Как работает сотовая связь – принципы работы, устройство

Pre-5g и 5g в россии

С 2022 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.

https://www.youtube.com/watch?v=4HfABc0hdwA

Решением Государственной Комиссии по использованию радиочастот для тестирования инфраструктуры 5G в России выделен диапазон радиочастот 25,25-29,5 ГГц. Летом 2022 года в Москве начали тестирование пятого поколения сотовой связи. Первой экспериментальной площадкой выступит территория Морозовской детской городской клинической больницы.

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 2022 также ведется разработка российского программного обеспечения для взаимодействия с технологией 5G.

Архитектура сотовой системы

Повышение спроса и низкое качество существующих услуг побудили поставщиков мобильных услуг исследовать способы улучшения качества обслуживания и поддержки большего числа пользователей в своих системах. Поскольку количество частотного спектра, доступного для использования подвижной сотовой связью, было ограниченным, для покрытия связи было необходимо эффективное использование требуемых частот.

В современной сотовой телефонии сельские и городские районы делятся на районы в соответствии с конкретными правилами предоставления услуг. Параметры развертывания, такие как количество деления и размеры ячеек, определяются инженерами, имеющими опыт работы в архитектуре сотовых систем.

Обеспечение для каждого региона планируется в соответствии с инженерным планом, который включает в себя ячейки, кластеры, повторное использование частот и передачу обслуживания.

Ячейка является основной географической единицей сотовой системы. Это базовые станции, передающие сигнал через небольшие географические области, которые представлены в виде шестиугольников. Размер каждого варьируется в зависимости от ландшафта. Из-за ограничений, наложенных естественной местностью и искусственными структурами, истинная форма ячеек не является идеальным шестиугольником.

Кластер – это группа ячеек. Ни один канал не используется повторно в кластере.

Поскольку для мобильных систем было доступно лишь небольшое количество частот радиоканалов, инженерам пришлось искать способ повторного использования радиоканалов для одновременной передачи более одного разговора. Решение, принятое в отрасли, называлось планированием или повторным использованием частоты.

Стандарты сотовой связи заключаются в следующем: концепция повторного использования частот основана на назначении каждой ячейке группы радиоканалов, используемых в пределах небольшой географической области. Ячейкам присваивается группа каналов, которая полностью отличается от соседних аналогичных единиц.

Ячейки с одинаковым номером имеют одинаковый набор частот. Если количество доступных частот равно 7, коэффициент повторного использования частоты равен 1/7. То есть каждая ячейка использует 1/7 доступных сотовых каналов.

Как появилась сотовая связь

Впервые идея сотовой связи была выдвинута в 1947 году — над
ней работали инженеры из Bell Labs Дуглас Ринг и Рэй Янг. Однако реальные
перспективы ее воплощения стали вырисовываться только к началу 1970-х годов,
когда сотрудники компании разработали рабочую архитектуру аппаратной платформы
сотовой связи.

Так, американские инженеры предложили размещать передающие
станции не в центре, а по углам «ячеек», а чуть позже была придумана технология,
позволяющая абонентам передвигаться между этими «сотами», не прерывая связи.
После этого осталось разработать действующее оборудование для такой технологии.

Задачу успешно решила компания Motorola — ее инженер Мартин
Купер 3 апреля 1973 года продемонстрировал первый работающий прототип
мобильного телефона. Он позвонил начальнику исследовательского отдела
компании-конкурента прямо с улицы и рассказал ему о собственных успехах.

Руководство Motorola немедленно вложило в перспективный
проект 100 миллионов долларов, однако на коммерческий рынок технология вышла
только через десять лет. Такая задержка связана с тем, что сначала требовалось
создать глобальную инфраструктуру
базовых станций сотовой связи.


На территории США этой работой занялась компания AT&T — телекоммуникационный
гигант добился от федерального правительства лицензирования нужных частот и
построил первую сотовую сеть, которая охватила крупнейшие американские города.
В качестве первого мобильника выступила знаменитая модель Motorola DynaTAC 8000.

В продажу первый сотовый телефон поступил 6 марта 1983 года.
Он весил почти 800 граммов, мог работать
на одном заряде 30 минут в режиме разговора и заряжался около 10 часов. При
этом аппарат стоил 3995 долларов — баснословную сумму по тем временам. Несмотря
на это, мобильник мгновенно стал популярен.

Компоненты сотовой системы

Сотовая система предлагает мобильным и портативным телефонным станциям ту же услугу, что и фиксированные станции по обычным проводным шлейфам. Она способна обслуживать десятки тысяч абонентов в крупном мегаполисе. Система сотовой связи состоит из следующих четырех основных компонентов, которые работают совместно для предоставления абонентам услуг мобильной связи:

  1. Телефонная сеть общего пользования (PSTN).
  2. Мобильная телефонная станция (МТСО).
  3. Сотовый сайт с антенной системой.
  4. Мобильный абонентский пункт (MSU).

PSTN состоит из локальных сетей, сетей зоны обмена и сети дальней связи, которые соединяют телефоны и другие устройства связи по всему миру.

МТСО является центральным офисом мобильной связи. В нем размещаются центр коммутации связи (MSC), полевые контрольные и ретрансляционные станции для переключения вызовов с сотовых станций на центральные офисы проводной связи (PSTN).

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.

Читайте про операторов:  Тарифы на мобильную связь ТТК - описание и стоимость

Мобильный абонентский блок состоит из блока управления и приемопередатчика, который передает и принимает радиопередачи в и из сотового узла. Доступны три типа MSU:

  • Мобильный телефон (типичная мощность передачи 4,0 Вт).
  • Портативный (типичная мощность передачи 0,6 Вт).
  • Транспортабельный (типичная мощность передачи составляет 1,6 Вт).

Препятствия в развитии сотовой связи

К сожалению, экономические соображения сделали нецелесообразной концепцию создания полных систем со многими небольшими участками. Чтобы преодолеть эту трудность, 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 в регионах с интенсивным движением, в то время как более крупные и менее дорогие ячейки могут использоваться для покрытия отдаленных сельских районов.

Последнее препятствие в развитии сотовой сети 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.

Поскольку сбрасывание вызова недопустимо, был создан процесс передачи обслуживания. Передача обслуживания происходит, когда сеть мобильной телефонной связи автоматически переводит вызов в другой радиоканал, когда мобильное устройство пересекает соседние ячейки.

Во время разговора две стороны находятся на одном голосовом канале. Когда мобильное устройство выходит из зоны покрытия данного сотового узла, прием становится слабым. На этом этапе используемый сотовый сайт запрашивает передачу обслуживания. Система переключает вызов на более высокочастотный канал на новом сайте, не прерывая вызов и не предупреждая пользователя. Вызов продолжается до тех пор, пока пользователь разговаривает, и абонент не замечает передачи обслуживания.

Принципы организации сотовой связи

Как работает сотовая связь - принципы работы, устройство

Основной принцип сотовой связи заключается в разделении всей зоны охвата телефонной связью на ячейки, называемые сотами. В центре каждой соты находится базовая станция (БС), поддерживающая связь с мобильными абонентами (сотовыми телефонами), находящимися в зоне её охвата. Базовые станции обычно располагают на крышах зданий и специальных вышках. На идеальной (ровной и без застройки) поверхности зона покрытия одной БС представляет собой круг (рис.2.71,а), диаметр которого не превышает 10-20 км. Соты частично перекрываются и вместе образуют сеть (рис.2.71,6), которая для простоты обычно изображается в виде множества шестиугольных сот (рис.2.71,в).

Как работает сотовая связь - принципы работы, устройство

Каждая сота работает на своих частотах, не пересекающихся с соседними (рис.2.72). Все соты одного размера и объединены в группы по 7 сот. Каждая из букв (А, В, С, D, Е, F, G) соответствует определённому диапазону частот, используемому в пределах одной соты. Соты с

одинаковыми диапазонами частот

разделены сотами, работающими на других частотах. Небольшие размеры сот обеспе­чивают ряд преимуществ по сравнению с традиционной наземной беспроводной связью, а именно:

• большое количество пользователей, которые одновременно могут работать в сети в разных частотных диапазонах (в

разных сотах);

• небольшая мощность приемно-передающего оборудования, обусловленная небольшим размером сот (выходная мощность телефонных трубок составляет десятые доли ватт);

• меньшая стоимость устройств сотовой связи как маломощных устройств.

Если в какой-то соте количество пользователей оказывается слишком большим, то она может быть разбита на соты меньшего размера, называемые микросотами, как это показано на рис.2.73.

Базовая станция, в общем случае, содержит приёмопередатчик (ПП), поддерживающий связь с мобильными телефонами, и компьютер, реализующий протоколы беспроводной мобильной связи (рис.2.74).

Как работает сотовая связь - принципы работы, устройство

ослаблении радиосигнала) устанавливается связь с другой БС. Для этого базовая станция, фиксирующая ослабление сигнала, опрашивает все окружающие БС с целью выявить станцию, которая принимает наиболее мощный сигнал от мобильного телефона. Затем БС передаёт управление данным телефоном базовой станции той соты, в которую переместился мобильный телефон. После этого, телефону посылается информация о переходе в новую соту и предлагается переключиться на новую частоту, которая используется в этой соте. Этот процесс называется передачей и длится доли секунды.

Как работает сотовая связь - принципы работы, устройство

Сотовые сети разных операторов соединяются друг с другом, а также со стационарной ТфОП, что позволяет абонентам разных операторов связываться друг с другом, а также делать звонки с мобильных телефонов на стационарные и, наоборот, со стационарных на мобильные телефоны. Используя возможности роуминга, абонент, находясь вне зоны покрытия своей сети, может совершать и принимать звонки через сеть другого оператора.

Поколения мобильной сотовой связи

Различают 4 поколения мобильной сотовой связи, обозначаемые как 1G, 2G, 3G, 4G. В то же время, между 2G и 3G, 3G и 4G выделяют промежуточные поколения, получившие обозначения 2.5G и 3.5G соответственно.

Эти поколения можно разбить на две группы (рис.2.77):

• аналоговая связь (1G);

• цифровая связь (все остальные, начиная с 2G, различающиеся прежде всего предоставляемыми возможностями по передаче цифровых данных, а также скоростями передачи).

Рассмотрим кратко каждое из поколений.

Поколение 1G

Первые сети мобильной сотовой связи поколения 1G появились в начале 80-х годов прошлого века и представляли собой аналоговые

Читайте про операторов:  Тариф «БезПереплат. Минимум» от МегаФона: описание, как подключить | Магаданская область

беспроводные сети, основной и, фактически, единственной функцией которых была передача речи со скоростями, не превышавшими 9,6 кбит/с.

Как работает сотовая связь - принципы работы, устройство

Наиболее известными стандартами сотовой связи первого поколения являются AMPS и NMT.

Стандарт AMPS (Advanced Mobile Phone System),разработанный в США, использует частотное уплотнение, формируя 832 дуплексных канала, каждый из которых состоит из двух симплексных каналов шириной по 30 кГц, в диапазоне частот от 824 до 894 МГц. Радиус действия одной базовой станции от 10 до 20 км.

Стандарт NMT (Nordic Mobile Telephone system),разработанный пятью скандинавскими странами (Данией, Финляндией, Исландией, Норвегией и Швецией), предписывает работу в диапазоне частот 453-458 МГц (NMT-450), используя до 180 каналов связи по 25 кГц каждый. Радиус действия базовой станции в зависимости от нагрузки достигает 5-25 км. Модернизированная версия NMT-900, работающая на частоте 900 МГц, позволила уменьшить размеры телефонных аппаратов, а также добавить несколько новых сервисов.

В начале 90-х годов на смену аналоговой сотовой связи пришла цифровая связь, которая в настоящее время полностью её вытеснила.

Основной недостаток аналоговой беспроводной связи – отсутствие защиты от несанкционированного перехвата разговора.

Поколение 2G

Второе и последующие поколения мобильной сотовой связи относятся к цифровым сетям связи и, в отличие от первого поколения, предоставляют пользователям, кроме передачи речи, множество дополнительных видов услуг (сервисов).

Стандартами сотовой связи второго поколения являются D-AMPS, GSM, CDMA, в основе которых лежит метод мультиплексирования TDMA.

TDMA (Time Division Multiple Access) – множественный доступ с разделением по времени – метод мультиплексирования в беспроводной связи, при котором несколько пользователей для передачи данных используют разные временные интервалы (слоты) в одном частотном диапазоне, при этом каждому пользователю предоставляется полный доступ к выделенной полосе частот в течение короткого периода времени.

Как работает сотовая связь - принципы работы, устройство

Стандарт D-AMPS (Digital-AMPS)был разработан так, чтобы мобильные телефоны первого и второго поколений могли работать одновременно в одной и той же соте. Коммутатор может определять и динамически изменять тип канала (цифровой, аналоговый).

Наибольшее распространение среди перечисленных стандартов получили GSM (заменивший NMT) и CDMA.

GSM (Global System for Mobile Communications)– глобальная система мобильной связи, использующая частотное уплотнение. Каждая пара (для передачи в прямом и обратном направлении) частотных каналов разбивается с помощью временного уплотнения (TDMA) на кадровые интервалы, используемые несколькими абонентами. Каналы GSM имеют полосу пропускания в 200 кГц, что значительно шире каналов AMPS с полосой пропускания 30 кГц. Это обусловливает более высокие скорости передачи данных.

GSM, как и D-AMPS, использует частотное и временное уплотнение для разделения спектра на каналы и разделения каналов на временные интервалы соответственно.

GSM обеспечивает поддержку следующих услуг:

• передача данных (синхронный и асинхронный обмен данными, в том числе пакетная передача данных — GPRS);

• передача речевой информации;

• передача коротких сообщений (SMS);

• передача факсимильных сообщений.

• определение вызывающего номера;

• переадресация вызовов на другой номер;

• ожидание и удержание вызова;

• конференцсвязь (одновременная голосовая связь между тремя и более пользователями);

• голосовая почта
и многие другие.

К основным достоинствам стандарта GSM следует отнести:

• меньшие по сравнению с аналоговыми стандартами размеры и вес телефонных аппаратов при большем времени работы без подзарядки аккумулятора;

• хорошее качество связи;

• возможность большого числа одновременных соединений;

• низкий уровень индустриальных помех в выделенных частотных диапазонах;

• защита от прослушивания и нелегального использования за счёт применения алгоритмов шифрования с разделяемым ключом.

Недостатками стандарта GSM являются:

• искажение речи при цифровой обработке и передаче;

• большее, чем в NMT-450, количество передатчиков, используемых
для покрытия определённой площади.

В стандарте GSM определены 4 диапазона частот для передачи данных: 850 МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц, наиболее популярными среди которых являются 900 МГц (стандарт GSM-900) и 1800 МГц (GSM-1800). Соты могут иметь диаметр от 400 м до 50 км.

Основные отличия GSM-1800 от GSM-900:

• максимальная излучаемая мощность мобильных телефонов стандарта GSM-1800 (около 1 Вт) вдвое меньше, чем у GSM-900, что увеличивает время непрерывной работы без подзарядки аккумулятора и снижает уровень радиоизлучения;

• большая ёмкость сети;

• возможность совместного использования телефонных аппаратов стандартов GSM-900 и GSM-1800 в одной и той же сети;

• зона охвата для каждой базовой станции значительно меньше и, как следствие, необходимо большее число базовых станций.

В состав системы GSM, кроме мобильных сотовых телефонов, называемых в стандарте мобильными станциями (MS – Mobile Station), входят три подсистемы (рис.2.78).

Как работает сотовая связь - принципы работы, устройство


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. Несмотря на то что это повлияло на эффективность первоначальной концепции, повторное использование частот стало жизнеспособным решением проблем систем мобильной телефонии.

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.

Читайте про операторов:  10 простых шагов: Как создать корпоративную 4G/5G-сеть - CNews

Системы, основанные на областях с радиусом в один километр, будут иметь в сто раз больше каналов, чем системы с областями в радиусе десяти километров. Спекуляция привела к выводу, что, уменьшив радиус зоны до нескольких сотен метров, можно было обслуживать миллионы звонков.

Концепция сотовой связи использует переменные уровни низкой мощности, что позволяет подбирать ячейки в соответствии с плотностью абонента и потребностями данной области. По мере роста популяции можно добавлять ячейки для приспособления к этому росту.

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.

Сотовое радиооборудование (базовая станция) может связываться с мобильными телефонами, пока они находятся в пределах досягаемости. Радиоэнергия рассеивается на расстоянии, поэтому мобильные телефоны должны находиться в пределах рабочего диапазона базовой станции. Как и ранняя система мобильной радиосвязи, базовая станция связывается с мобильными телефонами через канал.

Канал состоит из двух частот: одна для передачи на базовую станцию ​​и одна для приема информации от базовой станции.

Сотовая связь – это…

Сотовая связь относится к усовершенствованной службе мобильной телефонной связи (AMPS), которая делит географический регион на участки, называемые ячейками. Цель этого разделения – максимально использовать ограниченное количество частот передачи.

Сотовая связь – это форма технологии связи, которая позволяет использовать мобильные телефоны.

Мобильный телефон – это двунаправленное радио, которое обеспечивает одновременную передачу и прием.

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.

Общим элементом всех поколений технологий мобильной связи является использование определенных радиочастот (RF), а также повторное использование частот. Это позволяет предоставлять услуги большому количеству абонентов, одновременно уменьшая количество каналов (ширину полосы). Это также позволяет создавать широкие сети, полностью интегрируя передовые возможности мобильного телефона.

Увеличение спроса и потребления, а также развитие различных видов услуг ускорили быстрое технологическое развитие современных сетей, а также непрерывное совершенствование самих сотовых устройств.

Сотовая связь будущего

Стандарт 4G заточен на непрерывную передачу гигабайтов
информации, в нем даже отсутствует канал для передачи голоса. За счет
чрезвычайно эффективных схем мультиплексирования загрузка фильма высокого
разрешения в такой сети займет у пользователя 10-15 минут. Однако даже его
возможности уже считаются ограниченными.

В 2020 году ожидается официальный запуск нового поколения
связи стандарта 5G, который позволит передачу больших объемов данных на
сверхвысоких скоростях до 10 Гбит/сек. Кроме этого, стандарт позволит
подключить к высокоскоростному интернету до 100 миллиардов устройств.

Именно 5G позволит появиться настоящему интернету вещей — миллиарды
устройств будут обмениваться информацией в реальном времени. По оценке
экспертов, сетевой трафик скоро вырастет
на 400%. Например, автомобили начнут постоянно находиться в глобальной Сети и получать
данные о дорожной обстановке.

Низкая степень задержки обеспечит связь между транспортными
средствами и инфраструктурой в режиме реального времени. Ожидается, что надежное
и постоянно действующее соединение впервые откроет возможность для запуска на
дорогах полностью автономных транспортных средств.

Российские операторы уже экспериментируют с новыми спецификациями
— например, работы в этом направлении ведет «Ростелеком». Компания подписала
соглашение о строительстве сетей 5G в инновационном центре «Сколково». Реализация
проекта входит в государственную программу «Цифровая экономика», недавно
утвержденную правительством.

Технологии

Информация о SIM-картах хранится на серверах оператора в домашнем регионе и где бы не находился абонент, взаимодействие с телефоном происходит через упомянутые сервера.

Для оказания услуг сотовой связи используют 3 основные технологии:

  • GMS. Цифровой стандарт передачи данных второго поколения. Информация передается в виде узкополосного сигнала на частотах 850, 900, 1800, 1900 МГц. В 2003 году разработана технология Enhanced Data-rates for GSM Evolution (EDGE или 2,5G), которая позволила пользоваться услугами сети Интернет через сети GSM. Максимальная скорость передачи данных – 59,2 Кбит/ секунду;
  • UMTS. Наиболее распространенный стандарт сетей 3 поколения. В отличие от сетей 2 поколения, информация передается по широкополосному каналу связи. Преимущественно работает в диапазонах 2100 и 900 МГц. Первоначально позволял передавать данные на скоростях от 384 Кбит/ секунду. Благодаря дополнительной технологии 2006 года High-Speed Downlink Packet Access (HDPSA или 3,5G) скорость увеличилась до 21 Мбит/секунду;
  • LTE. Стандарт передачи данных четвертого поколения. Работает на частотах 800, 1800, 2100, 2600 МГц. В мире 1800 МГц – наиболее используемый диапазон. В России первоначальный упор делался на 2600 МГц, но на 2022 год задействованы все перечисленные диапазоны радиочастот. Каждая сота может поддерживать до 200 клиентов при ширине полосы 5 МГц и выдавать информацию абоненту со скоростью до 75,4 Мбит/с.

Для каждой технологии и оператора выделены отдельные частоты передачи и приема. Список разрешенных для использования каналов отличается в разных странах. К примеру, в регионах России до 2022 года технология 4G не работала на некоторых китайских телефонах, потому что передатчики смартфонов не поддерживали частоты, используемые российскими операторами.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector