Что относится к мобильной связи
Что такое 1G, 2G, 3G, 4G и все что между ними
Трудно в это поверить, но когда-то мобильные телефоны действительно называли «телефонами», не смартфонами, не суперфонами… Они входят в ваш карман и могут делать звонки. Вот и все. Никаких социальных сетей, обмена сообщениями, загрузки фотографий. Они не могут загрузить 5-Мегапиксельную фотографию на Flickr и, конечно же, не могут превратиться в беспроводную точку доступа.
Конечно, те мрачные дни уже далеко позади, но по всему миру продолжают появляться перспективные беспроводные высокоскоростные сети передачи данных нового поколения, и многие вещи начинают казаться запутанными. Что же такое «4G»? Это выше, чем 3G, но означает ли, что лучше? Почему все четыре национальных оператора США неожиданно называют свои сети 4G? Ответы на эти вопросы требуют небольшой экскурсии в историю развития беспроводных технологий.
Для начала, «G» означает «поколение», поэтому когда вы слышите, что кого-то относят к «сети 4G», это означает, что они говорят о беспроводной сети, построенной на основе технологии четвертого поколения. Применение определения «поколения» в данном контексте приводит ко всей той путанице, в которой мы попробуем разобраться.
История начинается с появления в 1980-х годах нескольких новаторских сетевых технологий: AMPS в США и сочетание TACS и NMT в Европе. Хотя несколько поколений услуг мобильной связи существовали и раньше, тройка AMPS, TACS и NMT считается первым поколением (1G), потому что именно эти технологии позволили мобильным телефонам стать массовым продуктом.
Во времена 1G никто не думал об услугах передачи данных — это были чисто аналоговые системы, задуманные и разработанные исключительно для осуществления голосовых вызовов и некоторых других скромных возможностей. Модемы существовали, однако из-за того, что беспроводная связь более подвержена шумам и искажениям, чем обычная проводная, скорость передачи данных была невероятно низкой. К тому же, стоимость минуты разговора в 80-х была такой высокой, что мобильный телефон мог считаться роскошью.
Отдельно хочется упомянуть первую в мире автоматическую систему мобильной связи «Алтай», которая была запущена в Москве в 1963 году. «Алтай» должен был стать полноценным телефоном, устанавливаемым в автомобиле. По нему просто можно было говорить, как по обычному телефону (т.е. звук проходил в обе стороны одновременно, т.н. дуплексный режим). Чтобы позвонить на другой «Алтай» или на обычный телефон, достаточно было просто набрать номер — как на настольном телефонном аппарате, без всяких переключений каналов или разговоров с диспетчером. Аналогичная система в США, IMTS (Improved Mobile Telephone Service), была запущена в опытной зоне на год позже. А коммерческий ее запуск состоялся лишь в 1969 году. Между тем в СССР к 1970 году «Алтай» был установлен и успешно работал уже примерно в 30 городах. Кстати, в Воронеже и Новосибирске система действует до сих пор.
В начале 90-х годов наблюдается подъем первых цифровых сотовых сетей, которые имели ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми системами. Улучшенное качество звука, бОльшая защищенность, повышенная производительность — вот основные преимущества. GSM начал свое развитие в Европе, в то время как D-AMPS и ранняя версия CDMA компании Qualcomm стартовали в США.
Эти зарождающиеся 2G стандарты пока не имеют поддержки собственных, тесно интегрированных, услуг передачи данных. Многие из таких сетей поддерживают передачу коротких текстовых сообщений (SMS), а также технологию CSD, которая позволила передавать данные на станцию в цифровом виде. Это фактически означало, что вы могли передавать данные быстрее — до 14,4 кБит/с, что было сравнимо со скоростью стационарных модемов в середине 90-х.
Для того, чтобы инициировать передачу данных с помощью технологии CSD, необходимо было совершить специальный «вызов». Это было похоже на телефонный модем — вы или были подключены к сети, или нет. В условиях того, что тарифные планы в то время измерялись в десятках минут, а CSD была сродни обыкновенному звонку, практической пользы от технологии почти не было.
Появление сервиса «General Packet Radio Service» (GPRS) в 1997 году стало переломным моментом в истории сотовой связи, потому что он предложил для существующих GSM сетей технологию непрерывной передачи данных. С использованием новой технологии, вы можете использовать передачу данных только тогда, когда это необходимо — нет больше глупой CSD, похожей на телефонный модем. К тому же, GPRS может работать с большей, чем CSD, скоростью — теоретически до 100 кБит/с, а операторы получили возможность тарифицировать трафик, а не время на линии.
GPRS появился в очень подходящий момент — когда люди начали непрерывно проверять свои электронные почтовые ящики.
Это нововведение не позволило добавить единицу к поколению мобильной связи. В то время, как технология GPRS уже была на рынке, Международный Союз Электросвязи (ITU) составил новый стандарт — IMT-2000 — утверждающий спецификации «настоящего» 3G. Ключевым моментом было обеспечение скорости передачи данных 2 МБит/с для стационарных терминалов и 384 кБит/с для мобильных, что было не под силу GPRS.
Таким образом, GPRS застрял между поколениями 2G, которое он превосходил, и 3G, до которого не дотягивал. Это стало началом раскола поколений.
3G, 3.5G, 3.75G… и 2.75G тоже
В дополнение к вышеупомянутым требованиям к скорости передачи данных, спецификации 3G призывали обеспечить легкую миграцию с сетей второго поколения. Для этого, стандарт, называемый UMTS стал топовым выбором для операторов GSM, а стандарт CDMA2000 обеспечивал обратную совместимость. После прецедента с GPRS, стандарт CDMA2000 предлагает собственную технологию непрерывной передачи данных, называемую 1xRTT. Смущает то, что, хотя официально CDMA2000 является стандартом 3G, он обеспечивает скорость передачи данных лишь немногим больше, чем GPRS — около 100 кБит/с.
Стандарт EDGE — Enhanced Data-rates for GSM Evolution — был задуман как легкий способ операторов сетей GSM выжать дополнительные соки из 2.5G установок, не вкладывая серьезные деньги в обновление оборудования. С помощью телефона, поддерживающего EDGE, вы могли бы получить скорость, в два раза превышающую GPRS, что вполне неплохо для того времени. Многие европейские операторы не стали возиться с EDGE и были приверженцами внедрения UMTS.
Итак, куда же отнести EDGE? Это не так быстро, как UMTS или EV-DO, так что вы можете сказать, что это не 3G. Но это явно быстрее, чем GPRS, что означает, что она должна быть лучше, чем 2.5G, не так ли? Действительно, многие люди назвали бы EDGE технологией 2.75G.
Спустя десятилетие, сети CDMA2000 получили обновление до EV-DO Revision A, которая предлагает немного более высокую входящую скорость и намного выше исходящую скорость. В оригинальной спецификации, которая называется EV-DO Revision 0, исходящая скорость ограничена на уровне 150 кБит/с, новая версия позволяет делать это в десять раз быстрее. Таким образом, мы получили 3.5G! То же самое для UMTS: технологии HSDPA и HSUPA позволили добавить скорость для входящего и исходящего траффика.
Дальнейшие усовершенствования UMTS будут использовать HSPA+, dual-carrier HSPA+, и HSPA+ Evolution, которые теоретически обеспечат пропускную способность от 14 МБит/с до ошеломительных 600 МБит/с. Итак, можно ли сказать что мы попали в новое поколение, или это можно назвать 3.75G по аналогии с EDGE и 2.75G?
4G — кругом обман
Подобно тому, как было со стандартом 3G, ITU взяла под свой контроль 4G, привязав его к спецификации, известной как IMT-Advanced. Документ призывает к скорости входящих данных в 1 ГБит/с для стационарных терминалов и 100 МБит/с для мобильных. Это в 500 и 250 раз быстрее по сравнению с IMT-2000. Это действительно огромные скорости, которые могут обогнать рядовой DSL-модем или даже прямое подключение к широкополосному каналу.
Беспроводные технологии играют ключевую роль в обеспечении широкополосного доступа в сельской местности. Это более рентабельно — построить одну станцию 4G, которая обеспечит связь на расстоянии десятков километров, чем покрывать сельхозугодья одеялом из оптоволоконных линий.
К сожалению, эти спецификации являются настолько агрессивными, что ни один коммерческий стандарт в мире не соответствует им. Исторически сложилось, что технологии WiMAX и Long-Term Evolution (LTE), которые призваны добиться такого же успеха как CDMA2000 и GSM, считаются технологиями четвертого поколения, но это верно лишь отчасти: они оба используют новые, чрезвычайно эффективные схемы мультиплексирования (OFDMA, в отличие от старых CDMA или TDMA которые мы использовали на протяжении последних двадцати лет) и в них обоих отсутствует канал для передачи голоса. 100 процентов их пропускной способности используется для услуг передачи данных. Это означает, что передача голоса будет рассматриваться как VoIP. Учитывая то, как сильно современное мобильное общество ориентировано на передачу данных, можно считать это хорошим решением.
Где WiMAX и LTE терпят неудачу, так это в скорости передачи данных, у них эти значения теоретически находятся на уровне 40 МБит/с и 100 МБит/с, а на практике реальные скорости коммерческих сетей не превышают 4 МБит/с и 30 МБит/с соответственно, что само по себе очень неплохо, однако не удовлетворяет высоким целям IMT-Advanced. Обновление этих стандартов — WiMAX 2 и LTE-Advanced обещают сделать эту работу, однако она до сих пор не завершена и реальных сетей, которые их используют, по-прежнему не существует.
Тем не менее, можно утверждать, что оригинальные стандарты WiMAX и LTE достаточно отличаются от классических стандартов 3G, чтобы можно было говорить о смене поколений. И действительно, большинство операторов по всему миру, которые развернули подобные сети, называют их 4G. Очевидно, это используется в качестве маркетинга, и организация ITU не имеет полномочий противодействовать. Обе технологии (LTE в частности) скоро будут развернуты у многих операторов связи по всему миру в течение нескольких следующих лет, и использование названия «4G» будет только расти.
И это еще не конец истории. Американский оператор T-Mobile, который не объявлял о своем намерении модернизировать свою HSPA сеть до LTE в ближайшее время, решил начать брендинг модернизации до HSPA+ как 4G. В принципе, этот шаг имеет смысл: 3G технология в конечном счете может достигнуть скоростей, больших, чем просто LTE, приближаясь к требованиям IMT-Advanced. Есть много рынков, где HSPA+ сеть T-Mobile быстрее, чем WiMAX от оператора Sprint. И ни Sprint, ни Verizon, ни MetroPCS — три американских оператора с живой WiMAX/LTE сетью — не предлагают услуги VoIP. Они продолжают использовать свои 3G частоты для голоса и будут делать это еще в течении некоторого времени. Кроме того, T-Mobile собирается обновиться до скорости 42 МБит/с в этом году, даже не касаясь LTE!
Возможно, именно этот шаг T-Mobile вызвал глобальное переосмысление того, что же на самом деле означает «4G» среди покупателей мобильных телефонов. AT&T, которая находится в процессе перехода на HSPA+ и начнет предлагать LTE на некоторых рынках в конце этого года, называет обе эти сети 4G. Таким образом, все четыре национальных оператора США украли название «4G» у ITU — они его взяли, убежали с ним и изменили.
Выводы
Итак, что же это все нам дает? Похоже, операторы выиграли эту битву: ITU недавно отступил, заявив, что термин 4G «может быть применен к предшественникам этой технологии, LTE и WiMAX, а также другим эволюционировавшим 3G технологиям, обеспечивающим существенное повышение производительности и возможностей по сравнению с начальной системой третьего поколения». И в некотором смысле мы считаем, что это справедливо — никто не будет спорить, что так называемые «4G» сети сегодня напоминают сети 3G 2001 года. Мы можем передавать потоковое видео очень высокого качества, загружать большие файлы в мгновение ока и даже, в определенных условиях, использовать некоторые из этих сетей как замену DSL. Это звучит как скачок поколений!
Не известно, будут ли WiMAX 2 и LTE-Advanced называться «4G» к тому времени, когда они станут доступны, но думаю, что нет — возможности этих сетей будут сильно отличаться от сетей 4G, которые существуют сегодня. И давайте быть честными: отделы маркетинга не испытывают недостатка в названиях поколений.
Литература
UPDATE: Добавлена информация о системе мобильной связи «Алтай».
Принцип работы сотовой связи
Как работает сотовая связь
Сотовая связь — разновидность радиосвязи. Между устройством, отправляющим сигнал, и устройством, принимающим его, находятся базовые станции, которые ретранслируют сигнал. Этих станций очень много, и они размещены так, чтобы их «круги охвата» краями накладывались друг на друга.
Даже если мы не совершаем звонков, телефон постоянно поддерживает сигнал с базовыми станциями. Поймав сигнал, испускаемый станцией, телефон в ответ отправляет свой идентификационный код, уникальный для каждого.
Как устроена сотовая связь 3G/4G
Для сотовой 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 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).
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.
Ккаждый 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 предпочитают ставить больше БС для улучшения качества связи.
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. 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.
Для обеспечения оптимального покрытия радиосигналом на уровне земли, базовые станции проектируются специальным образом. 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.
Технологии со временем сильно развились и достаточно вот такой небольшой комнаты с несколькими специалистами, чтобы наблюдать за работой всей сети в Москве.
Оборудование на самом деле выглядит необычно, по его виду можно предположить все что угодно.
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.
Принцип работы мобильной коммуникации
Каждый мобильный телефон использует отдельный временный радиоканал для связи с сотовым сайтом. Этот сайт поддерживает коммуникацию со многими телефонами одновременно, используя один канал на один телефон. Каналы используют пару частот сотовой связи:
Принцип работы сотовой связи
Процесс начинается с активации чипа при введении ПИН-кода вставляемой SIM-карты. Затем осуществляется передача сигнала сотовой связи по управляющим каналам. Ответ вызываемого номера передается по свободному каналу управления на антенну базовой станции, откуда идет передача в центр коммутации подвижной связи.
Ранняя архитектура системы телефонной связи
Традиционная мобильная служба была структурирована аналогично телевизионному радиовещанию: один очень мощный передатчик, расположенный в самой высокой точке области, будет транслировать в радиусе до пятидесяти километров.
Концепция сотовой связи структурировала сеть телефонной связи по-другому. Вместо использования одного мощного передатчика многие маломощные передатчики были размещены по всей зоне покрытия сотовой связи.
Система мобильной коммуникации с использованием концепции сотовой связи
Проблемы с помехами, вызванные мобильными устройствами, использующими один и тот же канал в смежных областях, доказали, что все каналы не могут повторно использоваться в каждой соте.
Инженеры обнаружили, что влияние помех было связано не с расстоянием между зонами, а с отношением расстояния к мощности (радиусу) передатчиков зон. Сокращая радиус зоны на пятьдесят процентов, поставщики услуг могут увеличить число потенциальных клиентов в зоне в четыре раза. онцепция сотовой связи использует переменные уровни низкой мощности, что позволяет подбирать ячейки в соответствии с потребностями.
Частоты сотовой связи, используемые в одном кластере ячеек, могут быть повторно использованы в других ячейках. Разговоры могут передаваться из ячейки в ячейку, чтобы поддерживать постоянную телефонную связь, когда пользователь перемещается между ними.
Архитектура сотовой системы
В современной сотовой телефонии сельские и городские районы делятся на районы в соответствии с конкретными правилами предоставления услуг.
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.
Компоненты сотовой системы
Система сотовой связи состоит из следующих четырех основных компонентов, которые работают совместно для предоставления абонентам услуг мобильной связи:
Термин «сотовый сайт» используется для обозначения физического местоположения радиооборудования, которое обеспечивает покрытие в ячейке. Список аппаратного обеспечения, расположенного на сотовой станции, включает источники питания, интерфейсное оборудование, радиочастотные передатчики и приемники и антенные системы.
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:
Принцип действия сотовой связи
Основные составляющие сотовой сети — это сотовые телефоны и базовые станции, которые обычно располагают на крышах зданий и вышках. Будучи включённым, сотовый телефон прослушивает эфир, находя сигнал базовой станции. После этого телефон посылает станции свой уникальный идентификационный код. Телефон и станция поддерживают постоянный радиоконтакт, периодически обмениваясь пакетами. Связь телефона со станцией может идти по аналоговому протоколу (AMPS, NAMPS, NMT-450) или по цифровому (DAMPS, CDMA, GSM, UMTS). Если телефон выходит из поля действия базовой станции (или качество радиосигнала сервисной соты ухудшается), он налаживает связь с другой.
Сотовые сети могут состоять из базовых станций разного стандарта, что позволяет оптимизировать работу сети и улучшить её покрытие.
Услуги сотовой связи
Операторы сотовой связи предоставляют следующие услуги:
Принцип работы мобильного телефона
Рис.1 Принцип работы сотового телефона
Сотовый телефон – это приёмо-передатчик, работающий на одной из частот в диапазоне 850МГц, 900МГц, 1800МГц, 1900МГц. Причём приём и передача разнесены по частотам.
Все сигналы кодека обрабатываются очень полезным алгоритмом на основе принципа DTX (Discontinuous Transmission) – прерывистой передачи речи. Его полезность заключается в том, что он управляет передатчиком телефона, включая его только в том момент, когда начинается произношение речи и отключает в паузах между разговором. Всё это достигается с помощью включенного в кодек VAD (Voice Activated Detector) –детектор активности речи.
У принимаемого абонента все преобразования происходят в обратном порядке.
Устройство мобильного телефона и его основные функциональные узлы (модули).
Любой мобильный телефон – это сложное техническое устройство, состоящее из множества функционально законченных модулей. Выход из строя хотя бы одного модуля влечёт за собой минимум – частичную неисправность аппарата, максимум – телефон полностью неработоспособен.
Схематически мобильный телефон выглядит так:
Рис.2 Устройство сотового телефона
1. Аккумуляторная батарея (АКБ) – основной (первичный) источник питания телефона. В процессе эксплуатации имеет одно неприятное свойство – старение, т.е. потеря ёмкости, увеличение внутреннего сопротивления.
АКБ мобильного телефона состоит из 2-х частей: собственно батареи и маленькой платы электроники-автоматики.
Рис.3 Устройство аккумуляторной батареи
Плата электроники выполняет защитную функцию, защищая батарею и телефон от таких ситуаций, как:
— короткое замыкание (КЗ) питающих клемм аккумулятора;
— перегрев батареи в процессе зарядки и эксплуатации;
— разряд батареи ниже установленной минимально допустимой нормы;
Рис.4 Расположение контактов АКБ
Расположение контактов у разных производителей может отличаться.
Основные характеристики АКБ:
— ёмкость – для современных телефонов примерно от 700мА до 2000мА и более.
2. Контроллер питания – служит для преобразования напряжения АКБ в несколько видов напряжений для питания отдельных узлов и устройств телефона, а также управляет процессом зарядки АКБ. Совместно с процессором активирует встроенные в него или же внешние усилители звука разговорного динамика, микрофона, буззера (полифонического громкоговорителя), обеспечивает обмен данными с SIM-картой.
3. SIM-holder (sim – коннектор) – держатель SIM – карты. Служит для подключения SIM – карты к телефону. Имеет в себе 6 (редко 8) подпружиненных контактов, с помощью которых осуществляется электрическая связь SIM – карты и контроллера питания либо процессора.
Динамик (разговорный динамик) – служит для преобразования электрических сигналов в звуковые колебания. То есть работает в обратном порядке микрофона. Один абонент говорит в микрофон, который преобразовывает голос в эл. сигналы, далее эти сигналы преобразовываются (см. описание выше), излучаются в эфир. Второй абонент принимает эти сигналы телефоном и слышит их в динамике телефона.
Спикер(буззер, звонок, полифонический динамик) – тот же динамик, предназначеный для воспроизведения мелодии звонка, СМС, MP3 и т.д. Но может использоваться и для разговора.
RAM – память (ОЗУ ). Служит для временного хранения данных. В ней хранятся результаты вычислений и обработки информации в конкретный текущий момент (например, прослушивание музыки, воспроизведение видео, работа приложений, игр и т.д.) За ненадобностью память очищается от одних данных и загружает новые и так постоянно.
Клавиатурный модуль – стандартная цифровая клавиатура для набора номера абонента, текста, смс + набор дополнительных кнопок, которые выполняют определённые программным обеспечением телефона функции, например регулировку уровня громкости, запуск программ, фотокамеры, диктофона и т.д.
LCD –дисплей – экран телефона.
Усилитель мощности – предназначен для усиления сигнала, вырабатываемого приёмопередатчиком, до уровня мощности, необходимого для излучения антенной в эфир.
Антенна – предназначена для накопления энергии, излучаемой базовой станцией и последующей передачи её в цепи приёмного тракта. При передаче сигнала всё наоборот: с передатчика сигнал усиливается усилителем мощности и подаётся в антенну, которая излучает сигнал в эфир.
Как работает мобильная связь: ликбез
Обратите внимание на промышленные здания, городские высотки и специальные вышки. На них располагаются большие серые прямоугольные блоки с торчащими антеннами разных форм. Это приемо-передающие операторов сотовой связи. От антенны сигнал по кабелю передается непосредственно в управляющий блок станции. Вместе они и образуют базовую станцию [антенны и управляющий блок].
В свою очередь, контроллеры кабелями подключены к «мозговому центру» – коммутатору. Коммутатор обеспечивает выход и вход сигналов на городские телефонные линии, на других операторов сотовой связи, а также операторов междугородней и международной связи.
Когда человек передвигается по улице пешком или идет на автомобиле, поезде и т.д. и при этом еще и разговаривает по телефону, важно обеспечить непрерывность связи. Как работает сотовая связь
Несмотря на своё название, пчёлы в функционировании сотовой связи никак не задействованы. Сотовой связь называется потому, что территория, на которой обеспечивается связь, разбивается на отдельные ячейки или соты.
Каждая такая станция способна поймать сигнал от сотового телефона на расстоянии до 35 километров.
Антенна базовой станции разбита на несколько участков, каждый из которых направлен в свою сторону.
Антенна может включать в себя до шести секторов, каждый из которых в состоянии обрабатывать до 72 звонков одновременно.
То есть теоретически одна базовая станция может обрабатывать до 432 звонков, правда на практике используется меньшее количество секторов антенны.
Провода от антенн тянутся в специальный домик, который по сути и является базовой станцией.
Физически она выполнена в виде двух железных шкафов, установленных в помещениях с хорошей системой вентиляции.
Как правило, базовые станции устанавливаются на чердаках или крышах в специальных контейнерах.
За городом антенны базовых станций как правило устанавливают на антенно-мачтовых сооружениях.
Это наиболее эффективный способ обеспечить связью трассы и большие территории за пределами города.
В этом случае базовые станции располагаются в специализированных вагончиках около вышек.
Провода спускаются от антенн и проникают в помещение.
С базовых станций вызов переводится на центральный контроллер, где и происходит установление соединения с нужным абоненту направлением.
Контроллер и базовая станция связываются по оптическому или радиорелейному каналам. Один контроллер способен обслуживать до шестидесяти базовых станций.
Ниже вы можете увидеть, что из себя представляет коммутатор:
Коммутаторы размещают в больших помещениях, заполненных металлическими шкафами с оборудованием.
Задача коммутатора состоит в управлении трафиком. Если раньше чтобы поговорить друг с другом, абонентам нужно было сначала связываться с телефонисткой, которая затем вручную переставляла нужные провода, то теперь с ее ролью отлично справляется коммутатор.
Базовые станции сотовой связи и их антенная
Базовые станции. Общие сведения
Так выглядят антенны сотовой связи, установленные на крышах зданий. Эти антенны являются элементом базовой станции (БС), а конкретно – устройством для приема и передачи радиосигнала от одного абонента к другому, и далее через усилитель к контроллеру базовой станции и другим устройствам.
Подключение базовой станции к сети оператора связи может производиться по радиорелейной связи, поэтому рядом с «прямоугольными» антеннами блоками БС можно увидеть радиорелейную тарелку.
С переходом на более современные стандарты четвертого и пятого поколений, для удовлетворения их требований, подключать станции нужно будет исключительно по волоконной оптике. В современных конструкциях БС оптоволокно становится неотъемлемой средой передачи информации даже между узлами и блоками самой БС.
Оборудование базовой станции располагается в нежилых помещениях здания, либо устанавливается в специализированные контейнеры (закрепленные на стенах или столбах), ведь современное оборудования выполняется довольно компактно и может запросто поместиться в системный блок серверного компьютера.
Зона обслуживания базовых станций
Есть различные типы базовых станций: макро, микро, пико и фемтосоты. Фемтосота не является базовой станцией. Это, скорее, Access Point (точка доступа). Данное оборудование изначально ориентируется на домашнего или офисного пользователя. Фемтосота имеет габариты домашнего роутера:
Пикосота – это БС малой мощности, принадлежащая оператору и использующая в качестве транспортной сети IP/Ethernet. Обычно устанавливается в местах возможной локальной концентрации пользователей. Устройство по размерам сравнимо с небольшим ноутбуком:
Макросота – стандартная базовая станция, на базе которой строятся мобильные сети. Она характеризуется мощностями порядка 50 W и радиусом покрытия до 100 км (в пределе).
Антенны базовых станций. Заглянем внутрь
В сотовой связи чаще всего используют секторные панельные антенны, которые имеют диаграмму направленности (ДН) шириной в 120, 90, 60 и 30 градусов. Соответственно, для организации связи во всех направлениях (от 0 до 360) может потребоваться 3 (ширина ДН 120 градусов) либо 6 (ширина ДН 60 градусов) антенных блоков.
А ниже вид типовых диаграмм направленности в логарифмическом масштабе.
Большинство антенн базовых станций широкополосные, позволяющие работать в одном, двух или трех диапазонах частот. Один из эффективных методов управления излучаемой мощностью – это управление углом наклона антенны, что позволяет изменить площадь облучения диаграммы направленности.
Антенны могут иметь фиксированный угол наклона, либо имеют возможность дистанционной регулировки с помощью специального программного обеспечения, располагаемого в блоке управления БС, и встроенных фазовращателей.
С учетом современных реалий развития беспроводных технологий, базовые станции должны поддерживать работу 2G, 3G и LTE сетей. И если блоки управления базовых станций сетей разных поколений удается вместить в один коммутационный шкаф без увеличения габаритного размера, то с антенной частью возникают значительные трудности.
Например, в многодиапазонных антенных панелях количество коаксиальных соединительных линий достигает 100 метров!
С целью снижения электрических потерь и уменьшения точек пайки часто делают микрополосковые линии, это позволяет выполнить диполи и систему запитки всей антенны по единой печатной технологии.
Многодиапазонные антенны
С развитием сетей связи третьего и четвертого поколений требуется модернизация антенной части как базовых станций, так и сотовых телефонов. Антенны должны работать в новых дополнительных диапазонах, превышающих 2.2 ГГц.
В качестве примера рассмотрим конструкцию излучателей двухдиапазонной антенны базовой станции сотовой связи Powerwave, работающей в диапазонах 824-960, МГц и 1710-2170, МГц. Ее внешний вид показан на рисунке ниже:
Этот двухдиапазонный облучатель состоит из двух металлических пластин. Та, что большего размера работает в нижнем диапазоне 900 МГц, над ней расположена пластина с щелевым излучателем меньшего размера. Обе антенны возбуждаются щелевыми излучателями и таким образом имеют единую линию запитки.
Если в качестве излучателей используются дипольные антенны, то необходимо ставить отдельный диполь для каждого диапазона волн. Отдельные диполи должны иметь свою линию запитки, что, конечно же, снижает общую надежность системы и увеличивает энергопотребление. Примером такой конструкции является антенна Kathrein. Проектирование многодиапазонной антенны производят поэтапно.
Широкополосная антенна типа «бабочка» может быть удачно использована как основа для трехдиапазонной печатной антенны. На рисунке ниже изображены четыре различных варианта ее конфигурации.
Приведенные конструкции антенн отличаются формой реактивного элемента, который применяется для расширения рабочей полосы частот по согласованию. Каждый слой такой трехдиапазонной антенны представляет собой микрополосковый излучатель заданных геометрических размеров. Чем ниже частоты – тем больше относительный размер такого излучателя.
Таким образом, диполи для нижнего диапазона частот находятся как бы внутри диполей верхнего диапазона.
Для реализации трех- и более диапазонного режимов работы наибольшей технологичностью обладают печатные многослойные антенны. В таких антеннах каждый новый слой работает в довольно узком диапазоне частот. Такая «многоэтажная» конструкция изготавливается из печатных антенн с индивидуальными излучателями.
Принцип работы сотовой связи
Рис. 1 – Основные составляющие систем сотовой связи
Для вызова соответствующего абонента всеми базовыми станциями сотовой системы связи по управляющим каналам передается сигнал вызова. Сотовый телефон вызываемого абонента при получении этого сигнала отвечает по одному из свободных каналов управления.
По мере удаления абонента от базовой станции или в связи с ухудшением условий распространения радиоволн уровень сигнала уменьшается, что ведет к ухудшению качества связи. Улучшение качества разговора достигается путем автоматического переключения абонента на другой канал связи. Это происходит следующим образом. Специальная процедура, называемая передачей управления вызовом или эстафетной передачей (в иностранной технической литературе — handover, или handoff), позволяет переключить разговор на свободный канал другой базовой станции, в зоне действия которой оказался в это время абонент.
Рис. 2 – Распределение частот в диапазонах 900 МГц и 1800 МГц
Мобильная связь
«АНАТОМИЯ»
Передача данных осуществляется по радиоканалам. Сеть GSM работает в диапазонах частот 900 или 1800 МГц. Например, при диапазоне 900МГц подвижной абонентский аппарат передает на одной из частот, лежащих в диапазоне 890-915 МГц, а принимает на частоте, лежащей в диапазоне 935-960 МГц. Для других частот принцип тот же, изменяются только численные характеристики.
Кроме каналов, передающих полезную информацию, существует еще ряд каналов, передающих сигналы управления. Реализация таких каналов и их работа требуют четкого управления, которое реализуется программными средствами.