Принцип работы сотовой связи: стандарты и базовые станции

Сотовая связь — это… 

Сотовая связь относится к усовершенствованной службе мобильной телефонной связи (AMPS).

Сотовая мобильная связь основана на географическом разделении зоны покрытия связи. Каждой ячейке выделяется определенное количество частот (или каналов), которые позволяют большому количеству абонентов одновременно вести разговоры.

История развития

Работы по созданию гражданских систем мобильной связи начались в 1970-х. К этому моменту развитие обычных телефонных сетей в европейских странах достигло такого уровня, что следующим шагом в эволюции коммуникаций могла стать только доступность телефонной связи везде и всюду.

Сети на первом гражданском стандарте сотовой связи – NMT-450 – появились в 1981. Хотя наименование стандарта представляет собой сокращение слов Nordic Mobile Telephony («мобильная телефония северных стран»), первая на планете сотовая сеть была развернута в Саудовской Аравии. В Швеции, Норвегии, Финляндии (и других странах Северной Европы) сети NMT заработали на несколько месяцев позднее.

Через два года – в 1983 – на территории США была запущена первая сеть стандарта AMPS (Advanced Mobile Phone Service), созданного в исследовательском центре Bell Laboratories.

Стандарты NMT и AMPS, которые принято относить к первому поколению систем сотовой связи, предусматривали передачу данных в аналоговой форме, что не позволяло обеспечить должный уровень помехоустойчивости и защиты от несанкционированных подключений. Впоследствии у них появились усовершенствованные за счет использования цифровых технологий модификации, например, DAMPS (первая буква аббревиатуры своим появлением обязана слову Digital – «цифровой»).

Стандарты второго поколения (так называемого 2G) – GSM, IS-95, IMT-MC-450 и др., изначально созданные на основе цифровых технологий, превосходили стандарты первого поколения по качеству звука и защищенности, а также, как выяснилось впоследствии, по заложенному в стандарт потенциалу развития.

Уже в 1982 Европейская Конференция Администраций Почт и Электросвязи (CEPT) создала группу для разработки единого стандарта цифровой сотовой связи. Детищем этой группы стал GSM (Global System for Mobile Communications).

Первая сеть GSM была запущена в эксплуатацию в Германии в 1992. Сегодня GSM является господствующим стандартом сотовой связи как в России, так и во всем мире. В 2004 в нашей стране GSM-сети обслуживали свыше 90% абонентов сотовой связи; в мире GSM использовало 72% абонентов.

Для работы оборудования стандарта GSM выделено несколько диапазонов частот – на них указывают числа в названиях. В европейском регионе в основном используются GSM 900 и GSM 1800, в Америке – GSM 950 и GSM 1900 (на момент утверждения стандарта в США «европейские» частоты там оказались заняты другими службами).

Популярность стандарту GSM обеспечили его значимые для абонентов особенности:

• высокое качество передачи голоса;
• защищенность от помех, перехвата и «двойников»;
• наличие большого числа дополнительных сервисов;
• возможность при наличии «надстроек» (таких, как GPRS, EDGE и др.) обеспечивать передачу данных с высокими скоростями;
• присутствие на рынке большого количества телефонных аппаратов, работающих в сетях стандарта GSM;
• простота процедуры смены одного аппарата на другой.

В процессе развития сотовые сети стандарта GSM приобрели возможности расширения за счет некоторых «надстроек» над действующей инфраструктурой, обеспечивающих скоростную передачу данных. GSM-сети с поддержкой GPRS (General Packet Radio Service) получили название 2,5G, а GSM-сети с поддержкой стандарта EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution) иногда называют сетями 2,75G.

В конце 1990-х в Японии и Южной Корее появились сети третьего поколения (3G). Основное отличие стандартов, на которых построены сети 3G, от предшественников – расширенные возможности скоростной передачи данных, что позволяет реализовывать в таких сетях новые сервисы, в частности, видеотелефонию. В 2002–2003 первые коммерческие сети 3G начали работать и в некоторых странах Западной Европы.

Хотя в настоящее время сети 3G существуют лишь в ряде регионов мира, в инженерно-технических лабораториях крупнейших компаний уже ведутся работы по созданию стандартов сотовой связи четвертого поколения. Во главу угла при этом ставится не только дальнейшее увеличение скорости передачи данных, но и повышение эффективности использования пропускной способности частотных диапазонов, выделенных для мобильной связи, чтобы получать доступ к сервисам могло большое количество абонентов, находящихся на ограниченной территории (что особенно актуально для мегаполисов).

Как работает

На основе сотового принципа организованы все современные системы мобильной связи. Сегодня практически все территории, достаточно плотно населенные людьми, покрыты сетью сотовых станций. Эти станции работают как ретрансляторы – принимают сигнал от наших телефонов и передают его другим станциям.

Пройдя через несколько сотовых ретрансляторов, сигнал попадает в телефон второго абонента, и мы слышим голос своего знакомого или близкого человека.

Зона действия одной станции ограничена мощностью ретрансляционной аппаратуры и составляет круг радиусом примерно 30 километров, если поблизости нет возвышенностей или высотных зданий, преграждающих путь сигналам.

В пределах крупных городов с высотной застройкой базовые станции приходится располагать гораздо ближе друг к другу из-за высокого уровня помех, создаваемых застройкой, линиями электропередачи, работающей техникой и т.д.

Откуда взялось название

Оптимальное расположение станций, обеспечивающее их минимальное количество при максимуме покрываемого пространства, напоминает рисунок пчелиных сот – правильные шестигранники. Поэтому мобильную связь раньше, в самом начале ее распространения, называли сотовой связью.

На самом деле это самая обычная и привычная для нас мобильная связь, которой мы пользуемся с помощью наших мобильных телефонов. Но если бы вдруг исчезли все соты, то связь сразу перестала бы работать, потому что без сотовых станций телефоны не смогут передавать сигналы и принимать их с других телефонов.

Какие стандарты 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.

Препятствия в развитии сотовой связи

Системные операторы разработали идею расщепления клеток. Когда зона обслуживания становится заполненной пользователями, этот подход используется для разделения одной зоны на более мелкие. Таким образом, городские центры могут быть разбиты на столько областей, сколько необходимо для обеспечения приемлемого уровня обслуживания.

Это препятствие связано с проблемой, возникшей, когда абонент сотовой связи во время вызова перемещался из одной ячейки в другую. Поскольку соседние зоны не используют одни и те же радиоканалы, вызов должен быть либо отброшен, либо переведен с одного радиоканала на другой, когда пользователь пересекает линию между соседними ячейками.

Общие сведения о базовой станции

Чтобы понять, что такое базовая станция, необходимо иметь представление из чего вообще состоят сотовые сети. Опыт развития мобильной технологии привёл к разделению функций и логической разбивке системы на три подсистемы. Каждая из которых это замкнутый элемент, выполняющий определенные обязанности. Это целесообразно, и позволяет эффективно контролировать работу, отслеживать неисправности и исправлять ошибки в процессе развития и эксплуатации мобильной связи.

Доступность, качество и непрерывность связи осуществляется благодаря трём подсистемам:

• эксплуатации и технического обслуживания — Operation Subsystem или OSS.
• коммутации — Switching Subsystem или SSS.
• базовых сотовых станций — Base Station Subsystem или BSS.

В общей системе подсистема OSS контролирует качество обмена данными и управляет всеми компонентами. Устранение неисправностей, управление нагрузкой и контроль работы оборудования осуществляются автоматически или в ручном режиме обслуживающим персоналом.

Подсистема коммутации это скелет всей сети GSM. Она обеспечивает коммутацию, регистрацию домашнего и гостевого месторасположения, аутентификацию абонентов.

И наконец, подсистема базовых сотовых станций. В её состав входят:

• Транскодеры — TRAU.
• Контроллеры — BSC.
• И непосредственно базовые сотовые станции — BTS.

Транскодеры и контроллеры помогают функционировать подсистеме, а на отдельные станции возложены следующие обязанности:

• Радиосвязь в определённой соте;
• Контроль качества обмена данными (связи);
• Обмен данными между собой;
• Управление мощностью сигнала.

Каждая базовая сотовая станция это центр соты, обеспечивающая передачу данных и создающая регламентированную зону обслуживания (покрытия). Отсюда и появилось название — сотовая связь.

Сама базовая сотовая станция это комплекс из антенны (антенн), радио модуля и блока питания. Антенны принимают и передают, радио модуль обрабатывает и усиливает сигнал, а блок питания снабжает базу электроэнергией. Располагают базовые антенны на зданиях и сооружениях, возвышенностях, мачтах, вышках до 300 м высотой и просто на столбах. В любом случае, самая заметная и выделяющаяся из общего пейзажа часть — это мачта с несколькими антеннами. Они окружают нас , часто мы просто их не замечаем. Но мобильный телефон работает, значит приёмо-передатчик где-то рядом.

Виды

Прежде всего, сотовые базовые станции различаются размерами. По этому параметру их можно поделить на:

• фемтосоты
• пико
• микро
• макро

Фемтосота – самая маленькая и её скорее можно назвать точкой доступа. Обычно оператор сотовой связи не имеет отношения к данному оборудованию, оно является собственностью потребителя, и обеспечивает связь для домохозяйства или предприятия. Устройство не требует вмешательства оператора, автоматически определяет радио параметры и подключения к сети операторов. Размещается внутри помещений и имеет размеры сопоставимые с домашними роутерами.

Следующие по размеру устройства, это базовые сотовые станции маленькой мощности – Пикосоты. Устройство сравнимо по размеру с ноутбуком или даже портативным компьютером. Используются в местах потенциально большой концентрации пользователей интернета для распространения локального сигнала сети IP/Ethernet. Устанавливаются в больших офисных зданиях, гипермаркетах, выставочных, бизнес и ярмарочных комплексах. Хотя и устанавливаются мобильными операторами, но еще не являются полноценными базовыми сотовыми станциями.

Следующей по размеру и уже вполне функциональная станция сотовой связи, это микросота. Обладая небольшими размерами и весом до 50 кг, обеспечивает связь в радиусе до 5 км.

Её габариты ограничивают количество поддерживаемых абонентов. Поэтому микросоты применяются в небольших населённых пунктах, для обеспечения локальных участков больших городов, там где нет необходимости в мощных излучателях или их некуда установить. Они практически незаметны на столбах. А в последнее время их научились еще и маскировать под деревья.

И наконец полноценные, мощные базовые сотовые станции, которые смонтированы повсюду. Особенно актуальна их установка на возвышенностях в городах. За городом мощные станции устанавливают чтобы обеспечить как можно больший радиус покрытия, потому что установка каждой связана с созданием хотя бы минимальной инфраструктуры. Это линия электропередачи и возможность подъезда для монтажа и обслуживания. Поэтому проще поставить одну мощную чем несколько небольших станций сотовой связи.

Зона действия каждой базовой сотовой станции зависит рельефа окружающей местности, высоты антенны, количества помех и препятствий в радиусе работы сотовой связи. Поэтому при планировании места установки радиус покрытия не всегда имеет первостепенную важность. Помимо перечисленных факторов учитывают ещё и возможный рост числа абонентов. Такой рост может спровоцировать ограничение на одновременное подключение сотовых телефонов. В этом случае операторам приходится уменьшать радиус действия установленной и дополнительно монтировать несколько станций сотовой связи.

Оборудование

Структурно все базовые станции gsm и lte состоят из трех основных компонентов. Это антенна, радио блок и система питания.

Визуально расположение базовой сотовой станции можно определить по антеннам. Это обязательный элемент устройства. Именно антенны принимают и передают сигналы между собой и абонентами. Антенна это очень важная часть базы, от которой зависит качество мобильной связи. Такие вышки с антеннами уже привычно вписались в городские и сельские пейзажи.

Для связи с сетью (соседними станциями) проводят оптоволокно. Если это сделать затруднительно или вовсе не представляется возможным, то на мачте устанавливается ещё и антенна релейной связи. Она имеет вид тарелки и немного похожа на спутниковые антенны.

С антенн сигнал поступает на радио блоки, которые устанавливаются открыто (наружно), либо в специальных помещениях.

Радио блоки в процессе работы греются. Поэтому установленные внутри аппаратных помещений требуют принудительного охлаждения с помощью кондиционера. Наружные охлаждаются естественным путём.

Третьей основной составляющей базовых станций является система питания. В неё входят преобразователь переменного тока в постоянный с управляющей и защитной аппаратурой. И конечно же аккумуляторы для бесперебойного питания.

Остальное оборудование обеспечивает нормальное функционирование основных систем, и находится в самом помещении либо рядом с ним в специальных шкафах или контейнерах. Это климат-контроль (кондиционер и обогреватель), система вентиляции и безопасности, противопожарные устройства и прочая вспомогательная аппаратура.

Принцип работы базовой станции, как они связываются между собой

Удобство пользования мобильной связью заключается в свободе передвижения. Мы можем идти пешком или ехать в автомобиле, при этом разговаривать по телефону. Мы передвигаемся, но связь не прерывается. Непрерывность обеспечивается за счет способности коммутатора или по другому Центра коммутации подвижной связи моментально переключать абонента из зоны действия одной базовой сотовой станции в другую. Это схематично видно на рисунке.

При этом абонент может передвигаться не прерывая разговор не только между антеннами, но от одного контроллера к другому. Эффективные технологии базовых станций позволят проехать тысячи километров не прерывая беседы. Если конечно хватит средств на роуминг.

При этом коммутаторы обеспечивают не только непрерывную связь в сети, но и оптимальное распределение нагрузки на базовые антенны. Это делается, чтобы обеспечить качественный сигнал, исключить перегрузку отдельных сегментов (сот) и снизить вероятность поломки оборудования.

Все это происходит моментально, задержка бывает только при начальном соединении и может составлять до трёх секунд. Так происходит потому, что должна произойти цепочка событий. А именно:

• Сигнал должен добраться до коммутатора.
• Он передает звонок на сторону получателя (в международные или междугородные сети, в городскую АТС, или другому оператору мобильной связи). Это происходит быстро при помощи оптоволоконных кабелей или радиорелейных каналов.
• Далее звонок поступает на коммутатор принимающей стороны. В этом коммутаторе уже есть данные о местонахождении вызываемого абонента. А именно — в какой соте находится и к какой базовой антенне ближе всего.
• И вот уже адресату поступил вызов.

Коротко можно сказать, что абоненты общаются между собой через БС, а сотовые станции соединяет Центр коммутации.

Вредоносность вышек сотовой связи

Вредны ли вышки сотовой связи? К сожалению, да. Микроволны могут влиять на электромагнитные поля вашего тела, вызывая множество потенциальных проблем со здоровьем:

1. Головные боли.
2. Потеря памяти.
3. Сердечно-сосудистый стресс.
4. Низкое количество сперматозоидов.
5. Врожденные дефекты.
6. Рак.

Какие перспективы развития мобильной связи

Дальнейшее развитие мобильной связи возможно по нескольким направлениям:

• создание принципиально новых технологий и протоколов передачи данных;
• доработка существующих стандартов передачи данных;
• разработка технологий и стандартов для «Интернета вещей».

С 2014 года в России и мире тестируют технологию Pre-5G. Скорость передачи данных во время экспериментальных замеров в России варьировалась от 4 до 35 Гбит/секунду.

В 2015 году Международный союз электросвязи разработал концепцию развитию сетей 5G IMT-2020. С тех пор полноценная инфраструктура пятого поколения появилась в Соединенных Штатах Америки, Китайской Народной Республике, Республике Корея, некоторых странах и городах Евросоюза.

Минимальная пропускная способность новой технологии в 136 раз выше максимальной для предыдущего поколения 4G. В тестовых сетях скорость передачи данных доходит до 25 Гбит/с. По оценкам специалистов, 5G позволит предоставить скорость в 100 Мбит/секунду для 1 миллиона устройств на 1 км².

Pre-5G и 5G в России

С 2016 года ПАО «МегаФон» и ПАО «Мобильные ТелеСистемы» тестирует Pre-5G совместно с международными компаниями Nokia и Huawei.

Главная сложность технологии 5G в том, что полоса сигнала гораздо шире, чем у предыдущих поколений сетей. Поэтому в России до сих пор не определили доступный диапазон частот для строительства сетей связи. Активно ведется дискуссия по поводу частот 3,4-3,8 ГГц. Они наиболее удобны из доступных в мире, но в Российской Федерации закреплены за специальными службами, государственным компаниями и стандартом беспроводного широкополосного доступа WiMAX. Правительство рассматривает варианты в диапазоне 4,79-5 ГГц.

Решением Государственной Комиссии по использованию радиочастот для тестирования инфраструктуры 5G в России выделен диапазон радиочастот 25,25-29,5 ГГц. Летом 2019 года в Москве начали тестирование пятого поколения сотовой связи. Первой экспериментальной площадкой выступит территория Морозовской детской городской клинической больницы. Инфраструктуру там уже выстроили операторы федеральной четверки – ПАО «Вымпел-Коммуникации», ПАО «МегаФон», ПАО «Мобильные ТелеСистемы» и ООО «Т2 Мобайл».

Окончательно освободить место в радиочастотном спектре под 5G Правительство РФ планирует в течение 2,5 лет. А Huawei обещает смартфоны с поддержкой 5G не раньше 2021 года.

С июля 2019 также ведется разработка российского программного обеспечения для взаимодействия с технологией 5G.

Интернет вещей

Internet of items (IoT) – концепция, при которой техника решает задачи без участия человека или с минимальным его вмешательством. Яркими примерами IoT являются умный дом и беспилотный автомобиль.

Сети связи пятого поколения первоначально проектировались и для «интернета вещей». 5G станет первым стандартом, который объединит IoT и выведет роботизацию процессов на новый уровень. Благодаря снижению времени задержки 5G можно использовать даже на беспилотном транспорте, двигающемся со скоростью до 500 км/ час.

Скорость развития технологий растет ежегодно. Если от 1G до 2G прошло около 16 лет, то теперь смена поколений происходит раз в 7-10 лет. Важно правильно и своевременно использовать новые технологии и вовремя отказываться от старых.

Место мобильной связи в мировой экономике

Коммуникации являются наиболее динамично развивающейся отраслью мировой экономики. Но мобильные коммуникации даже по сравнению с другими направлениями «телекома» развиваются опережающими темпами.

Еще в 2003 общее число мобильных телефонов на планете превысило количество стационарных аппаратов, подключенных к проводным сетям общего пользования. В некоторых странах количество абонентов мобильной связи уже в 2004 было больше числа жителей. Это означает, что некоторые люди использовали более одного «мобильного» – например, два сотовых телефона, обслуживаемых у разных операторов, или телефон для голосовой связи и беспроводной модем для мобильного доступа в Интернет. Кроме того, все больше модулей беспроводной связи требовалось для обеспечения технологических коммуникаций (в этих случаях абонентами являются не люди, а специализированные компьютеры).

В настоящее время операторы сотовой связи обеспечивают полное покрытие территории всех экономически развитых регионов планеты, однако экстенсивное развитие сетей продолжается. Новые базовые станции устанавливаются для улучшения приема в тех местах, где имеющаяся сеть по каким-либо причинам устойчивый прием обеспечить не может (например, в длинных тоннелях, на территории метрополитена и т.д.). Кроме того, сотовые сети постепенно проникают в регионы с низким уровнем доходов населения. Развитие технологий мобильной связи, сопровождающееся резким удешевлением оборудования и услуг, делает сотовые сервисы доступными все большему числу людей на планете.

Производство сотовых телефонов является одним из наиболее динамично развивающихся направлений индустрии высоких технологий.

Быстро растет и индустрия обслуживания мобильных телефонов, предлагающая аксессуары для персонификации аппаратов: от оригинальных звонков (рингтонов) до брелоков, графических заставок, наклеек на корпус, сменных панелей, чехлов и шнурков для ношения аппарата.