Planowanie Częstotliwości GSM

Znaczenie Alokacji Częstotliwości w GSM

Komunikacja bezprzewodowa wykorzystuje fale radiowe, będące formą promieniowania elektromagnetycznego. Częstotliwość określa szybkość oscylacji sygnału radiowego, a pasmo częstotliwości wyznacza przedział możliwy do wykorzystania przez usługę. Podział widma na takie przedziały pozwala systemom pracować w tym samym regionie przy kontrolowanej separacji i filtracji.

Regulator przydziela zakresy częstotliwości usługom takim jak radio FM, telewizja i sieci komórkowe. Alokacja ogranicza jednoczesne transmisje niezgodne w tym samym paśmie. GSM łączy pary zakresów uplink i downlink z kanałami radiowymi o szerokości 200 kHz oraz planem ponownego wykorzystania częstotliwości, więc ten sam zestaw kanałów może obsługiwać oddalone komórki. Te przydziały tworzą plan częstotliwości GSM.

Dupleks w GSM: Rozdzielenie Uplink i Downlink

Połączenie dwukierunkowe wymaga równoczesnego nadawania i odbioru przez stację ruchomą. Sygnał nadajnika telefonu może być znacznie silniejszy na wejściu własnego odbiornika niż sygnał docierający ze stacji bazowej, dlatego potrzebna jest separacja obu kierunków. Bez niej nadajnik może zmniejszyć czułość własnego odbiornika.

GSM rozwiązuje ten problem za pomocą techniki zwanej . FDD przypisuje oba kierunki do oddzielnych, powiązanych zakresów częstotliwości.

Uplink (UL): Jest to ścieżka od Twojej Stacji Ruchomej (MS), czyli telefonu, w górę do Stacji Nadawczo-Odbiorczej (BTS), czyli masztu komórkowego. Do tego celu przeznaczone jest niższe pasmo częstotliwości.
Downlink (DL): Jest to ścieżka od masztu komórkowego w dół do Twojego telefonu. Do tego celu przeznaczone jest wyższe pasmo częstotliwości.

Separacja częstotliwości między kanałem uplink a odpowiadającym mu kanałem downlink nazywana jest . Separacja daje filtrom dupleksera i odbiornika przestrzeń do tłumienia energii nadajnika, gdy oba kierunki pozostają aktywne.

Pasmo GSM-900 i Alokacja P-GSM

Pierwsza i najbardziej rozpowszechniona wersja GSM została zaprojektowana do działania w paśmie częstotliwości $900 \text{ MHz}$ . Konkretne bloki częstotliwości zostały starannie przydzielone w celu obsługi schematu FDD.

Alokacja Częstotliwości dla GSM-900

Standard, często określany jako P-GSM (Primary GSM), otrzymał łącznie $50 \text{ MHz}$ widma, podzielonego na dwa oddzielne bloki:

Pasmo Uplink (Telefon do Stacji): Od $890 \text{ MHz}$ do $915 \text{ MHz}$ . Zapewnia to całkowitą szerokość pasma $25 \text{ MHz}$ .
Pasmo Downlink (Stacja do Telefonu): Od $935 \text{ MHz}$ do $960 \text{ MHz}$ . Zapewnia to również całkowitą szerokość pasma $25 \text{ MHz}$ .

Odstęp dupleksowy dla GSM-900 wynosi zatem solidne $45 \text{ MHz}$ ( $935 \text{ MHz} - 890 \text{ MHz} = 45 \text{ MHz}$ ), co zapewnia doskonałą izolację między nadajnikiem a odbiornikiem.

Podział Pasma na Kanały

Aby umożliwić komunikację wielu użytkownikom, pasma uplink i downlink o szerokości $25 \text{ MHz}$ są krojone na mniejsze kanały. Każdy kanał radiowy GSM ma szerokość $200 \text{ kHz}$ ( $0.2 \text{ MHz}$ ).

Idealną liczbę pozycji rastra 200 kHz w jednym bloku 25 MHz można obliczyć jako: $\text{Całkowita Szerokość Pasma} / \text{Szerokość Kanału} = 25,000 \text{ kHz} / 200 \text{ kHz} = 125$

Standardowe kanały radiowe P-GSM wykorzystują od 1 do 124. Wartość 125 jest ilorazem idealnej szerokości pasma, dlatego nie oznacza zarezerwowanego kanału ARFCN 0 dla sygnalizacji. Każdy przydzielony ARFCN odpowiada parze częstotliwości uplink i downlink, oddzielonych odstępem dupleksowym $45 \text{ MHz}$ .

Dodatkowa Pojemność GSM: DCS-1800 i PCS-1900

Operatorzy wdrażali także wyższe pasma GSM, aby dodać widmo w gęstych obszarach. Ich liczba kanałów i warunki propagacji różnią się od GSM-900, dlatego na pojemność wpływają zarówno plan pasma, jak i środowisko radiowe.

DCS-1800 (Digital Cellular System at 1800 MHz)

W Europie i Azji przydzielono nowe pasmo w okolicach $1800 \text{ MHz}$ . System ten, znany również jako GSM-1800, miał większy przydział par zakresów częstotliwości niż GSM-900.

Pasmo Uplink: Od $1710 \text{ MHz}$ do $1785 \text{ MHz}$ (szerokość pasma $75 \text{ MHz}$ ).
Pasmo Downlink: Od $1805 \text{ MHz}$ do $1880 \text{ MHz}$ (szerokość pasma $75 \text{ MHz}$ ).
Odstęp Dupleksowy: $95 \text{ MHz}$ .

Przy szerokości pasma $75 \text{ MHz}$ iloraz idealny wynosi $75,000 \text{ kHz} / 200 \text{ kHz} = 375$ . Dla pasma DCS-1800 znormalizowany zakres ARFCN od 512 do 885 zawiera 374 ponumerowane kanały radiowe. Telefon obsługujący $900 \text{ MHz}$ i $1800 \text{ MHz}$ jest urządzeniem dwuzakresowym. Dodatkowe widmo zwiększa liczbę częstotliwości możliwych do przydzielenia, zależnie od planu sieci i ograniczeń interferencji.

PCS-1900 (Personal Communications Service przy 1900 MHz)

W Ameryce Północnej podobne rozwiązanie zastosowano w paśmie $1900 \text{ MHz}$ , określanym jako PCS-1900 lub GSM-1900.

Pasmo Uplink: Od $1850 \text{ MHz}$ do $1910 \text{ MHz}$ (szerokość pasma $60 \text{ MHz}$ ).
Pasmo Downlink: Od $1930 \text{ MHz}$ do $1990 \text{ MHz}$ (szerokość pasma $60 \text{ MHz}$ ).
Odstęp Dupleksowy: $80 \text{ MHz}$ .

Iloraz idealny wynosi $60,000 \text{ kHz} / 200 \text{ kHz} = 300$ . Znormalizowany zakres ARFCN PCS-1900 od 512 do 810 zawiera 299 ponumerowanych kanałów radiowych. Telefony obsługujące kilka pasm, na przykład 900, 1800 i 1900 MHz, określa się jako tri-band lub quad-band. Roaming zależy również od umów operatorów, obsługiwanych zakresów kanałów i przepisów regionalnych.

Koncepcja Komórkowa i Ponowne Wykorzystanie Częstotliwości

Sama dostępność kanałów nie określa pojemności zasięgu. Koncepcja komórkowa dzieli obszar na komórki i ponownie wykorzystuje zestaw kanałów w kontrolowanej odległości, pozwalając obsługiwać wiele oddzielonych lokalizacji za pomocą tego samego widma.

Jeżeli dwie pobliskie stacje bazowe (BTS) używają tej samej częstotliwości, ich sygnały mogą się wzajemnie zakłócać. Zjawisko to nazywa się . Plan ponownego wykorzystania częstotliwości utrzymuje zakłócenia na wymaganym poziomie.

Podział Obszaru na Komórki: Obszar objęty usługą (jak miasto) jest dzielony na siatkę mniejszych obszarów zwanych komórkami. Chociaż rzeczywisty zasięg komórki ma nieregularny kształt, często modeluje się go jako sześciokąt, ponieważ sześciokąty idealnie pokrywają płaską powierzchnię bez przerw i nakładania się, co czyni je idealnymi do diagramów planowania sieci. Każda komórka jest obsługiwana przez stację BTS znajdującą się w jej centrum.
Grupowanie Częstotliwości w Klastry: Całkowita pula dostępnych kanałów częstotliwości (np. 124 kanały GSM-900) jest dzielona na mniejsze, rozłączne zestawy. Grupa sąsiednich komórek, w której każda komórka używa innego zestawu tych częstotliwości, nazywana jest .
Powtarzanie Wzorca (Ponowne Wykorzystanie Częstotliwości): Wzorzec klastra można powtarzać w obszarze usługowym. Ten sam zestaw częstotliwości może zostać użyty w innej komórce, gdy odległość między komórkami jest wystarczająca. Odległość między komórkami używającymi tych samych częstotliwości nazywa się odległością ponownego wykorzystania. Musi ona utrzymywać wynikową interferencję współkanałową na akceptowalnym poziomie.

Rozmiar klastra, oznaczany jako $N$ , jest parametrem planowania. Przykładowe rozmiary klastrów stosowane w analizach GSM to $N=3$ , $N=4$ , $N=7$ i $N=12$ . Wybrana wartość równoważy pojemność i interferencję:

Duży Rozmiar Klastra (np. N=12): Zwiększa odległość między komórkami ponownie wykorzystującymi te same częstotliwości i może ograniczyć interferencję współkanałową. Całkowita liczba kanałów jest dzielona między większą liczbę komórek, więc każda komórka otrzymuje ich mniej i jej pojemność spada.
Mały Rozmiar Klastra (np. N=3): Każda komórka może otrzymać więcej kanałów, obliczonych jako całkowita liczba kanałów podzielona przez 3, więc jej pojemność może wzrosnąć. Mniejsza odległość ponownego wykorzystania zwiększa możliwość interferencji współkanałowej i może pogorszyć jakość połączeń.

Inżynierowie sieci planują wzorce ponownego wykorzystania, równoważąc pojemność ruchową, propagację i wymaganą jakość sygnału. Przestrzenne ponowne wykorzystanie pozwala obsługiwać wiele komórek za pomocą skończonego zestawu kanałów, lecz osiągalna liczba abonentów i pojemność ruchowa pozostają ograniczone liczbą komórek, przydzielonych kanałów oraz warunkami radiowymi.

Porównanie GSM-900, DCS-1800 i PCS-1900

Cecha	GSM-900	DCS-1800	PCS-1900
Zakres częstotliwości Uplink	890 - 915 MHz	1710 - 1785 MHz	1850 - 1910 MHz
Zakres częstotliwości Downlink	935 - 960 MHz	1805 - 1880 MHz	1930 - 1990 MHz
Liczba kanałów nośnych	124	374	299
Odstęp dupleksowy	45 MHz	95 MHz	80 MHz
Maksymalna moc stacji ruchomej (MS)	2 W (klasa 4)	1 W (klasa 1)	1 W (klasa 1)
Przykładowy promień planistyczny	~35 km	~5-10 km (typowo)	~5-10 km (typowo)
Główne zastosowanie	Pokrycie dużych obszarów (tereny wiejskie, autostrady)	Pokrycie o wysokiej pojemności (centra miast)	Pokrycie o wysokiej pojemności (obszary miejskie)