドオーバー」と呼ばれることが多く、北米では「ハンドオフ」と呼ばれます。したがって、そのような矛盾に遭遇しても驚かないでください。ハンドオフ (短い名前に焦点を当てます) を検討する場合、加入者があるセルラー ネットワークのサービス エリアから別のセルラー ネットワークのサービス エリアに移動する場合を無視することはできません。ただし、ネットワークが異なれば、所有者と運営者も異なります。異なる所有者のセル/ネットワーク間で制御を移管するプロセス（およびその可能性）は、海外では「ローミング」（浮浪者）という名前で呼ばれただけでなく、ロシア語の綴りでも「ローミング」としてしっかりと確立されました。 もちろん、一方ではハンドオフは隣接するセル間でのローミングにすぎませんが、電気通信事業者にとってはローミング、つまり事業者間の対話によってそれ以上の意味があり、そのためには当然のことながら、技術的特性や規格だけではありません。ネットワークは一致する必要がありますが、料金体系や相互和解などに関して適切な協定を締結する必要があります。さらに、セルラー ネットワークは互いに隣接してはなりません。これは、ローミングが一般的に他の通信事業者のネットワークでサービスを受信する機能であることを示唆しています（同じ携帯電話を使用して、どのサービス契約が締結されているかを確認します。あるオペレータから別のオペレータへの移行プロセスが、加入者端末上の対応する表示と受け取った請求書によってのみ加入者によって認識される場合、ローミングは自動的に行われる可能性があることを付け加えておきます。非自動ローミングでは、加入者がネットワーク外に移動する可能性について事前にオペレータに通知する必要があり、それに付随するあらゆる不便が伴いますが、その程度はオペレータの効率と能力によって異なります。そうですね、最も普遍的で目立たないが、最も不便なローミングは、「自分の」ネットワークの範囲外に旅行したときに携帯電話を単に変更することです。ただし、加入者端末を使用できない場合、これはまったくローミングではなくなります (ただし、一部の通信事業者はこのタイプのローミングのみを提供しています)。 無線インターフェース技術 セルラー通信は、マルチアクセスの可能性を特徴としています。これは、共通の通信チャネルで多くのユーザーが 1 台のデバイスを介して情報を同時に送信することを意味します。この場合、共通チャネルの分割は周波数 (FDMA -周波数分割多元接続)、時間 (TDMA - 時分割多元接続)、およびコード (CDMA - コード分割多元接続)。これらの技術の特徴を図に示します。
周波数分割では、送信スペクトルが異なるユーザーに割り当てられる領域に分割されます。アナログセルラー通信にはこの方法のみが使用できます。したがって、既知のすべてのアナログセルラー通信規格は、NMT、AMPS、TACS などに基づいています。アナログ システムの欠点は、今や明らかです。ノイズ耐性が低く、それに伴う音声伝送の品質が低いこと、希少な無線スペクトルの非効率的な使用、無線周波数の不足などです。また、アナログ システムは 1993 年に開発のピークに達し、その後は加入者数が着実に減少し、数年後には完全に通信市場から撤退するはずであるとも言わなければなりません。 AMPS は、かつても今も世界のアナログ標準であり続けています。 他の 2 つの方法はデジタル技術で使用され、通常は周波数分割と組み合わせて使用されます。 時分割多元接続の場合、複数の加入者が同じ無線周波数で異なる時間にメッセージを送信するため、音声トラフィックの量が増加し、デジタル通信システムに特有の他の多くの利点が得られます。この方式は、GSM およびそのバージョン DCS などのよく知られた狭帯域デジタルセルラー通信規格、および AMPS 規格を論理的に発展（改良）した D-AMPS に基づいています。日本の基準もありますが、その範囲はもっぱら国内に限定されています。 CDMA マルチアクセス システムで使用される原理は、コードの一種である固有の形状のエンベロープを持つ特別な信号を使用して、元の情報信号 (この場合は音声) のスペクトルを拡張することです。ご覧のとおり、この場合、すべての加入者は同じ無線周波数で動作するため、CDMA セルラー ネットワークは周波数計画に多大な労力を費やす必要がありません。受信機では、相手側で受信した信号が同一のコードを使用して処理され、元の情報信号が復元されます。同時に、この受信機に対する他のユーザーの信号は拡大され続け、受信機の通常動作への干渉が最も少ない「最も柔らかい」干渉である「ホワイト ノイズ」としてのみ認識されます。もちろん。これについては後で説明します。そして、そのようなシステムの動作原理を一般に説明するために、「専門家にとってもそうでない人にとっても」非常に成功した寓話を参照します。これは、CDMA テクノロジーの基本を説明するときに、通常 Motorola によって提供されます。多くのペアの人々が同時に異なる言語で話している部屋を想像してみてください。彼らはそれぞれ対話者をよく理解しており、無関係な会話はすべて、会話を特に妨げない一種の背景として認識されます。実際、それが原則の全体です。それは技術の問題です。 著者：A.Golyshko、モスクワ
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