GSM-модуль для управления: описание, виды, применение, рейтинги

Что такое gsm

GSM (Global System for Mobile Communications) — это международный стандарт связи второго поколения 2G, цифровая сеть, которая используется мобильными операторами для передачи в ней данных. Используется по всему миру и поддерживается практически всеми мобильными телефонами. Данные передаются в беспроводном формате, поэтому провода не нужны.

Переводится, как глобальная система мобильной связи. Основана на разделение каналов по времени TDMA и частоте FDMA. Является сетью второго поколения, означает цифровую связь.

https://www.youtube.com/watch?v=LkdC_nv30gg

GSM-сетями на данный момент пользуется около 80% телефонов по всему миру, как основными, чтобы осуществлять беспроводные звонки. Всего есть три основных и используемых сети: GSM, TDMA и CDMA. Именно первая является наиболее используемой и популярной.

GSM в отличие от того же CDMA предлагает более широкие возможности для международного роуминга. Так, как на его долю приходится 80% всего рынка. Также, технология позволяет одновременно передавать данные и совершать звонки.

Работает на частоте: 800/900/1800/1900 МГц. Практически все современные телефоны поддерживают эти частоты без проблем. Сигнал распространяется на расстояние в 35 км от базовой станции/вышки. А средняя скорость передачи данных — до 20 кбит/сек.

Включает в себя надстройки: GPRS и EDGE. Они позволяют передавать данные в пакетном формате и увеличивают скорость передачи. Также их называют 2.5G и 2.75G. Именно с их помощью с телефона можно выходить и во всемирную паутину.

Интересно! Данные передаются в сжатом виде, это связано с низкой пропускной способностью канала, поэтому качество звука не очень хорошее.

Наряду с другими технологиями, является частью эволюции беспроводной мобильной связи, которая включает высокоскоростную передачу данных с коммутацией каналов (HSCSD), общую систему пакетной радиосвязи (GPRS), улучшенную среду GSM данных (EDGE) и универсальную службу мобильной связи. (UMTS).

Аппаратура

Следующим этапом стал монтаж всей необходимой аппаратуры и прокладка кабелей. Полный список установленного оборудования:

В результате станция приобрела довольно величественный вид, особенно в сравнении с самим зданием:

На станцию подаётся питание напряжением 380 В (3 фазы), которое потом преобразовывается в 48 В. Мощность взята с запасом — до 10 кВт. Питание подводится в отдельный шкафчик.

Откроем дверцу аппаратного шкафа. В неё встроен кондиционер (сверху) и обогреватель (снизу).

В шкафу в течение всего года поддерживается температура 18…20 градусов Цельсия. Это необходимо для бесперебойной работы оборудования и длительной службы аккумуляторов (они расположены внизу).

Аккумуляторы предназначены для обеспечения работы станции в течение примерно суток в случае отключения внешнего питания.

Сверху находится коммутационный блок и преобразователь напряжения.

Передача информации между системными модулями и приёмо-передатчиками (о них ниже) осуществляется через оптоволоконные кабели. Вот так выглядит разъём в коммутационном блоке. Его ни в коем случае нельзя трогать руками, волокно очень чувствительно к повреждениям и загрязнению.

Все базовые станции сотовой связи подключены к единой информационно оптоволоконной сети, протянутой по всей Москве. Белая бухта под аппаратным шкафом — это как раз кабель, через который подключена данная станция.

Справа от шкафа расположены системные модули GSM, CDMA и LTE:

Эти модули являются сердцем базовой станции, они принимают сигнал с антенн и осуществляют его преобразование и сжатие с дальнейшей пересылкой. Им не страшны осадки, все разъёмы герметизированы, а рабочий диапазон температур от 60 до -50.

Под системными модулями расположены грозоразрядники, которые предотвращают выгорание аппаратуры в случае удара молнии:

Справа над модулями расположены бухты оптоволоконного кабеля, с помощью которого они соединяются с приёмо-передатчиками на вышке.

Перейдём к вышке. На ней установлены приёмо-передатчики отдельно для каждого диапазона (GSM, CDMA и LTE). Они усиливают сигнал от крайне малых значений до 115-120 дБ. Из аппаратного шкафа к ним подводится питание:

Продолговатые вертикальные «ящики» — это и есть антенны. Сзади они экранированы, чтобы защитить обслуживающий персонал от электромагнитного излучения. Поднимемся на площадку.

Приёмо-передатчик GSM:

Приёмо-передатчик CDMA:

Приёмо-передатчик LTE:

По краям к приёмо-передатчику подключены оптоволоконные кабели, в центре — электропитание:

Заземление выведено на вышку:

Кабельные разъёмы и их заглушки на антенне:

Принципиальная схема коммутации оборудования базовой станции:

Мы уже упоминали о том, что проектирование и постройка базовой станции сотовой связи является совсем не таким простым делом, как кажется непосвящённым. Здесь множество нюансов, которые связаны и с конкретным местоположением станции. Например, передача радиосигнала над большой водной поверхностью ухудшается, хотя должно быть наоборот, ведь никаких препятствий нет.

Но дело в том, что над поверхностью земли распространяется электромагнитное поле, а большой объём воды работает своеобразным конденсатором, над которым усиливаются помехи радиосигналу. И таких тонкостей множество, поэтому от профессионализма проектировщиков и монтажников напрямую зависит эффективность работы базовой станции.

Бпла (дроны)

Телехирургия выставляет высокие требования к задержкам и надежности связи, но есть еще одна сфера требующая ко всему прочему и массовость подключения – БПЛА (Беспилотные Летательные Аппараты или «дроны»). Сегодня никого не удивишь легкими беспилотными дронами самых разных назначений – от развлекательных до специализированных военных дронов.

В разрезе внедрения 5G, в прогрессивных странах со стороны регулирующих органов к данной теме уже сегодня обращено серьезное внимание, в связи с чем проводятся работы по стандартизации и обеспечению безопасности в этой сфере. К примеру, в Европе существует специальная экспертная группа 5G PPP (5G Infrastructure Public Private Partnership, www.5g-ppp.

eu/5gdrones) на базе Европейcкой Комиссии и представителей индустрии информационно-коммуникационных технологий (операторы, провайдеры, институты, малый и средний бизнес) из Британии, Франции, Швейцарии, Австрии, Финляндии, Греции, Польши и Эстонии.

При наличии стандартов, регулирующих массовый оборот дронов, систем искусственного интеллекта, надежного, постоянного и быстрого беспроводного канала связи 5G для целого улья дронов, можно раскрыть новые рынки и сервисы в самых разных сферах. Представьте: дрон-курьеры, разносящие еду из магазинов или важные медикаменты в труднодоступные места; дроны-спасатели, ищущие потерявшихся в лесу или море людей и днем, и ночью; дроны-пожарные, тушащие очаги возгорания еще на начальной стадии; агрокоптеры, опрыскивающие зерновые культуры – и все в глобальном масштабе, а не в частных случаях.

Швейцарский почтовый дрон Swiss Post от Matternet
Транспортировка людей в труднодоступные места на грузовом дроне
Агрокоптер проводит обработку сельско-хозяйственных угодий
Пожарный дрон Predator-100 (Китай) тушит пожар
Спасательно-поисковый дрон швейцарской авиационно-спасательной организации Rega, самостоятельно ищущая людей
Дрон DJI Matrice 600 Pro доставляет почки умершего человека (США)

Модули lte cat.1

Актуальная линейка скоростных LTE-модулей SIMCom Wireless Solutions, представленная сериями SIM7500 и SIM7600, была рассмотрена в статье [1]. Она остается основной и на текущий момент, расширившись за счет появления двух новых модулей — SIM7500E-L1C и SIM7600E-L1C.

В ходе работы над данными решениями компания SIMCom Wireless Solutions произвела оптимизацию аппаратной части с сохранением функционала SIM7500E и SIM7600E соответственно. В результате удалось получить модули с поддержкой LTE Cat.1, 3G, GSM и встроенной навигацией, по стоимости сопоставимые с 3G-решениями.

Подробные характеристики данных модулей приведены в таблице 1.

Поддержка всех актуальных технологий сотовой связи будет гарантировать работу в любой точке, где есть покрытие, а благодаря доступной стоимости появляется возможность обеспечить поддержку не только 3G-, но и LTE-технологии для применений, в которых недостаточно только связи по 2G/GSM.

Модули nb-iot

Другая альтернатива модулям 2G/3G — модули NB-IoT. Это основная LTE LPWA- технология как в РФ, так и в Европе. На текущий момент она доступна в России почти во всех городах-миллионниках, и покрытие расширяется. За рубежом данные сети также развиваются, NB-IoT (Cat.NB1) и eMTC (Cat.M1) уже находятся в коммерческой эксплуатации.

В будущем ожидается дальнейшее развитие сетей NB-IoT за счет внедрения LTE Cat.NB2, что позволит использовать NB-IoT-модули с поддержкой данного стандарта для мобильных применений. Все это открывает широкие возможности по интеграции данных модулей в новые разработки.

Ранее линейка NB-IoT-модулей SIMCom Wireless Solutions была представлена двумя форм-факторами: 15,7×17,6 мм (SIM7020E) [2] и 24×24 мм (SIM7000E и SIM7000E-N) [3]. Это были первые решения, которые, однако, уже широко применяются в конечных устройствах не только в России, но и по всему миру.

В продолжение этих линеек компания SIMCom Wireless Solutions выпускает на рынок ряд модулей, которые имеют определенные преимущества перед устройствами, доступными в настоящее время.

Перспективные модули будут изготовляться в двух форм-факторах: 15,7×17,6 мм (SIM7080G) и 24×24 мм (SIM7050G, SIM7060G/R, SIM7070E/G).

Суффикс G в названии модуля (SIM7050G, SIM7060G, …) информирует нас, что данные устройства получат возможность работать в сотовых сетях по всему миру (так называемые глобальные модули).

Подробные характеристики модулей приведены в таблице 2.

Наряду с глобальными модулями будут выпускаться их специальные версии: SIM7060R (рисунок) и SIM7070E — модули, аналогичные указанным выше с суффиксом G, радиочасть которых дополнена возможностью работы в диапазоне LTE B31 (450 МГц). Данная особенность делает эти модемы привлекательными для эксплуатации в сетях 450 МГц компаний «Теле2» и «Ростелеком».

Следует отметить, что во всех модулях будет поддерживаться стандарт LTE Cat.NB2, что увеличит скорость передачи данных для загрузки с 26,15 до 126 кбит/с и для выгрузки с 62,5 до 150 кбит/с. Одновременно обеспечивается возможность для применения этих модемов для мониторинга не только стационарных, но и движущихся объектов.

Все приведенные решения, обеспечивающие Cat.NB2, поддерживают и категорию Cat.NB1, которая используется в текущих NB-IoT-сетях.

Монтаж металлоконструкций

Здание небольшое, отдельного выхода на крышу у него нет, поэтому бригаде монтажников приходится залезать по пожарной лестнице. Её нижняя часть отрезана, чтобы на крышу не лазили жители окружающих домов. К сожалению, это их не слишком останавливает, поэтому с крыш часто что-нибудь пропадает — запчасти, кабели, фидеры и т.д.

Несмотря на то, что каждая станция оснащается сигнализацией, служба безопасности не всегда успевает приехать вовремя.

На крыше уже установлена базовая станция другого сотового оператора, но её размеры не идут ни в какое сравнение с нашей.

После монтажа платформы, подготавливаются площадки для установки первой секции вышки:

После установки секции, начинается «закручивание гаек»:

Установка вышки на шпильки делается для того, чтобы можно было компенсировать отклонения от вертикали в ходе монтажа и дальнейшей эксплуатации.

Вертикальность конструкции постоянно контролируется с двух точек с помощью теодолитов. Причём измерения проводятся отдельно для каждой секции вышки, и потом журнал измерений будет включён в комплект документов. Впоследствии проводится периодические измерения положения вышки, поскольку под собственным весом и весом оборудования может происходить небольшое спиралеобразное скручивание конструкции (до 50 мм на 72 м высоты).

Аппаратный шкаф, подготовленный к установке на платформу:

Итак, первая секция установлена и выровнена. Монтажники готовятся к приёму второй секции:

Безопасности и комфортности работ уделяется очень большое внимание не только при монтаже, но и при дальнейшем обслуживании. Размер рабочих площадок подобран таким образом, чтобы у инженеров было достаточно места для работы. Установлены ограждения лестниц, проёмы в площадках на вышке закрываются люками, чтобы предотвратить случайное падение. Платформа поднята над плоскостью крыши, чтобы в зимнее время аппаратуру не заметало снегом и не блокировало льдом.

Монтаж остальных секций вышки:

Очередь аппаратного шкафа:

Вышка смонтирована, произведены последние измерения с помощью теодолитов. Отклонения минимальны и строго в пределах допусков. Масса вышки составила 2827 кг, а общая масса всех металлоконструкций — 6684 кг.

Цвета секций стандартные: нижняя и верхняя всегда красные, промежуточные чередуются с белым. На вершине вы можете видеть 4 штыря, являющихся продолжением рёбер вышки — это элементы молниезащиты.

От iveco до ford transit

Группа передвижных базовых станций столичного филиала «Мегафона» была создана в 2022 году. Задача установки на колеса базовой станции изначально была нетривиальной — необходимого опыта в компании не было и приходилось идти практически «по целине».

Первой ласточкой стал комплекс на базе стандартного семитонного автомобиля Iveco, кунг которого оснастили приемо-передатчиками стандарта GSM, работающими в диапазонах 900/1800 МГц. Позднее, с началом массового строительства сетей третьего поколения, комплекс дополнили 3G-модулем и двумя мачтами – для сотовой и радиорелейной антенн.

Следующее поколение — мобильные комплексы, выполненные на базе на шасси КАМАЗ-43118 повышенной проходимости. Такой автомобиль может проехать по бездорожью в самые глухие и недоступные для обычного транспорта места.

Мобильная базовая станция на базе на шасси КАМАЗ-43118

При разработке новых комплексов мы учли все замечания и нюансы, выявленные во время эксплуатации первых ПБС. Аппаратная оснащена всем необходимым для всесезонной эксплуатации в автономном режиме: системами отопления и кондиционирования, оборудованием для приготовления пищи и спальными местами для персонала.

Радиооборудование состоит из приемо-передатчиков стандарта 2G/3G/4G , способных работать в диапазонах 900, 1800, 2100, 2600 МГц, что позволяет обеспечить как голосовую связь, так и высокоскоростной мобильный интернет.

Апгрейд аппаратуры передвижных БС происходит примерно раз в полгода. На текущий момент она поддерживает все диапазоны и технологии связи, разрешенные оператору, включая 4G/LTE.

«Начинка» мобильных комплексов

Третьим поколением мобильных базовых станций стали комплексы на базе микроавтобуса Ford Transit со стандартным цельнометаллическим фургоном. В отличие от камазовского варианта они не требуют специального кузова, и размещение оборудования в нем требует минимума доработок, не считая крепежа антенной мачты.

ПБС третьего поколения прячется внутри обычного микроавтобуса Ford Transit

От планирования до интегрирования

На первый взгляд может показаться, что запустить в эфир передвижную базовую станцию просто – пригнал машину в нужное место, поднял антенну и работай себе на здоровье. Но, конечно, на самом деле это не так.

Первым на предполагаемое место развертывания базовой станции выезжает инженер-планировщик, который определяет, какие радиочастоты можно задействовать в данном конкретном месте, чтобы не мешать впоследствии ни оборудованию иных ведомств или других сотовых операторов, ни своим базовым станциям, находящимся поблизости и работающим в тех же самых диапазонах.

Следующий этап — согласование требуемых частотных параметров, мощности передатчиков, высоты подъема антенны и места установки комплекса с регулирующими органами. Обычно на это уходит около месяца, но в экстренных ситуациях подобные вопросы могут решаться гораздо оперативнее.

На завершающем перед выездом этапе экипаж, исходя из полученных от инженера-планировщика данных, подбирает антенны и фидеры для разрешенных к работе диапазонов и проводит настройку всего оборудования мобильной базовой станции

Передвижной комплекс связи обычно разворачивают два-три универсальных специалиста в течение трех-шести часов.

Прибыв на место, место машина выравнивается и фиксируется на площадке с помощью специальных упоров, которые придают ей необходимую устойчивость.

Для придания дополнительной устойчивости комплекс фиксируют с помощью специальных упоров.

Затем оборудование подключается к электропитанию — от ближайшей сети или генератора, если ее нет. Одновременно с этим на мачту крепятся антенны сотовой связи GSM 900/1800, 3G 900/1800/2100 и LTE 1800/2600 – в зависимости от того, на какие диапазоны было получено разрешение от регулирующих органов.

Перед подъемом антенн необходимо подключить к ним фидерные линииВыдвинутую мачту необходимо  зафиксировать несколькими рядами оттяжек

Для интегрирования мобильной базовой станции в инфраструктуру оператора требуется организовать служебную линию связи. Для этого используются защищенные медные кабели (протяженностью до 150 метров), оптоволоконные каналы, радиорелейные линии связи. А за счет специального спутникового оборудования ПБС интегрируется в единую инфраструктуру “Мегафона” в труднодоступных местах вдали от других транспортных каналов.

Наименее затратным и самым простым способом организации служебной линии является применение радиорелейных каналов, скорость передачи данных в которых может достигать 1 Гбит/с. Главное, чтобы в пределах прямой видимости находилась стационарная базовая станция, оснащенная радиорелейкой. На нее и направляется дополнительная параболическая антенна передвижного комплекса

Стойка с оборудованием внутри ПБС на базе Ford
Настроив антенны, мы переходим к настройке оборудования. Желтые метки на кабеле указывают на диапазон частот у коммутаторов

Правильно настроенная базовая станция способна обеспечить голосовой связью и мобильным интернетом, в зависимости от используемых диапазонов, от нескольких сотен до нескольких тысяч абонентов на расстоянии 5-25 километров.

Передвижная базовая станция в рабочем состоянии

От электропитания до мачты

Зачастую мы разворачиваем передвижную базовую станцию вдали от каких-либо городских коммуникаций, включая сети электропитания. Поэтому каждый комплекс оснащен дизель-генератором, обеспечивающим автономным питанием все оборудование, включая механизм подъема антенной мачты.

Например, 20,5-тонный КАМАЗ несет на своем борту генератор мощностью 19 кВт. Его полностью залитого бака хватает на семь суток работы вдали от стационарных линий электропитания. Кроме того, в случае выработки топлива или остановки генератора, в течение семи часов питание может осуществляться от литий-ионных аккумуляторов.

Дополнительная «электростраховка» комплекса — заряда аккумулятора хватает на семь часов автономной работыСпециальный электронный блок позволяет следить за различными источниками электропитания и при необходимости переключаться с одного из них на другой

Все комплексы мобильной связи, имеющиеся сегодня в распоряжении «Мегафона», снабжены телескопическими выдвижными мачтами. Несмотря на большое количество подобных изделий, представленных на рынке, мачт, способных выдержать климатические условия средней полосы России, в ассортименте иностранных производителей нет.

В принципе существуют мачты с гидравлическим и пневматическим механизмом подъема.  В первом случае для выдвижения антенны используется компрессор и бак с маслом. Суммарный вес данной конструкции вместе с мачтой составляет 6 тонн. Выдержать такой вес по силам только шасси на базе КАМАЗа.

Сложенная 15-метровая мачта внутри ПБС контейнерного типаДля крепления антенн во всех передвижных комплексах «Мегафона» используются телескопические раздвижные пневматические мачты, которые дешевле и экономичнее гидравлических и способны нести до 200 кг полезной нагрузки.

Принцип работы пневматического выдвижного механизма весьма прост. Специальный генератор нагнетает воздух вовнутрь колен, которые соединены друг с другом специальными манжетами с отверстием. Вначале выдвигается самое толстое колено, а потом, по мере раскрытия фиксирующих замков, и все остальные.

Для подъема 200 кг достаточно давления не более 1,7 атмосфер. При большем напоре воздуха срабатывает защитный клапан.

В комплексе на базе КАМАЗа используется 30-метровая мачта, состоящая из восьми колен. Такая высокая антенна позволяет обеспечить покрытие на большой территории. Это может быть удобно в местах с низкой плотностью установки базовых станций. Однако в условиях города, для того, чтобы не мешать работе близлежащих БС, можно обойтись и более короткими мачтами.

Передвижные базовые станции на базе Ford Transit оснащаются 12-метровыми мачтами, которые выдвигаются начиная с тонкого колена

В зимнее время трубы мачт требуют обработки специальным антифризом, впитывающим конденсат.

Правда, пневматические мачты не идеальны. Так, несмотря на применение манжет, воздух из системы потихоньку подтравливает.  Поэтому мы присматриваемся к мачтам других конструкций. Например, сейчас прорабатывается вариант использования фермовых пролетов — правда, за счет массивности их можно будет использовать только на КАМАЗах.

Перед приобретением gsm контроллера изучите все особенности этого устройства, которые отличают его от других моделей:

• Нет необходимости в приобретении специальных пультов управления для каждого абонента, а также различных брелков или карт.
• Некоторые системы, оснащенные GSM модулями, имеют ограничения по числу пользователей.
• Подать команду на какое-либо действие системы можно, находясь в любом месте, где имеется сеть вашего мобильного оператора. Поэтому можно, например, открыть ворота вашему знакомому на территорию, находясь при этом совершенно в другом месте, главное, чтобы там действовала сеть вашего оператора. Также это упрощает работу работникам охранной службы.
• Имеется возможность произвести настройку системы по компьютеру: удалить или добавить номера абонентов в базу, изменить предоставление доступа по дням недели, времени дня, вести журнал заезда и выезда, запретить въезд при наличии долга по оплате услуг и т.д.
• GSM модули можно монтировать на автоматические системы любых производителей.
• Низкая стоимость оборудования. GSM модули по цене примерно равны цене трех пультов управления. Если число пользователей значительное, то экономия средств будет больше. Нет абонентской платы.
• Такая система имеет простую установку и работу. Установить ее сможет любой человек, имеющий элементарные знания электротехники, по прилагаемой инструкции.
• По сравнению с оборудованием, управление которого осуществляется по проводам, здесь есть возможность оставить без изменений интерьер помещения при монтаже, не повреждая ничего. Не требуются провода, так как сигнал передается по радиочастоте. В качестве вспомогательных устройств в ее комплекте могут быть проводные датчики.

Серьезным недостатком таких систем является тот факт, что механизмы привода не будут работать, если батарея аккумулятора смартфона разряжена, либо у вас нет денег на этом номере. Однако, подобный недостаток есть и в системах с пультами управления.

Также, к недостатку можно отнести тот факт, что сигнал GSM можно заглушить. В этом случае такая сигнализация уступает обычным вариантам.

Подготовка и проектирование

Работа по установке базовой станции начинается с поиска подходящего объекта. Когда он найден, с его владельцем заключается договор аренды. Определяется необходимое расположение антенн будущей станции, масса полезной нагрузки, и исходя из этого проектируются металлоконструкции. При этом учитывается несущая способность элементов конструкции самого здания.

На каждую установленную базовую станцию оформляется комплект документации (толщиной почти 5 см). Помимо прочего, здесь указано множество параметров будущей конструкции: её расположение на объекте, габаритные размеры, общий вес, расположение точек опоры, потребляемые напряжение и мощность, и так далее.

В этой папке собрана исчерпывающая информация:

• Проектная документация,• Копии ведомостей, лицензий, сертификатов и заключений соответствия на все элементы, вплоть до гаек и краски,• Рабочая документация на оборудование, металлические конструкции, архитектурно-строительное решение, молниезащиту.• Санитарно-эпидемиологическое заключение о безопасности станции для жителей окружающих домов.

Вернёмся к нашей вышке. После согласования и утверждения проекта, на заводе были изготовлены отдельно платформа и пять сегментов вышки. Поскольку в данном случае речь шла о довольно тяжёлой конструкции, то её необходимо было установить на несущие стены здания.

Для этого в кровле были прорезаны отверстия и проведена установка опорных балок. Они играют роль свайного фундамента для платформы, на которую в дальнейшем было смонтировано оборудование станции и вышка с антеннами. Общий вес платформы составил 3857 кг.

Профиль, размеры и количество балок, из которых собирается платформа, толщина стенок, протяжённость сварных швов, используемые метизы — все эти параметры рассчитываются исходя из массы полезной нагрузки, несущей способности стен здания, а также возможных ветровых нагрузок в данном регионе.

Конечно, это далеко не единственные критерии, в первую очередь вышка должна обеспечить возможность установки приёмо-передающих антенн на необходимой высоте в зоне видимости соседних базовых станций. Кроме того, конструкция должна быть достаточно жёсткой, чтобы не сбивался луч релейной связи.

Потоковое видео

Участниками рынка прогнозируется смещение такого классического приложения как «видеостриминг» вправо, в сторону увеличения скоростей передачи данных без особых требований к задержкам. Главным драйвером для этого станет потребность в высококачественном 8K видео.

Сегодня в продаже есть телевизоры с поддержкой 4K видео и некоторые провайдеры предоставляют видеоконтент такого качества. Но надежный доступ к такому контенту, могут получить разве что подключенные к оптоволоконному интернету, доступ к которому есть не во всех населенных пунктах.

Требования к пропускной способности сети различных форматов видео

Потребление видеоконтента на широкоформатном телевизоре устанавливает требования к пропускной способности на скачивание. Однако 5G открывает более высокие скорости и на выгрузку. Это откроет двери для внедрения городских систем видеонаблюдения с интеллектуальным распознаванием лиц на всех континентах.

Правительство Шанхая (Китай) пользуется такой системой уже с 2022 года. К ней подключено более 170 млн. «умных» видеокамер. Для примера [2], данная система помогла обнаружить преступника, в 50 тысячной толпе на пути с концерта популярного певца. На концерт он пришел вместе с супругой и, по словам задержанного, тот рассчитывал затеряться в толпе.

На практике такие системы приносят городу не только экономию средств на обеспечении безопасности и оперативно-розыскных мероприятиях, но и порождают положительный социально-экономический эффект — граждане и туристы не боятся покупать дорогие вещи, посещают публичные места в любое время дня, а бизнес не опасается за сохранность клиентов и имущество, теперь это задача города.

С появлением 5G данная система лишь стала более эффективной и менее затратной при развертывании и обслуживании, а значит — доступнее.

Работа интеллектуальной системы распознавания лиц по потоковому видео с уличных камер

Прогноз покрытия сетей 5g и «последняя миля»

Из сценариев развертывания сетей 5G и применяемых частотных полос следует логика распределения частотных полос под разные сценарии, как показано в таблице 3. Этой концепции подчиняется, технология Network Slicing определенная спецификацией 3GPP; она позволит операторам сотовой связи разворачивать изолированные друг от друга сети, каждую из них можно будет выделять под определенные нужды (для Интернета вещей, трансляция потокового видео и проч.).

Учитывая целесообразность указанных сценариев в мегаполисах, малых городах и поселках, можно составить обобщенную схему покрытия сетями как на рисунке 34. Как известно, в мире от сетей 3G либо уже отказались, либо уже заявили о планах на их отключение.

) при сохранении 2G для голосового трафика. Покрытие в пригороде будет отличаться более высокими скоростями и низкими задержками, а мегаполисы, кроме того, смогут похвастаться большим числом подключений и сверхскоростным интернетом в местах покрытия частотного диапазона FR2.

Обобщенная схема покрытия сетями 2G, LTE и 5G до 2025 года

Отдельно надо сказать, что такое распределение сетей породит резкий рост рынка FWA (Fixed Wireless Access, см.ниже). Производители CPE (Customer Premises Equipment, настенное или внутридомовое телекоммуникационное оборудование, расположенное в помещении абонента) смогут обеспечить высокоскоростным интернетом жителей территорий, куда высокоскоростное и надежное покрытие 5G по каким-то причинам «не дошло».

Обычно в такие места приходят провайдеры проводного и оптоволоконного интернета. Но 5G FWA создаст серьезную угрозу этому сектору бизнеса. Ведь с 5G у FWA качество широкополосного интернета не уступит оптоволоконному интернету, а стоимость подключения и вовсе будет вне конкуренции, поскольку исключаются подведение оптоволокна/кабеля, монтажные работы и настройка у каждого абонента в отдельности. Установка CPE также проста как установка Wi-Fi роутера и почти не требует обслуживания.

FWA и проводные/оптоволоконные подключения на «последней миле»
CPE внутри дома (Indoor CPE) и настенный (Outdoor CPE)

Программная часть

Прежде чем перейти к сложному коду, давайте удостоверимся, что модуль к этому готов.

Настройка GPRS-контекста и открытие соединения

Ниже представлена последовательность команд и результат выполнения.

Подключение к объекту на платформе по протоколу MQTT

Для того чтобы взаимодействовать с объектом на платформе, мы можем пойти двумя путями:

1. Прописывать в коде все необходимые для этого AT-команды

2. Воспользоваться готовой библиотекой, которая все эти страсти-мордасти от нас спрячет и нам останется только сформировать необходимую логику

Первый путь самурая сложен и похож на написание кода на ассемблере – абсолютно прозрачно и гибко, но долго и сложно. Такую реализацию я встретила тут .

Второй путь проще и позволяет без больших заморочек быстро настроить подключение. Самая удачная библиотека, которая решает нашу задачу, – TinyGSM. Она есть в Arduino IDE. Устанавливаем ее, и сразу можно пользоваться.

В разделе Примеры есть скетч, который используем как базу.

После незначительного упрощения кода получаем скетч, являющийся смысловым аналогом этого за исключением способа выхода в Интернет (там Wi-Fi).

В строке 

const char* broker = “dev.rightech.io”;

указываем адрес нужного MQTT-брокера. В данном случае это адрес платформы Rightech IoT Cloud. 

В строке 

boolean status = mqtt.connect(“uno_sim800”);

задаем идентификатор объекта, заранее созданного на платформе с моделью MQTT.

Путь от lte к 5g

Как было сказано, текущие сети 4G не выдерживают требований, выдвигаемых новыми сценариями применения. Кроме плотности подключений, пропускной способности радиочасти и проч., задержки в сетях 4G довольно велики. Задержки складываются из задержек в радиочасти и в инфраструктурной части и сегодня они составляют десятки миллисекунд.

В долгосрочной перспективе, для полноценных 5G сетей, в том числе и для поддержки Network Slicing и URLLC, потребуется как новая сетевая инфраструктура NGCN (Next Generation Converged Network), так и модернизация сети радиодоступа. Ясно, что провернуть такой объем работ разом невозможно.

Задержки в сети 4G

Консорциум 3GPP изначально учел сложность развертывания новых сетей и принял на вооружение сценарии перехода от стандартной конфигурации LTE сетей (#1) к 5G. Внедрение 5G предлагается сначала проводить поверх существующей инфраструктуры LTE EPC в режиме NSA (Non-Standalone, #3), как это делали операторы сотовой связи весь 2022 год.

В такой конфигурации задержки на радиочасти сократятся, но виду ограничений LTE ядра EPC, общий показатель задержки будет далек от требований URLLC. Главный смысл такой конфигурации в другом — в радиочасти мы получим значительное повышение пропускной способности достаточных для большинства существующих приложений eMBB, а также стабильность соединения при большом количестве подключившихся абонентов на одну базовую станцию.

Сценарии построения сети 5G начального и промежуточного периодов

Начальная модель NSA (#3) направлена на улучшение качества мобильного широкополосного интернета для повышения надёжности и объёма передаваемых данных путём использования подключения в режиме EN-DC (E-UTRAN New Radio — Dual Connectivity).

Пользовательские терминалы, поддерживающие EN-DC, могут одновременно подключаться к базовым станциям LTE и 5G, при этом базовая станция LTE является якорной (требуется модернизация до ng-eNb, или new generation eNB). Пользовательский терминал (UE) изначально регистрируется в сети через E-UTRAN на низких частотах (<2 ГГц) и начинает транслировать в сеть результаты измерений, выполняемых на сети радиодоступа 5G-NR.

При удовлетворительном «качестве радиосигнала» 5G базовая станция LTE ng-eNb инициирует запрос к базовой станции 5G gNB на выделение UE сетевых ресурсов. По завершении процедуры UE подключается одновременно к базовым станциям LTE ng-eNB и 5G gNB. Конечно, зона охвата базовой станции 5G будет значительно уже LTE, т.к. высокочастотный сигнал миллиметрового диапазона имеет больший коэффициент затухания.

Подключение UE к LTE ng-eNB и 5G gNB в режиме EN-DC

Далее, посредством комбинированных базовых станций LTE 5G-NR можно осуществить расширение зоны покрытия 5G за счет применения технологии DSS (Dynamic Spectrum Sharing, динамическое разделение спектра), когда нижний диапазон частот E-UTRAN (<2 ГГц) делится динамически с 5G-NR. До внедрения операторами ядра 5G сети смогут работать вот таким образом.

Расширение зоны покрытия 5G за счет низких частот LTE (DSS)

Далее от этапа #3, когда операторы сотовой связи интегрируют ядро 5G NGCN, они могут переходить к целевому и финальному режиму SA (опции #2 и #5), когда используется одна технология радиодоступа – либо E-UTRAN, либо 5G-NR. Ниже представлен финальный вид сети 5G, способной предоставлять услуги URLLC.

Финальный вид сети 5G

Для удовлетворения растущей потребности eMBB можно задействовать средние частоты (2 ГГц-7 ГГц), увеличив таким образом скорости передачи данных, в том числе и за счет агрегации частот. Ниже частота – больше покрытие, но и меньше ширина канала. Однако есть способ увеличить покрытие сохраняя высокую скорость выгрузки при помощи дополнительного канала линии вверх (SUL, Supplementary Uplink).

Как это работает? На рисунке ниже показано, как «парному» (UL/DL) радиоресурсу из средних частот для UE назначается дополнительный непарный канал линии «вверх» (SUL) из низких частот. Тогда в одной соте UE получает 1xDL (средние частоты) и 2xUL (низкие и средние частоты) канала, использование которых будет контролироваться сетью.

В этом случае, на границе соты в DL-канале используется среднечастотный сигнал с повышенной мощностью из «парного» диапазона, а в UL-канале – низкочастотный сигнал в непарном SUL диапазоне. В итоге базовая станция «видит» UE на более дальних расстояниях, а скорость скачивания сохраняется как с применением средних частот.

Расширение зоны покрытия средних частот за счет непарного канала

Собираем схему

Из всех 12 контактов понадобятся только 4: VCC, RXD, TXD, GND.

1. Подача питания (VCC, GND)

В документации сказано, что для стабильной работы модуля SIM800L необходим источник питания с выходным напряжением от 3,4 до 4,4 В и максимальным рабочим током 2 А. Не знаю, как это должно работать, но у меня почему-то при напряжении меньше 5 В модуль совсем никак не хотел регистрироваться в сети.

Начиталась советов по сдвиганию SIM-карты в слоте, окислившимся контактам, антеннам… но потом решила подать напряжение от стандартного блока питания 5 В/2 А, и все заработало. Итак, в моем случае контакты VCC и GND соединяем с плюсом и минусом блока питания на 5 В.

Примечание 1: У меня заработало не с любым блоком на 5 В. Один блок давал напряжение 5,25 В, и с ним не работало, появлялась ошибка OVER-VOLTAGE POWER DOWN (пороговый уровень напряжения сильно превышен), и модуль отключался (уходил в защиту). С блоком на 5,06-5,16 В все заработало отлично.

Примечание 2: Запитать можно также от повербанка. Но имейте в виду, что модуль в режиме ожидания потребляет так мало тока, что повербанк через какое-то время самопроизвольно выключится, не принимая всерьез такое незначительное потребление. Поэтому подключите к повербанку что-нибудь еще – например, ту же Arduino после того, как зальете на нее скетч.

Примечание 3: ЗАПИТЫВАТЬ МОДУЛЬ ОТ ARDUINO НЕЛЬЗЯ. Напомню, что модуль может потреблять до 2 А, а Arduino не в состоянии такой ток выдавать, поэтому произойдет сбой в работе либо модуля, либо Arduino, либо того и другого (вполне вероятен выход Arduino из строя). Аналогичная история и с запитыванием от USB порта компьютера.

2. Подключение к конвертору

Собираем схему.

Проверяла без делителя напряжения – работало долго и стабильно. Однако это дело случая, может и сгореть, поэтому так делать не надо. Проще всего сделать равноплечий делитель напряжения на паре резисторов одинакового номинала в диапазоне 1-10 КОм. В таком случае мы получим 2,5 В, что укладывается в необходимый диапазон 2,1 – 3,1 В.

Примечание – В некоторых статьях видела, что VDD модуля тоже подключают, но по факту такой вариант не работает, модуль просто не реагирует на AT команды. А вот пин GND подключать нужно обязательно.

Состояние сетей 5g в мире и в россии

Процесс внедрения сетей 5G в коммерческую эксплуатацию начался уже с 2022 года, правда, пока покрытие таких сетей весьма скромное. На начало 2020 года, сети 5G запущены в эксплуатацию у 47 операторов в 22 странах мира, а вместе с теми, кто запланировал запуск или ведет тестирование будет 279 операторов в 109 странах.

Количество базовых станций 5G-NR в коммерческом обращении [3]
Коммерческие, запланированные и пилотные сети 5G

Что касается абонентского оборудования, то в продаже уже имеется множество моделей 5G смартфонов, роутеров и CPE.

Модели 5G-смартфонов

Первые пользователи уже оценили значительный рост скорости передачи в режиме 5G. Результаты тестов Qualcomm (май 2022) показывают повышение скорости скачивания у 5G устройств по сравнению с LTE устройствами в 3.3 раза. В будущем этот показатель будет выше за счет более плотного покрытия и перехода от LTE EPC ядра к пакетному 5G ядру сети.

В России «большая четверка» операторов в период с августа по сентябрь 2022 года уже провели первые тесты и запуск пилотных сегментов 5G сетей. По результатам тестов на данном этапе задержки в сети в движении вышли менее 10 мсек, а скорости достигали 2 Гбит/Сек на скачивание.

Тестирование скорости скачивания (1.3 Гбит/сек) на смартфоне Huawei “Mate X” в сети оператора Билайн (Москва)
Тестовые зоны 5G от МТС (режим NSA, применены LTE FDD 1800 МГц из блока FR1 и mmWave в полосе n257)

Согласно российской программе «Цифровая экономика», устойчивое покрытие сети 5G должно быть обеспечено к 2024 году во всех крупных городах с населением от 1 миллиона человек. В настоящий момент модель развития российских сетей 5G до конца не определена.

Проблема, как и в прочих странах, заключается в выборе радиочастотных полос. Операторы считают наиболее привлекательным для 5G диапазон 3,4-3,8 ГГц (n78 и n79), однако он занят другими пользователями, в основном, военными и спецслужбами, и требует работы по высвобождению.