Mobilní signál a problémy s jeho šířením

Technicky laděný článek nabízí malé nahlédnutí do problematiky šíření signálu mobilních systémů. Zabývá se příčinami vzniku problémů s příjmem a nastiňuje, jaká jsou jejich možná řešení.
Mobilní signál a problémy s jeho šířením

Jak se šíří vlny

Předtím, než se podíváme na problémy, které jsou spojené s příjmem signálu v systému GSM, si přiblížíme způsoby, kterými se vysílaný signál šíří. Řekneme si také, jak se k řešení těchto komplikací přistupuje a jakými způsoby se realizují v praxi. Nelekejte se, malá lžička teorie pro začátek neškodí. 

Signály radiokomunikačních systémů se prostorem šíří v podobě elektromagnetického záření o určité frekvenci. Podle kmitočtu lze rozeznat několik základních typů šíření elektromagnetických vln. Pro vysoké frekvence (řádově několik gigahertzů a více) je typické šíření přímou vlnou. Mezi vysílačem a přijímačem je třeba zajistit přímou viditelnost bez velkých překážek. To se týká např. mikrovlnných parabolických radioreléových antén a mikrovlnných pojítek. Svým tvarem připomají jakýsi buben a můžete je vidět na stožárech.

Na nižších kmitočtech se signál šíří prostorovou vlnou. Vznikne tak, že se v místě příjmu k přímé vlně přidává navíc ještě vlna odražená od zemského povrchu (resp. od objektů na povrchu). Tento způsob šíření je typický pro frekvence zhruba od třiceti megahertzů do několika gigahertzů a je pro nás nejvýznamnější, neboť se týká mnoha pozemských radiokomunikačních systémů, mimo jiné i systému GSM. Mezi přijímačem a vysílačem je dobré zajistit také přímou viditelnost, ale není to již nutnou podmínkou. Signál se do požadovaného místa dostane prostřednictvím odrazů, i když více utlumen.

Existují také další způsoby šíření vlnění v blízkosti zemského povrchu, ty jsou ale nad rámec tohoto článku a proto se jimi nebudeme zabývat. 

Problémy s příjmem

Ze samotné podstaty prostorové vlny, pomocí níž putuje signál k cíli více cestami, vyvstává v souvislosti příjmem řada problémů, které lze souhrnně nazvat odborným termínem únik. Únik lze vysvětlit jako kolísání úrovně signálu v místě příjmu. V každém bodě v prostoru je v daném okamžiku úroveň signálu dána součtem všech vln, které do daného místa přicházejí z různých směrů (přímo i odrazem). Vlivem odrazů vln od terénních překážek, jako jsou budovy, kopce apod., se spolu sčítají vlny přímé a vlny odražené s různým zpožděním a útlumem. V prostoru tak součtem vznikají místa s maximální i minimální úrovní signálu. Jelikož se některé terénní překážky a také vlastní mobilní stanice mohou pohybovat, je rozložení míst s maximální a minimální úrovní signálu časově proměnlivé.

V oblasti mobilních komunikací se rozlišuje takzvaný pomalý únik, který je způsoben zastíněním mobilní stanice větší terénní překážkou (např. velká budova, kopec), a rychlý únik, jehož příčinou je mnohacestné šíření a následné sečtení signálů a také vlastní pohyb mobilní stanice.

Při pohybu telefonu je příčinou úniků Dopplerův jev. Projevuje se tak, že se frekvence signálu v místě příjmu mění vlivem vzájemného pohybu vysílače a přijímače. Podle toho, zda se přijímač a vysílač vůči sobě přibližují nebo vzdalují, se frekvence signálu zvyšuje nebo snižuje. V praxi lze Dopplerův jev pozorovat například na výšce tónu sirény projíždějící sanitky, která se nejprve přibližuje a pak vzdaluje. 

Slabý signál, co teď 

Problém nastává v okamžiku, kdy se v místě s minimální úrovní signálu ocitne přijímač. Tato komplikace se řeší technikami diverzitního příjmu. Jejich principem je vytvoření systému, pomocí něhož se stejná informace přijímá současně více způsoby. Pak se z přijatých signálu vybere ten, který je v daném okamžiku na lepší úrovni. Existuje několik technik řešení diverzitního příjmu.

První z nich je prostorová diverzita. Spočívá v tom, že se stejný signál přijímá na více různých místech současně (typicky na dvou) a vybírá se vždy ten lepší. Oba signály se mohou také vhodným způsobem kombinovat. Je totiž krajně nepravděpodobné, že by minimum signálu nastalo na obou místech příjmu současně. Systém s prostorovou diverzitou je řešen velice často tak, že na jednom místě jsou upevněny místo jedné antény dvě, které jsou od sebe vzdáleny několik metrů.

Podobně pracuje systém s úhlovým výběrem. Využívá dvě směrové antény upevněné tentokrát ve stejném místě, ale natočené do různých směrů. Každá z nich pak přijímá signál z jiného směru, ať už přímý nebo odražený.

Poněkud pokročilejší technikou je diverzitní systém s polarizačním výběrem. Zde signál přijímají dva anténní systémy, každý s různou polarizací (směrem kmitání vln). Směr polarizace se určí natočením prvků anténního systému. Používají se polarizace v kombinaci vertikální-horizontální nebo dnes často také +45°/-45° (označuje se příznačně písmenem X). Na přijímací straně se pak vybírá v principu opět ten lepší. Jednou z výhod je to, že tyto anténní systémy mohou být (a také bývají) montovány do jednoho pouzdra a upevňovány na jeden stožár, což představuje řadu výhod.

Mezi další způsoby realizace diverzitního příjmu patří systémy s kmitočtovým nebo časovým výběrem.

Diverzitní příjem se popsanými způsoby řeší zejména na straně základnových stanic, protože nepoměrně slabšího signálu mobilních telefonů se rušivé vlivy dotýkají více. U mobilů by byl diverzitní systém jen velice obtížně realizovatelný - mají velice malou anténu, která se navíc pohybuje.   

Popsané diverzitní systémy řeší rychlý úník. Pomalý únik, který způsobují velké terénní překážky mezi mobilní stanicí a základnou, se řeší tím, že mobilní stanice sleduje a porovnává úroveň signálu okolních základen a provádí handover na BTS s nejlepším signálem.

Nejen odrazy vln 

Kvalitu příjmu pochopitelně ovlivňuje i řada jiných jevů, například různé formy elektromagnetického rušení. Mohou to být jednak signály samotného systému GSM, například při nevhodném nastavení pokrytí území, kdy třeba antény září dále než je třeba, dále to mohou být přeslechy mezi sousedními kanály nebo i elektromagnetická vlnění pocházející z jiných zdrojů. Ale o tom až někdy příště.

Témata článku: Ostatní, Signál, Mobil, Mobilní signál, Nejlepší signál