Mobiilsidevõrk

Mobiilsidevõrk ehk kärgvõrk on kärgstruktuuriga sidevõrk, mille väikseimat elementi nimetatakse kärjeks. Iga kärje keskseks komponendiks on tugijaam, mis koosneb sidemastist ja raadiojaamast. Selliste kärgede kogum moodustab ühtse võrgu, mis võimaldab sidevõrguseadmetel olla pidevas ühenduses, saata andmeid (inimkõnet, tekstsõnumeid) ning muud infot ka liikudes ühest kärjest teise. Üldiselt on igale kärjele opereerimiseks määratud kindel, kõrvalolevast kärjest erinev sagedusvahemik, et vältida sideteenuseid segavat raadiolainete interferentsi . Kärgvõrgu peamisteks eelisteks on : Suurem töömaht kui üksikul suure võimsusega saatjal, kuna sagedusi on võimalik erinevates kärgedes korduvalt kasutada. Mobiilsed seadmed on väiksema võimsusega kui üksiku saatja või satelliidi korral, sest kärgvõrgu struktuur sisaldab mitmeid lähestikku asuvaid maste. Suurem katvusala kui üksikul saatjal, sest kärgesid on võimalik poolitada ning uusi sidemaste on võimalik lõpmatult juurde lisada. Kärgvõrgu suurem tööjõudlus võrreldes üksiku saatjaga pärineb Edward Joel Amos juuniori patenteeritud kommutaatorsüsteemist (Mobile Communication System), mis lubas mitmel helistajal kasutada sama sagedust. Samal ajal eetris olnud helistaja lülitati uue helistaja ilmumisel lähimale järgmisele tugijaamale ümber, millel seesama sagedus oli vaba . Sideteenuste tagamiseks on mobiilsidevõrk teatud territooriumi ulatuses jagatud nn kärgedeks. Sealt ka nimetus "kärgvõrk". Kärg on maa-ala, mida suudab üks tugijaam raadiosidega katta. Kärje suurus sõltub saatja võimsusest ja signaali leviulatusest. Ideaalsel juhul on kärg ringikujuline, mille keskel asub tugijaam. Kärje tegeliku kuju määrab vastuvõetava signaali tugevus, mida mõjutab ka ümbritsev keskkond: maastik (mäed, orud) ja ümbritsevad hooned. Seega võib tegelik kuju suuresti erineda ideaalsest ringist. Mudelites esitatakse kärgesid eelkõige ruutudena, kolmnurkadena või kuusnurkadena. Levinud on just heksagonaalne kärjemudel, mis sarnaneb ringiga ning võimaldab kärgi ilma vahedeta ja kattumiseta üksteise kõrvale asetada. Kärgi on võimalik jaotada klastriteks. Klaster koosneb eri sagedusi kasutavatest kärgedest. Kärgvõrk saadakse ühe klastri lõpmatu paljundamisega. Alati ei piisa ühest ka suure võimsusega tugijaamast kõikide kasutajate teenindamiseks. Piirkondades, kus kasutajate ja kõnede kontsentratsioon on suur, näiteks tiheasustusega linnades, oleks vaja võrgu kasutust veelgi hajutada. Üheks viisiks on kärgede poolitamine – suure võimsusega tugijaamaga makrokärje sees asuvad mikrokärjed. Kuna mikrokärjes kasutatakse väiksema võimsusega saatjat, siis on ka mikrokärje pindala väiksem. Väiksema võimsusega saatjad vähendava ka interferentsi esinemist. Analoogselt jagatakse mikrokärjed sageda kasutuse korral omakorda pikokärgedeks. Makrokärje raadius ulatub kümnete kilomeetriteni, mikrokärje raadius on paar kilomeetrit ning pikokärje leviulatus vaid paarsada meetrit. Kärje töömahu suurendamiseks võib tugijaama isotroopantenni asendada suundantennidega. See tähendab, et kärg jagatakse kuueks 60 ∘ {\displaystyle ^{\circ }} avanurgaga või kolmeks 120 ∘ {\displaystyle ^{\circ }} avanurgaga kaetud sektoriks. Iga sektor on vaadeldav eraldi kärjena, mis omavad opereerimiseks individuaalseid sagedusvahemikke. Sellise ülesehituse korral on tugijaamad võimalik asetada kolme kärje koondpunkti. See võimaldab minimaalselt kolme kanali ja kolme masti kasutamist heksagonaalse kärje kohta ning suurendab kasutatava signaali kättesaamise tõenäosust kärje ulatuses. Raadioside üks puudusi on asjaolu, et infot kandvate sidekanalite arv on füüsiliselt piiratud kasutatava raadiolainetele sagedusvahemiku piires. Kärgvõrgu üks peamisi eeliseid on aga tema võimekus taaskasutada juba kasutuses olevaid sagedusi. Igale kärjele on määratud kindel sagedus, milles antud tugijaam töötab. Samu sagedusi on aga võimalik uuesti kasutada, eeldusel, et kaks samadel sagedustel töötavad kärge ei asu kõrvuti. Vastasel juhul võib esineda interferents kahe raadiolaine vahel, tekitades häireid raadiosides . Sageduste korduvkasutust iseloomustavateks suurusteks on taaskasutusvahemaa ja taaskasutustegur. Taaskasutuskaugus D avaldub D = 3 N R {\displaystyle D={\sqrt {3N}}R} , kus R on kärje raadius ja N kärgede arv klastris. Üksiku kärje suurus võib jääda vahemikku 1–30 kilomeetrit . Teine karakteristik on taaskasutustegur, mis iseloomustab korduvkasutuse määra. Avaldub suhtena 1 K {\displaystyle {\frac {1}{K}}} , kus K on sama sagedust mittekasutavate kärgede arv klastris. Levinud taaskasutustegurid on 1/3, 1/4, 1/7 . Üldiselt asuvad ühe tugijaama teeninduspiirkonnas mitmeid mobiilsidekasutajaid. Selleks et eristada erinevaid saatjaid, on kasutuses signaalide multipleksimise tehnoloogiad: sagedusjaotusega hulgipöördus (FDMA – Frequency Division Multiple Access), ajajaotusega hulgipöördus (TDMA – Time Division Multiple Access), koodjaotusega hulgipöördus (CDMA – Code Division Multiple Access) ja ortogonaalne sagedusjaotusega hulgipöördus (OFDMA – Orthogonal Frequency Division Multiple Access) . FDMA korral on tugijaamale määratud sagedusriba jaotatud alamribadeks ehk kanaliteks. Tugijaam määrab igale kasutajale eraldi kanali. FDMA tehnoloogiat kasutati esimese generatsiooni kärgvõrkudes . TDMA tehnoloogia juures on üks kanal määratud mitme kasutaja peale. Tugijaam edastab mitut signaali ajaliste intervallidena vaheldumisi . CDMA kasutab nn spektri hajutamise meetodit – andmed hajutatakse üle terve sagedusriba laiali. Mitu kasutajat asuvad ühel kanalil, kuid tugijaam kodeerib kõik sissetulevad andmed ning laotab need bitiinformatsioonina üle kasutatava spektri. Igale kasutajale määratakse kindel kood, mille abil tugijaam erinevaid kasutajaid eristada saab. Sama koodi kasutatakse hiljem vastuvõtjas andmete dekodeerimiseks. Omavahel saavad suhelda saatjad, millele on omistatud sama kood . Üleandmine (handover või hand-off) on protsess, mille käigus suunatakse aktiivne kõne ühest kärjest teise . Kui mobiilikasutaja liigub kõne ajal ühest kärjest teise, peab saatja kõne jätkumiseks leidma uue kanali teise tugijaama juures. Üleandmise initsialiseerimiseks on neli peamist tehnoloogiat: suhteline signaalitugevuste võrdlemine, künnisega signaalitugevuste võrdlemine, hüstereesiga signaalitugevuste võrdlemine ning künnisega ja hüstereesiga signaalitugevuste võrdlemine . Esimesel juhul võrreldakse kahe tugijaama signaalitugevusi mobiilsüsteemi asukohas. Üleandmine toimub ajal, kui teise tugijaama vastuvõetava signaali tugevus ületab antud hetkel ühenduses oleva tugijaama signaali tugevuse. Signaalide fluktuatsioonide tõttu võivad aga toimuda mitmed edasi-tagasi üleandmised. Selliseid tarbetuid üleandmisi nimetatakse ka Ping-Pong efektiks . Ping-Pong efekti ära hoidmiseks kasutatakse üleandmise juures ka künniseid. Sisuliselt lisatakse eelpool nimetatud suhtelisetele signaalitugevusele teatud künnisväärtus: üleandmine initsialiseeritakse, kui esimese tugijaama vastuvõetava signaali tugevus on väiksem etteantud künnisväärtusest ning teise tugijaama signaali tugevus suurem esimesest. Hüstereesi korral vaadatakse kahe tugijaama signaalitugevust vahet. Üleandmine toimub, kui teise tugijaama vastuvõetava signaali tugevus ületab esimese tugijaama signaali tugevust hüstereesiväärtuse võrra . Viimane tehnoloogia kasutab nii künnisväärtust kui ka hüstereesi. Üleandmine viiakse läbi, kui esimese tugijaama signaal on nõrgem künnisväärtusest ning teise tugijaama signaal ületab esimese jaama signaali hüstereesiväärtuse võrra . Eristatakse kahte üleandmise viisi: kõva (hard) ja pehme (soft) üleandmine. Kõvaks üleandmiseks nimetatakse olukorda, kui suhtlus kasutatava sidekanaliga lõpetatakse enne uue kanaliga ühendamist. Sellest tulenevalt võivad esineda katkestused sides. Kõva üleandmine esineb süsteemides, mis kasutavad TDMA- ja FDMA-tehnoloogiaid. Pehme üleandmise käigus luuakse ühendus mobiilsaatja ja mitmete ümbritsevate kärgede baasjaamade vahel. Pehmet üleandmist kasutatakse CDMA-tehnoloogia korral . Levinuim kärgvõrk on mobiilsidevõrk. Mobiilsides kantakse mobiiltelefonide vahel infot edasi raadiolainete vahendusel. GSM (Global System for Mobile communications – globaalne mobiilsidesüsteem) on maailmas levinuim mobiilsidetehnoloogia. GSM – tehnoloogias on side- ja kõnekanalid digitaalsed ning seda loetakse teise generatsiooni (2G) süsteemide hulka . GSM loodi aastal 1982, et välja arendada ühtne üleeuroopaline mobiilsidestandard ning elimineerida võimalikud mitteühilduvused erinevate süsteemide vahel. GSM-tehnoloogia töötab sagedustel 900 MHz ja 1800 MHz . GSM-süsteemi arhitektuur sisaldab peamiselt nelja komponenti mobiilne seade (mobiiltelefon) (MS) tugijaamasüsteem (BSS) võrgujuhtimissüsteem (NSS) tugisüsteem (OSS) Tugijaamasüsteem (BSS) hõlmab kahte komponenti Tugijaama kontroller (BSC – Base Station Controller): tugijaama kontroller põhifunktsioon on tagada sellele määratud tugijaamade tõrketeta töö. See vastutab tugijaamade vaheliste üleandmiste, kanalite ning muu vajaliku eest. Tugijaama transiiver (BTS – Base tranceiver system): BTS hõlmab mobiilvõrgu saatjaid ja vastuvõtjaid ning nendega ühendatud antenne. BTS on esimene lüli võrgu ja mobiilse seadme vahel GSM-võrgus. Tugijaama transiiver on iga kärje fundamentaalseks elemendiks. Võrgu juhtimise süsteem (NSS) on GSM-võrgu tuumaks. See on kogu süsteemi kontrollüksuseks. Peamised elemendid on: Kommutatsioonikeskus (MSC – Mobile switching center): selle funktsioonideks on vajalike lülituste tegemine, mobiiltelefonide ja võrkude vaheliste ühenduste korraldamine. MSC ühendab vajlikud kõned, määrab telefonide asukohad, kontrollib üleandmisi BSC-de vahel ning käsitleb muid ressursse ja võrgusisest liiklust. Autentimiskeskus (AUC – Authentication center): AUC tagab kõik võrgusisesed turvanõuded. Individuaalsed mobiilseadmed omavad AUC jaoks vajaminevat infot SIM-kaartidel. Seadmeregister (EIR – Equipment identity register): EIR on andmebaas, mis sisaldab infot keelatud ja defektsete mobiilsüsteemide kohta. EIR otsustab kas ühendust sooviv seade lubatakse võrku. Koduregister (HLR – Home location register): See andmebaas sisaldab infot kõigi sideteenuste kasutajate kohta, kaasaarvatud seadme viimast asukohta, mis võimaldab võrgul vastava seadme kõned kiiresti relevantsesse tugijaama suunata. Külalisregister (VLR – Visitor location register): See sisaldab tükki informatsiooni koduregistrist. VLR andmebaasi eesmärgiks on hoida andmeid rändluses olevate seadmete kohta. Kuna rändluses olevaid seadmeid on üldiselt vähem, siis VLR-i kasutamine vähendab HLR-is hoiustavat andmete mahtu. Tugisüsteem (OSS) on vahelüliks kõikide eelpool kirjeldatud elementide vahel. OSS juhib ja monitoorib tervet GSM-võrku ning kontrollib liiklust tugijaama süsteemis. Esimest GSM-tehnoloogial põhinevat mobiilsidevõrku Eestis hakati arendama 1993. aastal ettevõte EMT poolt. Esimesed tugijaamad avati sama aasta augustis . Need jaamad toimisid esialgu Soome TELE GSM-võrgu laiendusena. Aastal 1995 alustas iseseisva operaatorina EMT GSM-tehnoloogia teenuste pakkumisega. Aastaks 2002 kattis GSM-võrk juba 99% kogu Eesti territooriumist . Telekommunikatsioon Cellular network, Technopedia. Vaadatud 30.04.2018 Guowang Miao, Jens Zander, Ki Won Sung, Ben Slimane. "Fundamentals of Mobile Data Networks". Cambridge University Press, 2016 ISBN 1107143217. U.S patent 3663762, väljastatud 16. mai 1972 Dharma P. Agrawal, Qing-An Zeng. "Introduciton to Wireless & Mobile Systems". 3rd edition, Cengage Learning, 2011 ISBN 1439062056 Abu-Al-Saud, Wajih A. "How Often Are Frequencies Reused (Frequency Reuse Factor)?" (PDF). Vaadatud 30. aprill 2018. Cell Sectoriztion, Wireless Communication. Vaadatud 30.04.2018 J. E. Flood. "Telecommunication Networks", Institution of Electrical Engineers, London, UK, 1997 ISBN 0852968868. Nasıf Ekiz, Tara Salih, Sibel Küçüköner, and Kemal Fidanboylu."An Overview of Handoff Techniques in Cellular Networks". Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 1. mai 2018. Vaadatud 30. aprill 2018. Mobile Phone Communication. How it works?, Electro Schematics. Vaadatud 30.04.2018 GSM Network Architecture, Radio Electronics. Vaadatud 30.04.2018 Visitor Location Register, Technopedia. Vaadatud 30.04.2018 25 aastat tagasi sai Eestis hakata mobiiliga rääkima, Telia. Vaadatud 30.04.2018 19 aasta eest avas EMT oma mobiilsidevõrgu Eestis, Postimees, 1. juuni 2010 IEEE 802.21