Planowanie Częstotliwości GSM

Pasma częstotliwości GSM (900/1800 MHz), układ kanałów i wzorce ponownego użycia częstotliwości.

Dlaczego Częstotliwości Mają Znaczenie: Niewidzialne Autostrady Komunikacji Mobilnej

U podstaw całej komunikacji bezprzewodowej leżą fale radiowe, które są formą promieniowania elektromagnetycznego. Aby zrozumieć, jak miliony ludzi mogą jednocześnie rozmawiać przez telefony, a ich rozmowy nie zamieniają się w jeden, chaotyczny bałagan, musimy najpierw zrozumieć pojęcie częstotliwości. Pomyśl o widmie radiowym jak o rozległej, niewidzialnej autostradzie. Tak jak fizyczna autostrada ma wiele pasów ruchu, aby samochody mogły jechać obok siebie bez kolizji, tak widmo radiowe jest podzielone na wiele "pasów" zwanych pasmami częstotliwości.

Każda usługa bezprzewodowa, czy to stacja radiowa FM, transmisja telewizyjna, czy sieć telefonii komórkowej, otrzymuje od regulatorów rządowych, takich jak Urząd Komunikacji Elektronicznej w Polsce, swój własny, wyłączny pas na tej autostradzie. Ta alokacja jest kluczowa, ponieważ zapobiega zakłóceniom. Prawdziwy geniusz systemu GSM leży nie tylko w jego cyfrowej naturze, ale w niezwykle sprytnym i wydajnym planie organizowania, dzielenia i ponownego wykorzystywania tych cennych pasów częstotliwości w celu obsługi masowej populacji użytkowników. Ten plan jest znany jako Plan Częstotliwości GSM.

Problem Dwukierunkowej Ulicy: Zrozumienie Dupleksu

Rozmowa telefoniczna to komunikacja dwukierunkowa. Musisz mieć możliwość mówienia i słuchania w tym samym czasie. Stwarza to wyzwanie techniczne: jak telefon komórkowy może nadawać swój własny, potężny sygnał radiowy, jednocześnie próbując nasłuchiwać znacznie słabszego sygnału przychodzącego z odległej stacji bazowej? Bez odpowiedniego systemu, własna transmisja telefonu całkowicie zagłuszyłaby jego czuły odbiornik, uniemożliwiając rozmowę.

GSM rozwiązuje ten problem za pomocą techniki zwanej . Zasada FDD jest prosta, ale skuteczna: dwa kierunki rozmowy są umieszczane na całkowicie oddzielonych pasach 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 . Ta duża przerwa działa jak bufor, zapewniając, że nadajnik i odbiornik telefonu mogą działać w tym samym czasie bez wzajemnego zakłócania się.

Oryginalne Pasmo Częstotliwości GSM: GSM-900

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 $200 \text{ kHz}$ ( $0.2 \text{ MHz}$ ).

Całkowitą liczbę dostępnych kanałów częstotliwościowych można obliczyć jako: $\text{Całkowita Szerokość Pasma} / \text{Szerokość Kanału} = 25,000 \text{ kHz} / 200 \text{ kHz} = 125$

Te 125 kanałów jest identyfikowanych przez numer zwany . W praktyce pierwszy kanał jest często używany do sygnalizacji lub jest zarezerwowany, pozostawiając 124 użyteczne kanały dupleksowe, zazwyczaj numerowane od 1 do 124. Każdy ARFCN odpowiada konkretnej parze częstotliwości uplink i downlink, oddzielonych odstępem dupleksowym $45 \text{ MHz}$ .

Zwiększanie Pojemności: DCS-1800

Ogromny sukces GSM-900 szybko doprowadził do przeciążenia sieci w gęsto zaludnionych obszarach miejskich. Oryginalne 124 kanały nie wystarczały, aby obsłużyć rosnące zapotrzebowanie. Rozwiązaniem było przydzielenie nowych, wyższych pasm częstotliwości dla usług GSM.

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, oferował znacznie większą pojemność.

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: $95 \text{ MHz}$ .

Z szerokością pasma $75 \text{ MHz}$ , DCS-1800 zapewnia $75,000 \text{ kHz} / 200 \text{ kHz} = 375$ kanałów. Ponownie, niektóre mogły być zarezerwowane, co prowadzi do typowej liczby 374 użytecznych kanałów. Ten ogromny wzrost dostępności kanałów był kluczowy dla rozszerzenia pojemności sieci w miastach. Telefony, które mogły działać zarówno na $900 \text{ MHz}$ jak i $1800 \text{ MHz}$ , nazywane są telefonami dwuzakresowymi (dual-band).

Koncepcja Komórkowa i Ponowne Wykorzystanie Częstotliwości

Samo posiadanie kanałów to nie wszystko. Prawdziwym przełomem, który pozwala sieciom komórkowym na skalowanie do milionów użytkowników, jest koncepcja komórkowa i zasada ponownego wykorzystania częstotliwości.

Podstawowy problem polega na tym, że jeśli dwie pobliskie stacje bazowe (BTS) używają tej samej częstotliwości, ich sygnały będą się zderzać i zakłócać, co jest problemem znanym jako . Koncepcja komórkowa rozwiązuje ten problem w elegancki sposób.

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): Magia dzieje się tutaj. Gdy ten wzorzec klastra zostanie ustalony, można go powtarzać w nieskończoność na całym obszarze geograficznym. Ten sam zestaw częstotliwości używany w jednej komórce może być ponownie użyty w innej komórce, która jest wystarczająco daleko. Odległość między komórkami używającymi tych samych częstotliwości nazywana jest odległością ponownego wykorzystania. Musi być ona wystarczająco duża, aby zapewnić, że interferencja międękową.

Rozmiar klastra, oznaczany jako $N$ , jest krytycznym parametrem planowania. Typowe rozmiary klastrów w GSM to $N=3$ , $N=4$ , $N=7$ lub $N=12$ . Istnieje tu kluczowy kompromis:

Duży Rozmiar Klastra (np. N=12): Zwiększa to odległość między komórkami ponownie wykorzystującymi te same częstotliwości, co znacznie redukuje interferencję współkanałową. Oznacza to jednak również, że całkowita liczba dostępnych kanałów jest dzielona na więcej komórek, więc każda pojedyncza komórka otrzymuje mniej kanałów, co zmniejsza jej pojemność.
Mały Rozmiar Klastra (np. N=3): Pozwala każdej komórce na posiadanie większej liczby kanałów (całkowita liczba kanałów podzielona przez 3), co prowadzi do wyższej pojemności na komórkę. Jednakże, odległość ponownego wykorzystania jest mniejsza, co zwiększa potencjał interferencji współkanałowej i może pogarszać jakość połączeń.

Inżynierowie sieci starannie planują te wzorce ponownego wykorzystania, równoważąc potrzebę pojemności z potrzebą utrzymania wysokiej jakości sygnału. To inteligentne, przestrzenne ponowne wykorzystanie częstotliwości jest tym, co pozwala sieciom komórkowym obsługiwać praktycznie nieograniczoną liczbę użytkowników na dużym obszarze, używając tylko skończonego zestawu kanałów radiowych.

Tabela Podsumowująca: GSM-900 vs. DCS-1800

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