Princip buňkového systému

První pozemní komunikační systémy měly takzvanou ostrůvkovitou koncepci. Jediná základnová stanice zajišťovala spojení s mobilními stanicemi v celém, obvykle velice rozlehlém území. Taková koncepce však měla řadu nevýhod:

• Mobilní účastník takovéto sítě si při přesunu do oblasti sousední základnové stanice musel sám přeladit mobilní stanici na jiná frekvenční pásma. 

• Koncepce vyžadovala velké vysílací výkony u vysílačů základnových stanic i mobilních stanic, které jsou potom rozměrné a energeticky náročné.

• Zásadním nedostatkem je špatné využití přiděleného frekvenčního pásma. Aby systém mohl pracovat bez "hluchých zón", musel by mít k dispozici velmi velký počet přidělených kanálů a tím pádem velmi široká frekvenční pásma, což je však při nedostatku frekvenčního spektra problém. Podstata tohoto problému je znázorněna na obrázku.

V oblasti znázorněné kruhem k o poloměru R je umístěna jediná základnová stanice, která obsluhuje celé toto území a disponuje rádiovými kanály číslo1 až 50. Je-li spolehlivě pokryta oblast kruhu k, signál základnové stanice je jistě poměrně silný i v tzv. interferenční zóně v podobě kruhu l a v celé této oblasti se již  kanály 1-50 nesmí vyskytovat a musí být využívány kanály 51-100, 101-150 atd. Celkově tedy bude pro pokrytí oblasti l zapotřebí přibližně 1250 různých kanálů. Tyto kanály se mohou opakovat až vně interferenční zóny, tedy po překročení bezpečnostní vzdálenosti (reuse distance) 5R.

Revoluční zlom ve vývoji přišel v roce 1946, kdy byl v laboratořích firmy Bell formulován princip tzv. celulárních (buňkových) systémů pro mobilní komunikaci. Základním rysem současných mobilních buňkových radiotelefonních systémů je velmi efektivní hospodaření s frekvenčním spektrem, které je výsledkem mnohonásobného použití stejné přidělené frekvence v obsluhované oblasti. Princip buňkové struktury ukazuje obrázek.

Celá obsluhovaná oblast je zde rozdělena do 14 šestiúhelníkových buněk, které tvoří dva svazky (clusers) po sedmi buňkách. Dalším přidáváním svazků je potom možno pokrýt neomezeně velké území. Uvnitř každé buňky je jedna základnová stanice s určitou přidělenou skupinou kanálů a  komunikující s mobilními účastníky, kteří se nacházejí pouze v této buňce. Zbývajících 6 buněk příslušejících jednomu svazku  má přiděleny své skupiny kanálů. Za podmínky, že se oblast všech sedmi buněk přibližně rovná interferenční oblasti, je v každém z obou svazků možno použít stejné kanály. 
Pro porovnání se starší koncepcí (viz. výše) předpokládejme, že je plocha svazku zhruba stejná s plochou kruhu o poloměru R. V první buňce jsou použity např. kanály 1-7, ve druhé 8-15 a v sedmé 42-49. Svazek potom obsahuje 49 kanálů, což je prakticky stejný počet jako obsahuje kruh k. Důležité je to, že lze tyto kanály opakovat ihned v sousedním svazku. Vzdálenost buněk používajících stejnou frekvenci je totiž rovna přibližně pětinásobku jejich poloměru a je tudíž splněna podmínka 5R. Systém tedy potřebuje pro pokrytí libovolně velkého území 50 kanálů, kdežto starší systém by jich potřeboval asi 1250. Toto je jedna z hlavních předností celulárních systémů, mezi které patří:

• Již zmíněné efektivní hospodaření s přiděleným rádiovým spektrem.

• Možnost použít handover.

• Podstatně menší vysílací výkon na straně základnové stanice i mobilní stanice.

Tyto výhody však nejsou úplně zdarma. Jestliže ve starším systému obsloužila oblast o poloměru R jediná základnová stanice, je jich v buňkovém systému pro přibližně stejně velký svazek potřeba sedm.

Pro vytvoření sítě s  lepšími provozními vlastnostmi (např. nižší vysílací výkony a zvětšení počtu současně obsluhovaných mobilních stanic) je možno použít princip tzv. sektorizace. Jeden svazek nyní rozdělíme na 21 menších buněk. 

Nezmění se tím počet potřebných kanálů, ale stoupne počet základnových stanic ze 7 na 21. Jejich počet však lze sektorizací redukovat na sedm umístěním tří samostatných směrových antén do společných bodů tří sousedních buněk.

Velké buňky mají poloměr zpravidla větší než 3 km a antény bývají umístěny nad nejvyšším bodem okolní zástavby. Malé buňky mají poloměr menší než 3 km a antény základnových stanic jsou umístěny pod nejvyšším bodem okolní zástavby, avšak výše než je střední výška zástavby. Mikrobuňky o poloměru menším než 300 m mají antény základnových stanic pod úrovní střech a okolních budov; signál se zde šíří v uličních "kaňonech" díky rozptylu a ohybu kolem těchto budov. Uvnitř budov a v místech s vysokou koncentrací osob mohou být použity pikobuňky, které zpravidla mívají dosah desítek metrů.

Začátek stránky

Tomáš Richtr
tomas@quick.cz

ČVUT v Praze
K332