Сотовая связь принцип работы учебное пособие
Обновлено: 19.05.2024
У этой статьи два автора – Сергей Потресов, так как никто, кроме него, не сможет доходчиво объяснить, как устроена связь, и Эльдар Муртазин, моя роль в том, чтобы разбавить текст примерами и размышлениями на тему. Надеюсь, что вам материалы этой рубрики понравятся и вместе мы победим безграмотность в области связи. Последняя, но немаловажная оговорка – мы не пишем учебник для связистов, а рассказываем простым языком о том, что такое сотовые сети, как они работают. Это материал начального уровня для того, чтобы понять, как все это устроено и при желании изучить вопрос более тщательно. Поэтому в таких статьях возможны определенные упрощения, за которые заранее прошу нас извинить.
Как организована связь
Сотовая связь потому и называется сотовой, что в основе любой сети — ячейки (соты), каждая сота представляет собой участок территории, который покрывает (обслуживает) базовая станция. Форма и размеры сот зависят от множества факторов, в том числе от мощности излучения базовой станции, стандарта, рабочих частот, направления антенн и т.п. Соты обязательно перекрывают друг друга, это необходимо для того, чтобы мобильное устройство (терминал) не теряло связь при перемещении из одной соты в другую. Особенно это важно для владельца сотового телефона, который разговаривает во время движения.
В условиях городской застройки невозможно разбить карту города на квадратики и поставить базовые станции через равные расстояния, чтобы добиться качественного покрытия. Начинают играть роль этажность застройки, препятствия в виде памятников, возможность установить базовые станции в том или ином месте. Не зря наши города назвали каменными джунглями, планирование в них радиосетей – это та еще задачка. Поэтому все операторы стараются резервировать дополнительные мощности в крупных городах, создавать перекрывающиеся зоны для базовых станций. И этому есть и другая причина.
Для эффективной работы сети одного покрытия мало, базовые станции должны обслуживать одновременно много пользователей. А в городах — очень много одновременно разговаривающих и пользующихся мобильным интернетом. Полосы частот, на которых передаются голос и данные, — ограниченный и крайне ценный ресурс, за их лицензирование операторы во всём мире платят государству большие деньги. И не только деньги. Например, в России Министерство связи закладывает в лицензии обязательства оператора по обеспечению связью не только выгодных для сотовиков городов, но и малонаселенных территорий, где строить базовые станции – заведомо убыточное дело. А в некоторых местах эти базовые станции вообще никогда не принесут доход, оборудование придётся менять на более современное раньше, чем установленное успеет окупиться.
Как видите, у операторов есть еще и социальная нагрузка со стороны государства. Ничто не бывает бесплатным, и поэтому стоимость установки базовых станций и строительства сетей в малых городах компенсируется услугами в больших. Так устроен этот бизнес во всем мире, и Россия не является исключением. Важное отличие только в одном, российские сети мобильной связи – одни из самых современных, а по качеству и покрытию сетей наша страна выходит на первое место в мире, если вспомнить еще и про ее территорию.
Стандарт — дело тонкое
Производители смартфонов, планшетов и другой электроники зачастую адаптируют свои устройства под конкретные рынки. Это заключается не только в том, что они переводят инструкцию, как это видится со стороны. При качественной локализации они также работают с локальными операторами. В таких устройствах прописаны точки доступа, проверена работа с огромным зоопарком SIM-карт, которые есть у операторов, выставлены правильные настройки для сети в инженерном меню телефона. Одна и та же модель может быть настроена так, что ее локальный вариант будет дольше и устойчивее цепляться за сеть, чем аналог, привезенный из Европы или США. Вопрос в настройках, которые сделаны для России, и в том, насколько они универсальны или специфичны. Это также напрямую влияет на время работы вашего устройства, скорость регистрации на сети.
Самый популярный спорт в сети – это что-то доказать незнакомцу, например, что его оператор плохой, а вот вы сделали правильный выбор. Эта задачка не имеет решения, так как в ней слишком много переменных. Как люди оценивают качество оператора? Поделюсь секретом, который таковым не является.
Большинство людей смотрит на то, как оператор работает в двух точках – у них дома и на работе. Это два места, где человек проводит большую часть своей жизни, а значит, связь в них наиболее важна. Посещение кафе или ресторана, где плохой прием, никак не скажется на восприятии оператора, обычно люди даже не замечают, что им не дозвонились. С распространением мобильного интернета количество слепых зон определяется наличием сигнала, возможностью посмотреть странички или даже скоростью передачи данных, когда она может варьироваться от EDGE до 4G.
Связь во все времена носила вероятностный характер, даже когда она была проводной. Ни один оператор в мире не мог обеспечить одновременное соединение всех своих абонентов, предполагалось, что вероятность такой ситуации стремится к нулю. Поэтому все рассчитывали емкость сети, исходя из пиковых нагрузок и делая небольшой, точно просчитанный запас емкости, предполагая, что сеть будет расти. С появлением мобильной связи операторы встали перед сложной задачей, им необходимо было точно рассчитать пиковые нагрузки, а также сделать свою услугу конкурентной, не перестараться и не вложить (точнее, вкопать или повесить на столбы, кому как нравится) слишком много денег.
Давайте взглянем на статистику от Роскомнадзора, который учитывает число базовых станций у всех российских операторов. Данные за 2015 год появились в конце марта 2016 года, это самые свежие цифры на момент публикации статьи.
Можно ли из количества базовых станций сделать вывод о том, какой оператор лучше? Если подходить к вопросу в лоб, упростить ситуацию, то выиграть должен тот оператор, что имеет наибольшее число станций. Ведь в этом случае он может обеспечить связь в большем числе мест, с лучшим качеством. Будь у нас только один стандарт связи, например, 2G, и такие рассуждения были бы верны. Но ведь у нас одновременно есть 2G для голоса, 3G/4G и их промежуточные версии для передачи данных, а также голоса (3G, а также появляется Voice over LTE). В теории выигрыш у того оператора, что имеет сбалансированное число как станций 2G, которые обеспечивают хорошее покрытие голоса и SMS, так и 3G/4G-станций.
Когда мы говорим о качестве связи, то любой оператор в отдельных точках может быть как очень хорошим, так и очень плохим. Это всегда вероятность, которую сложно предугадать. Можно подобрать места так, что даже оператор с наилучшим покрытием покажет плачевные результаты. У меня есть друг, кому не повезло жить, работать и отдыхать в местах, где лучший оператор по моему мнению имеет такие изъяны в покрытии. Это практически невероятная ситуация, стечение обстоятельств.
Крайне важно при выборе оператора смотреть на то, какие услуги он предлагает. Не просто слышать про 4G, 4G+ или иные маркетинговые термины, но понимать, какие скорости достижимы на практике и в чем есть подводные камни. Насколько хорошо работает голосовая связь. Также следует понимать, что большая тройка и примкнувший к ним Теле2 имеют сравнимые тарифные предложения, в течение года вы не выгадаете ничего, переходя от одного оператора к другому. Более того, конкуренция так высока, что за год ваши расходы при одинаковом профиле пользования услугами связи будут скорее всего сравнимы. В большинстве ситуаций отличия мнимые, завязаны на маркетинг конкретного оператора.
Если цены плюс-минус одинаковы, то как же выбрать оператора? Поделюсь своим подходом, возможно, он вам покажется рациональным и вы назовете его выбором от Муртазина. Я выбираю и выбирал оператора исходя из числа базовых станций и количества современных станций, которые объединены высокоскоростной оптикой. Я постоянно мотаюсь по стране, для меня важно получать сравнимое качество связи в каждой точке или, точнее, иметь высокую вероятность получить такую связь. В моем неформальном рейтинге всегда лидировал МегаФон, так как инвестиции в сеть начиная с 2008 года были максимальными, компания подобралась к теоретическому максимуму базовых станций для всех территорий в России, развивать сеть в тех же темпах бессмысленно, нужно уже проводить еще более тонкую настройку сети. Но компания продолжает расширять сеть и вкладывает в нее деньги, активно и первой развивает станции новых поколений. Второе место традиционно занимает и занимал МТС, который в 2015 году совершил рывок и строил очень много базовых станций по стране, чтобы выйти по их количеству на первое место. Но помимо самих станций, нужно обеспечить их оптоволокном, опорной и управляющей сетью, а тут в МТС пока не все так гладко.
Условной второй группой выступают Билайн и Теле2, причем второй догоняет первого, и очень агрессивно. Качество и количество БС у этих компаний сильно отличается от первых двух игроков. И поэтому, когда мне рассказывают о том, что они ничуть не хуже, чем МегаФон или МТС, я всегда ухмыляюсь. Вероятность этого не подтверждается цифрами, пока это игроки другого уровня.
Безусловно, у вас может быть совсем другой подход и вам не нравится тот или иной оператор, вы считаете, что вам ближе другая компания. Это вкусовщина, и она всегда была и есть. Но не нужно тогда говорить о том, что это подтверждается качеством сети и ее работы. Это не так.
У природы есть плохая погода
Заголовок про погоду неслучаен, радиорелейные каналы связи резко теряют свою пропускную способность во время дождя. Бороться с этим сложно, и в плохую погоду можно ненароком остаться без мобильного интернета. Особенно в местах, удалённых от сравнительно крупных населённых пунктов.
О герое
Герой выпуска — Александр Чемерис, сотрудник компании YADRO. Руководил стартапом Fairwaves, где делал оборудование для сотовых операторов, обеспечивал связью африканские деревни и штат Оахака в Мексике.
Как Александр попал в мир сотовой связи
Оказалось, что сотовая связь — это отдельный мир, который можно изучать годами. Ты в него погружаешься, а потом раз — и десять лет прошло.
Как устроена сотовая связь
Она работает на радиоволнах. Вот как мы голосом говорим — и голос распространяется по воздуху на расстоянии. У радиоволн похожий принцип, но распространяются они гораздо дальше, воздух им не мешает. Ушами мы радиоволны слышать не можем, но в телефонах есть специальные антенны, которые умеют воспринимать эти колебания.
Почему по сотовому мы можем говорить одновременно
Два самых популярных способа разделения — это frequency division duplex и time division duplex, FDD и TDD соответственно. Классическая сотовая связь построена на FDD, когда у тебя на одной частоте телефон принимает, а на другой передаёт. То есть у тебя словно два радио на разных частотах: по одному ты передаёшь сигнал, по другому — передаёт вышка.
TDD — это то, что мы сейчас делаем. Пока я говорю, ты молчишь, когда ты говоришь, я молчу. Когда все начинают говорить одновременно, происходит интерференция — становится плохо слышно, у тебя начинает квакать телефон.
Стандартный TDD в сотовой связи построен на фреймах, где длина одного фрейма в 4G — 10 миллисекунд, в 5G — до одной миллисекунды. Дальше 10 миллисекунд разбиваются на uplink и downlink, ты 5 миллисекунд говоришь и 5 миллисекунд слушаешь. Это настолько мало, что тебе кажется: ты в любой момент можешь начать говорить, не надо ждать собеседника.
Какие железки отвечают за передачу сигнала
Исключая абонентские устройства, сеть состоит из трёх компонентов: софт у оператора, базовые станции на вышках и связь между ними — транспортная сеть, или бэкхолл.
Вышка обычно подключена к мощному источнику электроэнергии. У неё большие антенны, которые усиливают сигнал. Ты физически не можешь носить телефон, у которого антенна два метра, поэтому антенна на вышке всегда большая. Если сравнить мощность излучения, то у телефона она намного меньше, чем у вышки. Это отчасти связано с какими-то медицинскими нормами, но на самом деле просто экономически невыгодно делать телефон, который будет передавать мощный сигнал: у него будет быстро садиться батарейка.
Роль вышки — передать и принять сигнал с телефона. Причём сделать это качественно и так, чтобы телефон садился не за два часа, а за пару дней хотя бы. Вышка — это физическое устройство, которое ты видишь на улице, а есть базовая станция — это то, что находится на вышке. Если поставить одну такую базовую станцию в центре деревни, то у всех людей нормально будут работать телефоны, которые находятся в зоне доступа. А если навтыкать вышки рядом друг с другом, то начнутся проблемы со связью.
Потому что у тебя вышки натыканы как медовые соты, а вокруг базовой станции зона приёма словно шестиугольник.
Есть целая наука и отдельные люди, которые занимаются радиопланированием. Они делают, так чтобы базовые станции друг другу не мешали и всё это хорошо работало. Говоря математически, если у тебя сотовые вышки передают с одинаковой мощностью, то оптимальное распределение этих вышек будет такое, что каждая стоит в центре шестиугольника. Если ты построишь изолинии равной мощности, то там, где мощность одной вышки падает настолько, что мощность второй вышки начинает вырастать, ты увидишь, что изолинии образуют шестиугольник. Это действительно так физически устроено и выглядит как соты.
Сейчас всё сложнее. Появились макростанции, пикостанции, маленькие станции, зонтичные станции, фемтостанции, которые можно дома поставить.
Кому принадлежат вышки
В России по закону базовая станция должна принадлежать мобильному оператору, иначе её не разрешат вывести в эфир. Но бывает и по-другому. Например, Tinkoff Mobile — это виртуальный мобильный оператор. У него есть бренд, но нет своих базовых станций, то есть он с кем-то договорился. А настоящий мобильный оператор — это компания, которая владеет лицензией на частоты. Диапазон частот делится на маленькие кусочки и продаётся по частям за бешеные деньги разным операторам связи.
Кто помимо государства в России владеет частотами
В чём отличие 1G от 5G
Сеть 1G появилась в 1979 году. Главная инновация была в том самом подходе, когда вышки ставятся по сотовому принципу. Сеть второго поколения 2G — это переход к цифровым коммуникациям, что позволило повысить ёмкость и безопасность. Повысилось количество абонентов и стало невозможно при помощи аудиоприёмника подслушать, о чём люди говорят по телефону.
Сеть третьего поколения научилась нормально передавать интернет. Без 3G не было бы iPhone с его приложениями. 4G изначально задумывалась для интернета, а не для голоса. До сих пор во многих сетях 4G ты не можешь поговорить голосом. С этим помогает LTE — конкретная реализация голосовой связи, которая стала доминирующей.
В 2019 году начали появляться самые первые 5G — это попытка улучшить 4G, подстроить под промышленные юзкейсы.
Первый юзкейс Massive IoT — условно, 10 тысяч устройств на квадратный километр. Используется на заводе, который обвешан датчиками. Второй юзкейс — Ultra Reliable Low Latency Communications. Это управление робототехникой, телемедицина, удалённое управление поездами, гейминг. Третье — это то, что называется Mobile Broadband, более быстрая передача данных.
Как родилась идея для стартапа
Люди на какой-нибудь шахте либо на нефтяной вышке тоже хотят говорить друг с другом по сотовому или, что ещё сложнее, звонить домой. Им нужно дать для этого инструмент. Одна базовая станция на какой-нибудь нефтяной вышке для монстра типа Nokia или Ericsson вообще не важна. Но для небольшой компании, если посчитать, это интересный бизнес-кейс.
Мы работали с легитимными сотовыми операторами. У них есть частоты, но есть проблема с тем, что на оборудовании крупных вендоров им невыгодно идти в деревню. Чтобы сделать связь в таких удалённых регионах, я продавал решение — оборудование и софт. Физически это выглядит как ребристая коробочка около 10 кг размером с небольшой рюкзак. Я её как раз в рюкзаке с собой и таскал на презентации.
Внутри такой базовой станции компьютер и радиокомпоненты. Стоит разъём под большую внешнюю антенну, которую покупаешь отдельно. Антенны бывают разные. Ты выбираешь нужную под ландшафт и местность и затем прикручиваешь к вышке. Дальше прикручиваешь базовую станцию и соединяешь толстым радиокабелем с антенной.
В стандартной африканской деревне вышки с разумными антеннами покрывают радиус 5–7 километров. Это размер небольшого города или деревни. К такой базовой станции можно подключить дешёвую Nokia или даже iPhone.
Почему стартап закрылся
Мы не выдержали гонку с более обеспеченными стартапами. Сначала были богатые TIER 1 и несколько небольших компаний по всему миру. Мы все друг друга знали. С одной стороны, мы всегда соревновались, с другой — были против тех мужиков в костюмах от монополистов.
Потом сработала трамповская война против Китая, которая привела к тому, что начал разваливаться единый телекоммуникационный мир. Индустрия поделилась на национальные анклавы. В Европе остались Ericsson и Nokia. В Штатах появились хорошо профинансированные стартапы. Параллельно такие же процессы начали происходить в Индии. Начали появляться национальные разработчики в Японии и во Вьетнаме.
В полной версии подкаста
14:00 Как победить интерференцию
18:00 Почему мегагерцы стоят денег
27:00 Как наследственность в сотовой связи сделала её уязвимой
33:10 Что означают все эти G
38:00 Почему, когда говоришь по 4G, интернет виснет
43:42 Как развернуть свою локальную сеть
51:20 Вышка из бамбуковой палки и государственная монополия на связь. Что Саша делал в Мексике
Для большинства из нас мобильный телефон давно уже стал неотъемлемой частью жизни, однако наверняка многие из вас задавались вопросом, о том каким образом вы можете звонить с мобильника или о том почему существуют разные поколения мобильной связи.
p, blockquote 1,0,0,0,0 -->
p, blockquote 2,0,0,0,0 -->
Как устроена сотовая связь
Давайте рассмотрим, что из себя представляет технология мобильной связи. Когда вы говорите по телефону, звук вашего голоса улавливается мембраной встроенного микрофона. Микрофон преобразует ваш голос в цифровой сигнал, с помощью МЭМС датчика и интегральное микросхемы.
p, blockquote 3,0,0,0,0 -->
Цифровой сигнал представляет собой ваш голос зашифрованный в виде последовательности нулей и единиц, а встроенная антенна принимает эти нули и единицы преобразуя их в электромагнитные волны. В электромагнитных волнах последовательность нулей и единиц представлены меняющимися характеристиками волны, такими как амплитуда, частота, фаза или их комбинацией. Например, в случае с частотой, 0 и 1 передаются посредством использования низких и высоких частот соответственно.
p, blockquote 4,0,0,0,0 -->
p, blockquote 5,0,1,0,0 -->
Если найти способ передачи этих электромагнитных волн на мобильный телефон вашего друга, вы сможете с ним говорить. Однако электромагнитные волны не способны преодолевать большие расстояния. Они теряют свою силу из-за препятствий, физических объектов, электрооборудования и некоторых факторов окружающей среды и даже, если бы этих проблем не было, электромагнитные волны не могут достичь всех точек поверхности земли поскольку она изогнута.
p, blockquote 6,0,0,0,0 -->
Технология сотовой связи
Чтобы решить эти проблемы используется технология сотовой связи, которая задействует сеть вышек. Эта технология подразумевает деление географической зоны на шестиугольные ячейки или соты, в каждой из которых устанавливается вышка со своим частотным интервалом. Как правило, эти вышки соединены между собой оптоволоконным кабелем. Такие оптоволоконные кабели проложены под землей или по дну океанов и обеспечивают национальную и международную связь.
p, blockquote 7,0,0,0,0 -->
p, blockquote 8,0,0,0,0 -->
Вышка вашей ячейки принимает электромагнитные волны посылаемые вашим телефоном и преобразует их в высокочастотные световые импульсы. Эти световые импульсы доставляются к приёмо-передатчику расположенному у основания вышки для дальнейшей обработки сигнала. После обработки сигнал вашего голоса направляется к принимающей вышки, а та в свою очередь ретранслирует полученные световые импульсы в форме электромагнитных волн, которые принимает антенна телефона вашего друга. Далее проходит процесс обратной переработки сигнала и ваш друг слышит ваш голос. И так получается, что мобильная связь не является полностью беспроводной, в ее обеспечении также участвует проводная связь, так устроена сотовая связь.
p, blockquote 9,0,0,0,0 -->
Центр коммутации мобильной связи
Однако есть вопрос, который мы пока не затрагивали. Сотовая связь действует только тогда, когда сигнал с вышки в вашем районе транслируется на вышку ближайшую к местонахождению вашего друга, но как ваша вышка узнает в какой ячейке он сейчас находится, и на какую вышку направлять сигнал. Для того, чтобы это произошло вышка сотовой связи должна получить помощь от так называемого “Центра коммутации мобильной связи” (MSC). Центр коммутации является связующим компонентом группы вышек сотовой связи, прежде чем двинуться дальше давайте подробнее разберем функции центра коммутации.
p, blockquote 10,0,0,0,0 -->
Функции центра коммутации
При покупке sim-карты вся информация об абоненте регистрируется в некотором центре коммутации, назовем этот центр домашним. Домашний MSC хранит информацию об абоненте, такую как тарифный план, текущее местоположение и статус активности. Если вы выходите за пределы своего домашнего центра, вас начинает обслуживать новый, который мы назовем гостевым центром коммутации. Когда вы входите в зону гостевого центра, он связывается с вашим домашним MSC, таким образом ваш домашний центр всегда знает в какой зоне вы находитесь.
p, blockquote 11,1,0,0,0 -->
Чтобы понять в какой из ячеек связанные с данным MSC находится абонент, центр коммутации использует несколько методов:
- Один из них постоянное обновление информации о положении абонента через определенный промежуток времени.
- Также обновление выполняется, если мобильное устройство пересекает заранее определенное количество ячеек.
- Наконец, обновление данных о местоположении происходит при включении мобильного телефона. Давайте разберем все три случая на примере.
Предположим Анель хочет позвонить Роме. Когда Анель набирает номер, запрос на вызов поступает на ее домашний центр коммутации, после получения информации о номере Ромы, запрос будет отправлен на его домашний центр, затем следует проверка текущего MSC Ромы.
p, blockquote 13,0,0,0,0 -->
Если Рома находится в зоне своего домашнего центра, запрос вызова будет немедленно отправлен на ближайшую к его местоположению вышку с целью первичной проверки, активен ли его телефон или не занят ли он разговором с другим абонентом.
p, blockquote 14,0,0,0,0 -->
Если все в порядке, телефон Ромы зазвонит и начнется разговор. Однако если Рома находится вне зоны своего домашнего MSC, то его домашний центр коммутации просто перенаправляет запрос вызова на гостевой центр. Гостевой центр коммутации следуя ранее описанной процедуре определит местоположение телефона Ромы, после чего установятся соединение.
p, blockquote 15,0,0,0,0 -->
Частотный спектр и мобильная связь
Теперь давайте обсудим, почему частотный спектр очень важен для мобильной связи. Для передачи последовательности нулей и единиц посредством цифровой связи, каждому абоненту выделяется частотный диапазон, однако частотный спектр сотовой связи весьма ограничен, при том что пользуются ей миллиарды абонентов.
p, blockquote 16,0,0,0,0 -->
Эта проблема решается с помощью двух методов. Первый, распределение частотного интервала и второй — технология множественного доступа. В первом случае подразумевается четкое распределение разных частотных интервалов по разным вышкам сотовой связи, а технология множественного доступа заключается в эффективном распределение частотного интервала среди всех активных пользователей в ячейке.
p, blockquote 17,0,0,1,0 -->
Чем отличаются поколения мобильной связи
Технология 1G позволила абонентам связываться по телефону без подключенного к нему провода, но у этого поколения было две проблемы: первая заключалась в том, что беспроводная передача велась в аналоговом формате. Аналоговый сигнал может быть легко искажен помехами, поэтому его качество и безопасность были очень низкими. Вторая проблема заключалась в использовании технологии FDMA множественный доступ с разделением каналов по частоте. Доступный частотный спектр при нём используются неэффективно. Эти негативные факторы стали причиной появления мобильной связи второго поколения.
p, blockquote 18,0,0,0,0 -->
p, blockquote 19,0,0,0,0 -->
В мобильной связи 2G использовались цифровые технологии множественного доступа с разделением по времени TDMA или с кодовым разделением CDMA. Второе поколение также представила революционную услугу передачи данных SMS и доступа в интернет.
p, blockquote 20,0,0,0,0 -->
Технология 3G была нацелена на повышение скорости передачи данных. Для этого наряду с увеличением пропускной способности использовалась технология W-CDMA широкополосный множественный доступ с кодовым разделением. В результате была получена скорость 2 Мбита в секунду, что позволило передавать данные для таких целей как GPS, видео, голосовые вызовы и тому подобное. С появлением этой технологии мобильные телефоны стали быстро вытесняться смартфонами.
p, blockquote 21,0,0,0,0 -->
Затем появилась технология 4G, которая позволила достичь скорости передачи данных от 20 до 100 Мбит в секунду, этого было достаточно для просмотра фильмов с высоким разрешением и телевидения. Более высокая скорость стала возможной благодаря технологиям OFDM и MIMO. MIMO задействует одновременно несколько передающих и принимающих антенн, как в мобильном телефоне так и на вышки сотовой связи.
p, blockquote 22,0,0,0,0 --> p, blockquote 23,0,0,0,1 -->
Следующее поколение мобильной связи 5G, которая будет внедрена в скором будущем, будет использовать усовершенствованную технологию MIMO и миллиметровые волны. Это сделает возможной бесперебойную связь для так называемого интернета вещей, обеспечивающего функционирование беспилотных автомобилей и умных домов.
Сотовая связь считается одним из самых полезных изобретений человечества — наряду с колесом, электричеством, интернетом и компьютером. И лишь за несколько десятилетий эта технология пережила целый ряд революций. С чего начиналось беспроводное общение, как работают соты и какие возможности откроет новый мобильный стандарт 5G?
Как появилась сотовая связь
Впервые идея сотовой связи была выдвинута в 1947 году — над ней работали инженеры из Bell Labs Дуглас Ринг и Рэй Янг. Однако реальные перспективы ее воплощения стали вырисовываться только к началу 1970-х годов, когда сотрудники компании разработали рабочую архитектуру аппаратной платформы сотовой связи.
Задачу успешно решила компания Motorola — ее инженер Мартин Купер 3 апреля 1973 года продемонстрировал первый работающий прототип мобильного телефона. Он позвонил начальнику исследовательского отдела компании-конкурента прямо с улицы и рассказал ему о собственных успехах.
Руководство Motorola немедленно вложило в перспективный проект 100 миллионов долларов, однако на коммерческий рынок технология вышла только через десять лет. Такая задержка связана с тем, что сначала требовалось создать глобальную инфраструктуру базовых станций сотовой связи.
На территории США этой работой занялась компания AT&T — телекоммуникационный гигант добился от федерального правительства лицензирования нужных частот и построил первую сотовую сеть, которая охватила крупнейшие американские города. В качестве первого мобильника выступила знаменитая модель Motorola DynaTAC 8000.
В продажу первый сотовый телефон поступил 6 марта 1983 года. Он весил почти 800 граммов, мог работать на одном заряде 30 минут в режиме разговора и заряжался около 10 часов. При этом аппарат стоил 3995 долларов — баснословную сумму по тем временам. Несмотря на это, мобильник мгновенно стал популярен.
Почему связь называется сотовой
Обычно базовая станция в виде пары железных шкафов с оборудованием и антенн размещается на специально построенной вышке, однако в городе их нередко размещают на крышах высотных зданий. В среднем каждая станция ловит сигнал от мобильных телефонов на удалении до 35 километров.
Для улучшения качества обслуживания операторы также устанавливают фемтосоты — маломощные и миниатюрные станции сотовой связи, предназначенные для обслуживания небольшой территории. Они позволяют резко улучшить покрытие в тех местах, где это необходимо.Сотовую связь в России объединят с космосом
Находящийся в сети мобильник прослушивает эфир и находит сигнал базовой станции. В современную SIM-карту, кроме процессора и оперативки, вшит уникальный ключ, позволяющий авторизоваться в сотовой сети. Связь телефона со станцией может осуществляться по разным протоколам — например, цифровым DAMPS, CDMA, GSM, UMTS.
В России для вещания сертифицированы три диапазона — 800 МГц, 1800 МГц и 2600 МГц. Диапазон 1800 МГц считается самым популярным в мире, так как сочетает высокую емкость, большой радиус действия и высокую проникающую способность. Именно в нем сейчас работают большинство мобильных сетей.
Какие стандарты мобильной связи бывают
Первые мобильники работали с технологий 1G — это самое первое поколение сотовой связи, которое опиралось на аналоговые телекоммуникационные стандарты, главным из которых стал NMT — Nordic Mobile Telephone. Он предназначался исключительно для передачи голосового трафика.
К 1991 году относят рождение 2G — главным стандартом нового поколения стал GSM (Global System for Mobile Communications). Данный стандарт поддерживается до сих пор. Связь в этом стандарте стала цифровой, появилась возможность шифрования голосового трафика и отправки СМС.
Скорость передачи данных внутри GSM не превышала 9,6 кбит/с, что делало невозможной передачу видео или высококачественного звука. Проблему был призван решить стандарт GPRS, известный как 2.5G. Он впервые позволил пользоваться сетью Интернет владельцам мобильных телефонов.
Такой стандарт уже обеспечил скорость передачи данных до 114 Кбит/c. Однако вскоре он также перестал удовлетворять постоянно растущие запросы пользователей. Для решения этой проблемы в 2000 году был разработан стандарт 3G, который обеспечивал доступ к услугам Сети на скорости передачи данных в 2 Мбита.
Еще одним отличием 3G стало присвоение каждому абоненту IP-адреса, что позволило превратить мобильники в маленькие компьютеры, подключенные к интернету. Первая коммерческая сеть 3G была запущена 1 октября 2001 года в Японии. В дальнейшем пропускная способность стандарта неоднократно увеличивалась.
Наиболее современный стандарт — связь четвертого поколения 4G, которая предназначена только для высокоскоростных сервисов передачи данных. Пропускная способность сети 4G способна достигать 300 Мбит/сек, что дает пользователю практически неограниченные возможности работы в интернете.
Сотовая связь будущего
Стандарт 4G заточен на непрерывную передачу гигабайтов информации, в нем даже отсутствует канал для передачи голоса. За счет чрезвычайно эффективных схем мультиплексирования загрузка фильма высокого разрешения в такой сети займет у пользователя 10-15 минут. Однако даже его возможности уже считаются ограниченными.
В 2020 году ожидается официальный запуск нового поколения связи стандарта 5G, который позволит передачу больших объемов данных на сверхвысоких скоростях до 10 Гбит/сек. Кроме этого, стандарт позволит подключить к высокоскоростному интернету до 100 миллиардов устройств.
Именно 5G позволит появиться настоящему интернету вещей — миллиарды устройств будут обмениваться информацией в реальном времени. По оценке экспертов, сетевой трафик скоро вырастет на 400%. Например, автомобили начнут постоянно находиться в глобальной Сети и получать данные о дорожной обстановке.
ЕЩЕ ПО ТЕМЕ:
Низкая степень задержки обеспечит связь между транспортными средствами и инфраструктурой в режиме реального времени. Ожидается, что надежное и постоянно действующее соединение впервые откроет возможность для запуска на дорогах полностью автономных транспортных средств.
Как это сделано, как это работает, как это устроено
Самое познавательное сообщество Живого Журнала
Но сегодня в специальном репортаже для kak_eto_sdelano будет рассказ не о будущем, а о том, как устроена и работает современная сотовая связь.
Для того, чтобы узнать о работе современной сотовой связи в формате 3G/4G, я напросился в гости к новому федеральному оператору Tele2 и провел целый день с их инженерами, которые объяснили мне все тонкости передач данных через наши мобильные телефоны.
Но расскажу вначале немного об истории возникновения сотовой связи.
Принципы работы беспрводной связи были опробованы почти 70 лет назад - первый общественный подвижный радиотелефон появился в 1946 г. в Сент-Луисе, США. В Советском союзе опытный образец мобильного радиотелефона был создан в 1957 году, потом ученые других стран создавали подобные устройства с различными характеристиками, и только в 70-х годах прошлого века в Америке были определены современные принципы работы сотовой связи, после чего и началось ее развитие.
Мартин Купер - изобретатель прототипа портативного сотового телефона Motorola DynaTAC весом в 1,15 кг и размерами 22,5х12,5х3,75 см
Если в западных странах к середине 90-х годов прошлого века сотовая связь была распространена повсеместно и ей пользовалась большая часть населения, то в России она только начала появляться, и стала доступной для всех чуть более 10 лет назад.
Громоздкие кирпичеобразные мобильники работавшие в форматах первого и второго поколений ушли в историю, уступив место смартфонам с 3G и 4G, лучшей голосовой связью и высокой скоростью интернета.
Почему связь называется сотовой? Потому что территория, на которой обеспечивается связь, разбивается на отдельные ячейки или соты, в центре которых располагаются базовые станции (БС). В каждой "соте" абонент получает одинаковый набор услуг в определенных территориальных границах. Это означает, что перемещаясь от одной "соты" к другой, абонент не чувствует территориальной привязанности и может свободно пользоваться услугами связи.
Очень важно, чтобы была непрерывность соединения при перемещении. Это обеспечивается благодаря так называемому хэндовер (Handover), при котором соединение установленное абонентом как бы подхватывается соседними сотами по эстафете, а абонент продолжает разговаривать или копаться в соцсетях.
Вся сеть делится на две подсистемы: подсистема базовых станций и подсистема коммутации. Схематически это выглядит так:
В середине "соты", как было сказано выше находится базовая станция, которая обычно обслуживает три "соты". Радиосигнал от базовой станции излучается через 3 секторные антенны, каждая из которых направлена на свою "соту". Бывает так, что на одну "соту" направлены сразу несколько антенн одной базовой станции. Это связано с тем, что сеть сотовой связи работает в нескольких диапазонах (900 и 1800 МГц). Кроме того, на данной базовой станции может присутствовать оборудование сразу нескольких поколений связи (2G и 3G).
Но на вышках БС Tele2 стоит оборудование только третьего и четвертого поколения - 3G/4G, так как компания решила отказаться от старых форматов в пользу новых, которые помогают избегать обрывов голосовой связи и обеспечивают более стабильный интернет. Завсегдатаи соцсетей поддержат меня в том, что в наше время скорость интернета очень важна, 100-200 кб/с уже не достаточно, как это было пару-тройку лет назад.
Наболее привычным местом размещения БС является башня или мачта, построенная специально для нее. Наверняка вы могли видеть красно-белые вышки БС где-то в отдаленности от жилых домов (в поле, на холме), или там, где поблизости нет высоких зданий. Как вот эта, которая видна из моего окна.
Однако, в условиях городской местности трудно найти место под размещение массивного сооружения. Поэтому в крупных городах базовые станции размещаются на зданиях. Каждая станция ловит сигнал от мобильных телефонов на удалении до 35 км.
Это антенны, само оборудование БС находится на чердаке, или в контейнере на крыше, которое представляет из себя пару железных шкафов.
Некоторые базовые станции расположены там, где вы даже не догадаетесь. Как например на крыше этой парковки.
Антенна БС состоит из нескольких секторов, каждый из которых принимает/отправляет сигнал в свою сторону. Если вертикальная антенна осуществляет связь с телефонами, то круглая соединяет БС с контроллером.
В зависимости от характеристик, каждый сектор может обслуживать до 72 звонков одновременно. БС может состоять из 6 секторов, и обслуживать до 432 звонков, однако обычно на станциях устанавливают меньше передатчиков и секторов. Сотовые операторы, такие как Tele2, предпочитают ставить больше БС для улучшения качества связи. Как мне сказали, здесь используется самое современное оборудование: базовые станции Ericsson, транспортная сеть - Alcatel Lucent.
От подсистемы базовых станций сигнал передается в сторону подсистемы коммутации, где и происходит установление соединения с нужным абоненту направлением. В подсистеме коммутации есть ряд баз данных, в которых хранятся сведения об абонентах. Кроме того эта подсистема отвечает за безопасность. Если сказать проще, то коммутатор выполн яет те же функции, что и девушки операторы, которые раньше руками соединяли вас с абонентом, только сейчас все это происходит автоматически.
Оборудование для этой базовой станции спрятано в этом железном шкафу.
Кроме обычных вышек есть также и мобильные варианты базовых станций, размещенные на грузовиках. Их очень удобно использовать во время стихийных бедствий или в местах массового скопления людей (футбольные стадионы, центральные площади) на время праздников, концертов и различных мероприятий. Но, к сожалению, из-за проблем в законодательстве широкого применения они пока не нашли.
Для обеспечения оптимального покрытия радиосигналом на уровне земли, базовые станции проектируются специальным образом, потому несмотря на дальность в 35 км. сигнал не распространяется на высоту полета самолетов. Однако некоторые авиакомпании уже начали устанавливать на своих бортах небольшие базовые станции, обеспечивающие сотовую связь внутри самолета. Такая БС соединяется с наземной сотовой сетью с помощью спутникового канала. Система дополняется панелью управления, которая позволяет экипажу включать и выключать систему, а также отдельные типы услуг, например, выключать голос на ночных рейсах.
Также я заглянул в офис Tele2, чтобы увидеть как специалисты контролируют качество сотовой связи. Если несколько лет назад такая комната была бы увешана до потолка мониторами показывающими данные сети (загруженность, аварии сети, и т.п.) то со временем надобность в таком количестве мониторов отпала.
Технологии со временем сильно развились и достаточно вот такой небольшой комнаты с несколькими специалистами, чтобы наблюдать за работой всей сети в Москве.
Немного видов из офиса Tele2.
На совещании сотрудников компании обсуждаются планы по захвату столицы) С начала стройки до сегодняшнего дня Tele2 успел покрыть своей сетью всю Москву, и постепенно завоевывает Подмосковье, запуская более 100 базовых станций еженедельно. Так как я живу теперь в области, мне очень важно. чтобы эта сеть как можно быстрее пришла в мой городок.
Как я говорил выше, Tele2 отказалась от формата GSM в пользу стандартов третьего и четвертого поколения - 3G/4G. Это позволяет устанавливать базовые станции 3G/4G с большей частотой (например, внутри МКАД БС стоят на расстоянии около 500 метров друг от друга), чтобы обеспечивать более стабильную связь и высокую скорость мобильного интернета, чего не было в сетях предыдущих форматов.
Из офиса компании я в компании инженеров Никифора и Владимира отправляюсь на одну из точек, где им нужно замерить скорость связи. Никифор стоит напротив одной из мачт, на которой установлено оборудование для обеспечения связи. Если приглядитесь, то заметите чуть далее слева еще одну такую мачту, с оборудованием других сотовых операторов.
Как это ни странно, но сотовые операторы часто разрешают своим конкурентам использовать свои башенные сооружения для размещения антенн (естественно на взаимовыгодных условиях). Это вызвано тем, что строительство башни или мачты - дорогое удовольствие, и такой обмен позволяет сэкономить немало средств!
Пока мы замеряли скорость связи, Никифора несколько раз прохожие бабушки и дядьки спросили не шпион ли он)) "Да, глушим радио "Свобода"!).
Оборудование на самом деле выглядит необычно, по его виду можно предположить все что угодно.
У специалистов компании немало работы, если учесть, что в Москве и области у компании более 7тыс. базовых станций: из них порядка 5тыс. 3G и около 2тыс. базовых станций LTE, а за последнее время количество БС увеличилось еще примерно на тысячу.
Всего за три месяца в Подмосковье было выведено в эфир 55% от общего количества новых базовых станций оператора в регионе. В настоящий момент компания обеспечивает качественное покрытие территории, на которой проживает более 90% населения Москвы и Московской области.
Кстати, в декабре сеть 3G Tele2 была признана лучшей по качеству среди всех столичных операторов.
Но я решил лично проверить насколько хороша связь у Tele2, потому приобрел симку в ближайшем ко мне торговом центре на м.Войковская, с самым простым тарифом "Очень черный" за 299 р (400 смс/минут и 4 ГБ). Кстати, у меня был подобный билайновский тариф, который на 100 рублей дороже.
Проверил скорость не отходя далеко от кассы. Прием - 6.13 Mbps, передача - 2.57 Mbps. Учитывая, что я стою в центре торгового центра это неплохой результат, связь Tele2 хорошо проникает сквозь стены большого ТЦ.
На м.Третьяковская. Прием сигнала - 5.82 Mbps, передача - 3.22 Mbps.
И на м.Красногвардейская. Прием - 6.22 Mbps, передача - 3.77 Mbps. Замерил у выхода из метро. Если принять во внимание, что это окраина Москвы, очень даже прилично. Считаю, что вполне приемлемая связь, уверенно можно сказать, что стабильная, если учитывать, что Tele2 появилась в Москве всего пару месяцев назад.
В столице стабильная связь Tele2 есть, это хорошо. Очень надеюсь, что они побыстрее придут в область и я смогу в полной мере пользоваться их связью.
Теперь и вы знаете как работает сотовая связь!
Подписывайтесь также на наши группы в фейсбуке, вконтакте, одноклассниках и в гугл+плюс, где будут выкладываться самое интересное из сообщества, плюс материалы, которых нет здесь и видео о том, как устроены вещи в нашем мире.
Читайте также: