Что такое сота в сотовой связи: Сотовая связь — Википедия – Мобильная сотовая связь — это… Что такое Мобильная сотовая связь?

Содержание

Сотовая связь — Википедия

Сотовая связь, сеть подвижной связи — один из видов мобильной радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть. Ключевая особенность заключается в том, что общая зона покрытия делится на ячейки (соты), определяющиеся зонами покрытия отдельных базовых станций (БС). Соты частично перекрываются и вместе образуют сеть. На идеальной (ровной и без застройки) поверхности зона покрытия одной БС представляет собой круг, поэтому составленная из них сеть имеет вид шестиугольных ячеек (сот).

Сеть составляют разнесённые в пространстве приёмопередатчики, работающие в одном и том же частотном диапазоне, и коммутирующее оборудование, позволяющее определять текущее местоположение подвижных абонентов и обеспечивать непрерывность связи при перемещении абонента из зоны действия одного приёмопередатчика в зону действия другого.

Первое использование подвижной телефонной радиосвязи в США относится к 1921 г.: полиция Детройта использовала одностороннюю диспетчерскую связь в диапазоне 2 МГц для передачи информации от центрального передатчика к приёмникам, установленным на автомашинах. В 1933 г. полиция Нью-Йорка начала использовать систему двусторонней подвижной телефонной радиосвязи также в диапазоне 2 МГц. В 1934 г. Федеральная комиссия связи США выделила для телефонной радиосвязи 4 канала в диапазоне 30—40 МГц, и в 1940 г. телефонной радиосвязью пользовались уже около 10 тысяч полицейских автомашин. Во всех этих системах использовалась амплитудная модуляция. Частотная модуляция начала применяться с 1940 г. и к 1946 г. полностью вытеснила амплитудную. Первый общественный подвижный радиотелефон появился в 1946 г. (Сент-Луис, США; фирма Bell Telephone Laboratories), в нём использовался диапазон 150 МГц. В 1955 г. начала работать 11-канальная система в диапазоне 150 МГц, а в 1956 г. — 12-канальная система в диапазоне 450 МГц. Обе эти системы были симплексными, и в них использовалась ручная коммутация. Автоматические дуплексные системы начали работать соответственно в 1964 г. (150 МГц) и в 1969 г. (450 МГц).

В СССР в 1957 г. московский инженер Л. И. Куприянович создал опытный образец носимого автоматического дуплексного мобильного радиотелефона ЛК-1 и базовую станцию к нему. Мобильный радиотелефон весил около трех килограммов и имел радиус действия 20—30 км. В 1958 году Куприянович создаёт усовершенствованные модели аппарата весом 0,5 кг и размером с папиросную коробку. В 1960-х гг. Христо Бочваров в Болгарии демонстрирует свой опытный образец карманного мобильного радиотелефона. На выставке «Интероргтехника-66» Болгария представляет комплект для организации местной мобильной связи из карманных мобильных телефонов РАТ-0,5 и АТРТ-0,5 и базовой станции РАТЦ-10, обеспечивающей подключение 10 абонентов.

В конце 50-х гг в Воронежском НИИ Связи разработали первую в мире систему полностью автоматической мобильной связи «Алтай»[1], введённая в опытную эксплуатацию в 1963 г. Система «Алтай» первоначально работала на частоте 150 МГц. В 1970 г. система «Алтай» работала в 30 городах СССР и для неё был выделен диапазон 330 МГц. Принцип связи был таков: город обслуживала одна базовая станция. Оборудование устанавливалось, как правило, на одном из самых высоких зданий в городе. В зависимости от высоты, рельефа и этажности застройки, устойчивый сигнал в городе мог быть в радиусе до 50 — 60 км, а кое-где и до 100 км вокруг базовой станции. В этом радиусе и можно было звонить, причём как с «Алтая» на «Алтай», так и на городские номера АТС, и даже по межгороду и за рубеж.

Аналогичным образом, с естественными отличиями и в меньших масштабах, развивалась ситуация и в других странах. Так, в Норвегии общественная телефонная радиосвязь использовалась в качестве морской мобильной связи с 1931 г.; в 1955 г. в стране было 27 береговых радиостанций. Наземная мобильная связь начала развиваться после второй мировой войны в виде частных сетей с ручной коммутацией. Таким образом, к 1970 г. подвижная телефонная радиосвязь, с одной стороны, уже получила достаточно широкое распространение, но с другой — явно не успевала за быстро растущими потребностями, при ограниченном числе каналов в жёстко определённых полосах частот. Выход был найден в виде системы сотовой связи, что позволило резко увеличить ёмкость за счёт повторного использования частот в системе с ячеистой структурой.

Сотовые системы[править | править код]

Отдельные элементы системы сотовой связи существовали и раньше. В частности, некоторое подобие сотовой системы использовалось в 1949 г. в Детройте (США) диспетчерской службой такси — с повторным использованием частот в разных ячейках при ручном переключении каналов пользователями в оговорённых заранее местах. Однако архитектура той системы, которая сегодня известна как система сотовой связи, была изложена только в техническом докладе компании Bell System, представленном в Федеральную комиссию связи США в декабре 1971 года. С этого времени начинается развитие собственно сотовой связи.

В 1974 г. Федеральная комиссия связи США приняла решение о выделении для сотовой связи полосы частот в 40 МГц в диапазоне 800 МГц; в 1986 г. к ней было добавлено ещё 10 МГц в том же диапазоне. В 1978 г. в Чикаго начались испытания первой опытной системы сотовой связи на 2 тыс. абонентов. Поэтому 1978 год можно считать годом начала практического применения сотовой связи. Первая автоматическая коммерческая система сотовой связи была введена в эксплуатацию также в Чикаго в октябре 1983 г. компанией American Telephone and Telegraph (AT&T). В Канаде сотовая связь используется с 1978 г., в Японии — с 1979 г., в североевропейских странах (Дания, Норвегия, Швеция, Финляндия) — с 1981 г., в Испании и Англии — с 1982 г. По состоянию на июль 1997 г. сотовая связь работала более чем в 140 странах всех континентов, обслуживая более 150 млн абонентов.

Первой коммерчески успешной сотовой сетью была финская сеть Autoradiopuhelin (ARP). Это название переводится на русский как «Автомобильный радиотелефон». Запущенная в 1971 г., она достигла 100%-го покрытия территории Финляндии в 1978 году, а в 1986 году в ней было более 30 тыс. абонентов. Работала сеть на частоте 150 МГц, размер соты — около 30 км.

Сотовая вышка CDMA

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 (англ. handover).

Сотовые сети могут состоять из базовых станций разного стандарта, что позволяет оптимизировать работу сети и улучшить её покрытие.

Сотовые сети разных операторов соединены друг с другом, а также со стационарной телефонной сетью. Это позволяет абонентам одного оператора делать звонки абонентам другого оператора, с мобильных телефонов на стационарные и со стационарных на мобильные.

Операторы могут заключать между собой договоры роуминга. Благодаря таким договорам абонент, находясь вне зоны покрытия своей сети, может совершать и принимать звонки через сеть другого оператора. Как правило, это осуществляется по повышенным тарифам. Возможность автоматического роуминга появилась лишь в стандартах 2G и является одним из главных отличий от сетей 1G.[2]

Операторы могут совместно использовать инфраструктуру сети, сокращая затраты на развертывание сети и текущие издержки.

Операторы сотовой связи предоставляют следующие услуги:

Сотовая связь — это… Что такое Сотовая связь?

Сотовая связь, сеть подвижной связи — один из видов мобильной радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть. Ключевая особенность заключается в том, что общая зона покрытия делится на ячейки (соты), определяющиеся зонами покрытия отдельных базовых станций (БС). Соты частично перекрываются и вместе образуют сеть. На идеальной (ровной и без застройки) поверхности зона покрытия одной БС представляет собой круг, поэтому составленная из них сеть имеет вид сот с шестиугольными ячейками (сотами).

Сеть составляют разнесённые в пространстве приёмопередатчики, работающие в одном и том же частотном диапазоне, и коммутирующее оборудование, позволяющее определять текущее местоположение подвижных абонентов и обеспечивать непрерывность связи при перемещении абонента из зоны действия одного приёмопередатчика в зону действия другого.

История

Первое использование подвижной телефонной радиосвязи в США относится к 1921 г.: полиция Детройта использовала одностороннюю диспетчерскую связь в диапазоне 2 МГц для передачи информации от центрального передатчика к приёмникам, установленным на автомашинах. В 1933 г. полиция Нью-Йорка начала использовать систему двусторонней подвижной телефонной радиосвязи также в диапазоне 2 МГц. В 1934 г. Федеральная комиссия связи США выделила для телефонной радиосвязи 4 канала в диапазоне 30—40 МГц, и в 1940 г. телефонной радиосвязью пользовались уже около 10 тысяч полицейских автомашин. Во всех этих системах использовалась амплитудная модуляция. Частотная модуляция начала применяться с 1940 г. и к 1946 г. полностью вытеснила амплитудную. Первый общественный подвижный радиотелефон появился в 1946 г. (Сент-Луис, США; фирма Bell Telephone Laboratories), в нём использовался диапазон 150 МГц. В 1955 г. начала работать 11-канальная система в диапазоне 150 МГц, а в 1956 г. — 12-канальная система в диапазоне 450 МГц. Обе эти системы были симплексными, и в них использовалась ручная коммутация. Автоматические дуплексные системы начали работать соответственно в 1964 г. (150 МГц) и в 1969 г. (450 МГц).

В СССР в 1957 г. московский инженер Л. И. Куприянович создал опытный образец носимого автоматического дуплексного мобильного радиотелефона ЛК-1 и базовую станцию к нему. Мобильный радиотелефон весил около трех килограммов и имел радиус действия 20—30 км. В 1958 году Куприянович создаёт усовершенствованные модели аппарата весом 0,5 кг и размером с папиросную коробку. В 1960-х гг. Христо Бочваров в Болгарии демонстрирует свой опытный образец карманного мобильного радиотелефона. На выставке «Интероргтехника-66» Болгария представляет комплект для организации местной мобильной связи из карманных мобильных телефонов РАТ-0,5 и АТРТ-0,5 и базовой станции РАТЦ-10, обеспечивающей подключение 10 абонентов.

В конце 50-х гг в СССР начинается разработка системы автомобильного радиотелефона «Алтай», введённая в опытную эксплуатацию в 1963 г. Система «Алтай» первоначально работала на частоте 150 МГц. В 1970 г. система «Алтай» работала в 30 городах СССР и для неё был выделен диапазон 330 МГц.

Аналогичным образом, с естественными отличиями и в меньших масштабах, развивалась ситуация и в других странах. Так, в Норвегии общественная телефонная радиосвязь использовалась в качестве морской мобильной связи с 1931 г.; в 1955 г. в стране было 27 береговых радиостанций. Наземная мобильная связь начала развиваться после второй мировой войны в виде частных сетей с ручной коммутацией. Таким образом, к 1970 г. подвижная телефонная радиосвязь, с одной стороны, уже получила достаточно широкое распространение, но с другой — явно не успевала за быстро растущими потребностями, при ограниченном числе каналов в жёстко определённых полосах частот. Выход был найден в виде системы сотовой связи, что позволило резко увеличить ёмкость за счёт повторного использования частот в системе с ячеистой структурой.

Сотовые системы

Отдельные элементы системы сотовой связи существовали и раньше. В частности, некоторое подобие сотовой системы использовалось в 1949 г. в Детройте (США) диспетчерской службой такси — с повторным использованием частот в разных ячейках при ручном переключении каналов пользователями в оговорённых заранее местах. Однако архитектура той системы, которая сегодня известна как система сотовой связи, была изложена только в техническом докладе компании Bell System, представленном в Федеральную комиссию связи США в декабре 1971 года. С этого времени начинается развитие собственно сотовой связи.

В 1974 г. Федеральная комиссия связи США приняла решение о выделении для сотовой связи полосы частот в 40 МГц в диапазоне 800 МГц; в 1986 г. к ней было добавлено ещё 10 МГц в том же диапазоне. В 1978 г. в Чикаго начались испытания первой опытной системы сотовой связи на 2 тыс. абонентов. Поэтому 1978 год можно считать годом начала практического применения сотовой связи. Первая автоматическая коммерческая система сотовой связи была введена в эксплуатацию также в Чикаго в октябре 1983 г. компанией American Telephone and Telegraph (AT&T). В Канаде сотовая связь используется с 1978 г., в Японии — с 1979 г., в североевропейских странах (Дания, Норвегия, Швеция, Финляндия) — с 1981 г., в Испании и Англии — с 1982 г. По состоянию на июль 1997 г. сотовая связь работала более чем в 140 странах всех континентов, обслуживая более 150 млн абонентов.

Первой коммерчески успешной сотовой сетью была финская сеть Autoradiopuhelin (ARP). Это название переводится на русский как «Автомобильный радиотелефон». Запущенная в 1971 г., она достигла 100%-го покрытия территории Финляндии в 1978 году, а в 1986 году в ней было более 30 тыс. абонентов. Работала сеть на частоте 150 МГц, размер соты — около 30 км.

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 (англ. handover).

Сотовые сети могут состоять из базовых станций разного стандарта, что позволяет оптимизировать работу сети и улучшить её покрытие.

Сотовые сети разных операторов соединены друг с другом, а также со стационарной телефонной сетью. Это позволяет абонентам одного оператора делать звонки абонентам другого оператора, с мобильных телефонов на стационарные и со стационарных на мобильные.

Операторы могут заключать между собой договоры роуминга. Благодаря таким договорам абонент, находясь вне зоны покрытия своей сети, может совершать и принимать звонки через сеть другого оператора. Как правило, это осуществляется по повышенным тарифам. Возможность роуминга появилась лишь в стандартах 2G и является одним из главных отличий от сетей 1G.[1]

Операторы могут совместно использовать инфраструктуру сети, сокращая затраты на развертывание сети и текущие издержки.

Сотовая связь в России

В России сотовая связь начала внедряться с 1990 г., коммерческое использование началось с 9 сентября 1991 г., когда в Санкт-Петербурге компанией «Дельта Телеком» была запущена первая в России сотовая сеть (работала в стандарте NMT-450) и был совершён первый символический звонок по сотовой связи мэром Санкт-Петербурга Анатолием Собчаком.

Руководитель Клуба региональной журналистики Ирина Ясина вспоминает[2]:

« Первый мобильный телефон был вот такой величины и назывался Nokia. Он стоил 5 тыс. долл. Его, как чемодан, надо было за собой носить. Когда мы выходили из машины, мы снимали дворники всегда, потому что их воруют. А крутой брал телефон из салона, шел в кафе, клал перед собой телефон, который занимал полстола. Это было смешно »

.

К июлю 1997 г. общее число абонентов в России составило около 300 тысяч. На 2007 год основные протоколы сотовой связи, используемые в России — GSM-900 и GSM-1800. Помимо этого, работают и CDMA-сети, в стандарте CDMA-2000, он же IMT-MC-450. Также GSM-операторами ведётся плавный переход на стандарт UMTS. В частности, первый фрагмент сети этого стандарта в России был введён в эксплуатацию 2 октября 2007 года в Санкт-Петербурге компанией «МегаФон».

Компания IDC на основе исследования российского рынка сотовой связи сделала вывод, что в 2005 году общая продолжительность разговоров по сотовому телефону жителей РФ достигла 155 миллиардов минут, а текстовых сообщений было отправлено 15 миллиардов штук.

Согласно данным британской исследовательской компании Informa Telecoms & Media за 2006 год, средняя стоимость минуты сотовой связи для потребителя в России составила $0,05 — это самый низкий показатель из стран «большой восьмёрки».[3]

В декабре 2007 года число пользователей сотовой связи в России выросло до 172,87 млн абонентов, в Москве — до 29,9, в Санкт-Петербурге — до 9,7 млн. Уровень проникновения в России — до 119,1 %, Москве — 176 %, Санкт-Петербурге — 153 %. В декабре 2011 года уровень проникновения в России — до 156 %, Москве — 212,1 %, Санкт-Петербурге — 215,6 %[4]. Доля рынка крупнейших сотовых операторов на декабрь 2007 года составила: МТС 30,9 %, «ВымпелКом» 29,2 %, «МегаФон» 19,9 %, другие операторы 20 %.[5]

Согласно исследованию компании J’son & Partners, количество зарегистрированных в России сим-карт по состоянию на конец ноября 2008 года достигло 183,8 млн[6]. Эта цифра обусловлена отсутствием абонентской платы на популярных тарифных планах у российских операторов сотовой связи и низкой ценой подключения к сети. Абоненты в ряде случаев имеют сим-карты разных операторов, при этом могут ими не пользоваться продолжительное время, либо использовать одну сим-карту в служебном мобильном телефоне, а другую — для личных разговоров[7].

В России в декабре 2008 г. насчитывалось 187,8 млн пользователей сотовой связи (по числу проданных сим-карт). Уровень проникновения сотовой связи (количество SIM-карт на 100 жителей) на эту дату составил, таким образом, 129,4 %. В регионах, без учёта Москвы, уровень проникновения превысил 119,7 %.[8]

Доля рынка крупнейших сотовых операторов на декабрь 2008 года составила: 34,4 % у МТС, 25,4 % у «Вымпелкома» и 23,0 % у «МегаФона».[8]

Уровень проникновения на конец 2009 года достиг 162,4 %.

По состоянию на апрель 2010 г. доля рынка в России по абонентам: МТС — 32,9 %, МегаФон — 24,6 %, Вымпелком — 24,0 %, Tele2 — 7,5 %, другие операторы — 11,0 %

Услуги сотовой связи

Операторы сотовой связи предоставляют следующие услуги:

Интересные факты

Question book-4.svg

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации.
Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 12 мая 2011.
  • Для работы первой автоматической системы сотовых телефонов требовался человек-оператор, вручную подключавший пользователей к внешней телефонной линии.
  • Первые базовые станции для «КБ „Импульс“» (ныне «ВымпелКом») были созданы «с нуля» в Радиотехническом институте им. А. Л. Минца и по своим характеристикам не уступали зарубежным аналогам.
  • Первая система сотовой связи появилась в СССР в 1950-е годы.
  • Обычно телефонный номер, не используемый в течение 3-6 месяцев (в зависимости от правил оператора) с момента последнего исходящего звонка у абонента отбирают, он помещается в «отстойник» (необходимо, чтобы новому владельцу номера не звонили знакомые старого владельца — этот срок примерно или ровно три месяца), далее его выставляют на продажу. Некоторые операторы по истечении определённого срока отсутствия платных исходящих звонков (например, 90 дней), когда оператор имеет право изъять номер, сначала включают «услугу сохранения номера» (фактически — ежедневную абонентскую плату) и лишь тогда, когда баланс близок к нулю, номер изымается. В этом случае можно обратиться в офис своего сотового оператора с просьбой вернуть номер и, если номер ещё не продан другому человеку, то его вернут.[9] Однако оператор не обязан включать «сохранение номера» или возвращать утраченный номер.

См. также

Примечания

  1. О сотовой связи
  2. Семинары
  3. Тимофей Дзядко. Дешевле, чем в России, почти не бывает. Минута разговора по сотовому обходится в среднем в $0,05 // Ведомости, № 164 (1938), 3 сентября 2007
  4. Уровень проникновения сотовой связи в России составляет 156,8% | OSP News | Издательство «Открытые системы»
  5. NEWSru.com | Технологии | Число пользователей сотовой связи в России выросло до 172,87 млн абонентов
  6. Количество зарегистрированных в России сим-карт приблизилось к 184 миллионам
  7. В России на 100 человек приходится 140 сим-карт
  8. 1 2 Число пользователей сотовой связи в России в 2008 г выросло на 8,7 проц до 187,8 млн абонентов, проникновение увеличилось до 129,4 проц — AC&M Consulting /расширенная версия/
  9. Это подтверждают справочные службы сотовых операторов (Билайн, Мегафон).

Ссылки

Есть более полная статья

Сотовая связь — это… Принцип работы сотовой связи

Что такое сотовая связь? Это система, которая использует большое количество беспроводных передатчиков с низким энергопотреблением для создания ячеек — основной географической зоны обслуживания системы беспроводной связи. Переменные уровни мощности позволяют определять размеры ячеек в соответствии с плотностью абонента и потребностями в конкретном регионе.

Когда мобильные пользователи перемещаются из ячейки в ячейку, их разговоры «передаются» между этими зонами для обеспечения бесперебойного обслуживания. Каналы (частоты), используемые в одной такой единице, могут быть повторно использованы в другой на некотором расстоянии.

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.

Сотовые телефоны

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.

Принцип работы мобильной коммуникации

Каждый мобильный телефон использует отдельный временный радиоканал для связи с сотовым сайтом. Данный сайт поддерживает коммуникацию со многими телефонами одновременно, используя один канал на один телефон. Каналы используют пару частот сотовой связи:

  1. Прямую линию для передачи с сотового узла.
  2. Обратную линию, чтобы сотовый узел мог принимать вызовы от пользователей.

Радиоэнергия рассеивается на расстоянии, поэтому мобильные телефоны должны оставаться рядом с базовой станцией, чтобы поддерживать связь. Базовая структура мобильных сетей включает в себя телефонные системы и службы радиосвязи.

Принцип работы сотовой связи (для чайников)

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.

Центр коммутации ищет базовую станцию с максимальным уровнем сигнала сотового телефона абонента сотовой связи и переключает разговор на нее.

Сотовая связь - это

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.

Например, путем разделения области на сто различных участков (ячеек) с передатчиками с низким энергопотреблением, использующие по двенадцать разговоров (каналов), емкость системы теоретически может быть увеличена с двенадцати разговоров или голосовых каналов, использующих один мощный передатчик, до двенадцати сотен разговоров (каналов), использующих сотню передатчиков с низким энергопотреблением.

Городской район сконфигурирован как традиционная сеть мобильной телефонной связи с одним мощным передатчиком.

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.

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.

передача сигнала сотовой связи

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.

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.

Концепция сотовой связи

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. Повторное использование частот было реализовано путем реструктуризации архитектуры системы мобильной телефонной связи в концепцию сотовой связи.

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. Зона их покрытия называется отпечатком. Этот отпечаток ограничен границей, так что одну и ту же группу каналов можно использовать в разных ячейках, которые находятся достаточно далеко друг от друга, чтобы их частоты не мешали.

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.

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.

Вызов абонента

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.

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.

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).

Вредоносность вышек сотовой связи

Сотовая связь – это большой прорыв в науке и технике своего времени, который не обошелся без последствий. Индустрия сотовой связи продолжает утверждать, что вышки связи не представляют опасности для здоровья, но в наши дни все меньше людей верят в это.

Вышка сотовой связи

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

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

Существуют убедительные доказательства того, что электромагнитное излучение вышек наносит вред здоровью.

Пример: исследование влияния клеточной башни на стадо молочного скота было проведено правительством штата Бавария в Германии, результаты опубликованы в 1998 году. Возведение башни вызвало неблагоприятные последствия для здоровья, что привело к ощутимому падению надоя. Переезд крупного рогатого скота восстановил надой молока. Перемещение их обратно на исходное пастбище воссоздало проблему.

Сотовая связь в России

Из 100 возможных кодов сотовой связи России задействованы 79 и свободен 21. Свободные коды находятся в резерве и не принадлежат пока ни одному оператору.

В РФ зарегистрировано более 80 компаний сотовой связи, предоставляющих свои услуги на территории страны. Мобильные операторы имеют телефонные коды в формате 9хх. Телефоны операторов сотовой связи десятизначные и начинаются с +79хх или с 89xx.

Операторы телефонной связи

К самым крупным операторам относятся: МТС («Мобильные ТелеСистемы»), «Билайн» («Вымпел-Коммуникации»), «МегаФон», «Теле2» (Т2-Мобайл). Операторам «большой тройки» (МТС, «Билайн» и «МегаФон») принадлежат целые серии номеров.

Почему связь – «сотовая»?: tolyas83lytdybr — LiveJournal

Сотовая связь. Школьный курс.

Внимание! Тема мальчиково-инженерная. Может показаться скучной.

Все описанное описывалось и пережевывалось в интернетах и учебниках много раз. Напишу-ка я и свою версию происходящего. Заодно и с заблуждениями разберемся.

Итак, почему она «сотовая»? Ну, здесь все просто. Если изобразить зоны покрытия базовых станций на карте, то получится изображение пчелиных сот. Разумеется, такой вид имеет сеть «сферической формы в вакууме» т.е. построенная на ровной поверхности и с одинаковой плотностью распределения абонентов по площади. В жизни все не так, но мы сейчас рассматриваем сам принцип. «Сотовая» — это наше, русскоязычное, определение. У басурман используется термин cell – клетка, ячейка. Наше определение, думаю, точнее.

.
Так в чем же смысл «сотового» построения сети и зачем такие сложности? Пробуем разобраться.

.
Самый ценный ресурс, который используется в радиосвязи – это радиочастоты.  И их  постоянно не хватает. Выходом является повторное использование одних и тех же частот.

.
Рассмотрим сильно утрированный пример. В городе живет 1000 человек и всех нужно обеспечить связью. Каждому абоненту необходима своя частота, а диапазона частот, который нам доступен, хватает только на 100 абонентов.  Решение у этой задачи не сложное.  Делим  город на 10 зон и в каждой строим свою базовую станцию.  А на каждой базовой станции применяем весь, отведенный нам, диапазон частот. Частоты одни и те же, но применяются в разных районах города и друг другу помех не создают. Да, мы вынуждены организовать 10 площадок вместо одной, наладить между ними транспортные каналы связи и все это засинхронизировать. Но это – единственный, на сегодняшний день, выход. На принципе повторного использования частот строятся и 2G-, и 3G- и 4G-сети.

.
Двигаемся дальше. Количество частот у нас неизменно, а плотность расселения абонентов разная. Распределять абонентов по площади как нам удобно мы не можем, а вот поиграть с размером зоны обслуживания базовой станцией – вполне. И выбрать размер этой зоны таким, чтобы отведенных нам частот хватило на всех абонентов находящихся в этой зоне. Как следствие этого мы видим, что в городе, где плотность абонентов большая, базовые станции стоят на крыше каждого второго дома. А в области между вышками по десятку километров.

.
Если интересны конкретные цифры, то максимальный возможный радиус покрытия одной базовой станции 2G – 35 километров. Это ограничение заложено в самом стандарте. Разумеется, увидеть «антеннку» на дисплее телефона вы можете и на большем расстоянии, а вот дозвониться уже не получится. Грубо говоря, мы вышку видим, а она нас нет.

.
Распределение частот госорганами – мощный административный ресурс, который постоянно применяется. Например, приходит в город новый оператор, известный своими демпинговыми ценами. Не пустить его нельзя. Но можно дать ему меньшее количество частот. Как следствие, этот новый оператор будет вынужден строить больше базовых станций, чем у конкурентов. А значит платить больше за аренду площадок, т.к. все они арендуемые. И демпинговать уже не получится. Это, кстати, реальная история.

.
И напоследок, разберемся с понятием «сота». Существует заблуждение, что сота – это зона покрытия одной базовой станции и базовая станция находится в центре соты. Это не так. Антенны базовой станции – направленные. Т.е. чтобы обеспечить вещание базовой станции вокруг, на 360 градусов, нужно эти 360 градусов разбить на сектора и в каждом секторе будет своя группа антенн. Секторов, обычно, делают три (по 120 градусов каждый). И вот сектор, по сути, является сотой. Разумеется, эксперты за такое определение закидают меня тухлыми помидорами, но для упрощенной модели оно годится. Тут главное, чтобы в соседних сотах частоты не совпадали, иначе на границе таких сот связи не будет.

Небольшой занудный апдейт, касательно человеческих заблуждений и причины их появлений.

Одна БС — одна сота.

На заре сотовой связи, использовались антенны с круговой диаграммой. Поэтому во всех первых книгах по стандарту GSM видим базовую станцию расположенную по центру соты. И это правильно … было для того времени. Потом появились направленные антенны и область покрытия базовой станции была разделена на сектора. Одна БС стала «содержать» несколько сот. Но теоретики, традиционно, за практиками не успевают и продолжают ссылаться на мастодонтов 90-х, с их учебниками, схемами и определениями. Беда в том, что и современные авторы часто не задумываются, а просто копирут то, чему их учили 15 лет назад.
.
Поясню разницу на схемах. Устаревая, прошедшая через все древние учебники схема выглядит примерно так:

Здесь сота и зона обслуживания одной базовой станции равны. Т.е. сота — это территория, обслуживаемая одной БС при всенаправленных антеннах. БС в данном случае располагается в центре соты.

Но антенны сотовой связи с круговой диаграммой сейчас не увидишь и зона обслуживания одной базовой станции сейчас делится на сектора. Современная схема будет выглядеть так:

Есть, конечно, мнения (в учебнике у того же Берлина), что сота на БС осталась одной единственной, но стала «секторизированной», но это «от лукавого». Сейчас поясню почему.
.
У соты есть характерные отличительные признаки. Один из основных — это уникальный идентификатор Cell ID или CI. С тем, что Cell ID (CI) — это уникальный индификатор соты, не будет спорить никто. Когда использовались «круговые» антенны, на одной БС использовался один CI. Сейчас же в каждом секторе используется свой CI. Еще раз: в одной БС несколько cell ID (CI), т.е. несколько сот. С идентификацией секторов здесь не перепутаешь. У сот идентификация через CI и она сквозная на всей сети. У секторов же, идентификация только в пределах одной БС и она задается оператором. У нас — в буквах. В документации к БС обозначение сот и секторов дается отдельно.
.
Еще признак. У каждой соты есть свой вещательный канал — BCCH (Broadcast Control Chanel). В нем содержится много полезной информации, в т.ч. CI конкретной соты. Раньше, до применения секторизаци, у БС вещал один BCCH. Сейчас в каждой соте BCCH свой. Одна БС — несколько BCCH.
.
Оба признака распространяются на 2/3/4 G стандарта. Каждая сота, будь то 2G, 3G или 4G имеет свой Cell ID и свой BCCH.

Как работает мобильная связь: соты, стандарты и возможности 5G — Технологии

Сотовая связь считается одним из самых полезных изобретений
человечества — наряду с колесом, электричеством, интернетом и компьютером. И лишь за несколько десятилетий эта технология пережила целый ряд революций. С чего начиналось беспроводное общение, как работают соты и какие возможности откроет новый мобильный стандарт 
5G?

Первое использование подвижной телефонной радиосвязи относится к 1921 году — тогда в США полиция Детройта использовала одностороннюю диспетчерскую связь в диапазоне 2 МГц для передачи информации от центрального передатчика к приемникам в автомобилях полицейских.

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.

Почему связь называется сотовой

Принцип мобильной связи прост — территория, на которой обеспечивается
соединение абонентов, разбивается на отдельные ячейки или «соты», каждую из
которых обслуживает базовая станция. При этом в каждой «соте» абонент получает
идентичные услуги, поэтому сам он никак не чувствует пересечения этих
виртуальных границ.

Обычно базовая станция в виде пары железных шкафов с
оборудованием и антенн размещается на специально построенной вышке, однако в
городе их нередко размещают на крышах высотных зданий. В среднем каждая станция
ловит сигнал от мобильных телефонов на удалении до 35 километров.

Для улучшения качества обслуживания операторы также
устанавливают фемтосоты — маломощные и миниатюрные станции сотовой связи,
предназначенные для обслуживания небольшой территории. Они позволяют резко улучшить покрытие в тех
местах, где это необходимо.Сотовую связь в России объединят с космосом

Находящийся в сети мобильник прослушивает эфир и находит
сигнал базовой станции. В современную SIM-карту, кроме процессора и оперативки,
вшит уникальный ключ, позволяющий авторизоваться в сотовой сети. Связь телефона
со станцией может осуществляться по разным протоколам — например, цифровым DAMPS,
CDMA, GSM, UMTS.

Сотовые сети разных операторов соединены друг с другом, а
также со стационарной телефонной сетью. Если телефон выходит из поля действия
базовой станции, аппарат налаживает связь с другими — установленное абонентом
соединение незаметно передается другим «сотам», что обеспечивает непрерывную
связь при перемещениях.

В России для вещания сертифицированы три диапазона — 800
МГц, 1800 МГц и 2600 МГц. Диапазон 1800 МГц считается самым популярным в мире,
так как сочетает высокую емкость, большой радиус действия и высокую проникающую
способность. Именно в нем сейчас работают большинство мобильных сетей.

Какие стандарты мобильной связи бывают

Первые мобильники работали с технологий 1G — это самое первое поколение сотовой связи,
которое опиралось на аналоговые телекоммуникационные стандарты, главным из
которых стал NMT — Nordic Mobile Telephone. Он предназначался
исключительно для передачи голосового
трафика.

К 1991 году относят рождение 2G — главным стандартом нового
поколения стал GSM (Global System for Mobile Communications). Данный стандарт
поддерживается до сих пор. Связь в этом стандарте стала цифровой, появилась
возможность шифрования голосового трафика и отправки СМС.

Скорость передачи данных внутри GSM не превышала 9,6 кбит/с,
что делало невозможной передачу видео или высококачественного звука. Проблему
был призван решить стандарт GPRS, известный как 2.5G. Он впервые позволил пользоваться сетью Интернет владельцам мобильных телефонов.

Такой стандарт уже обеспечил скорость передачи данных до 114
Кбит/c. Однако вскоре он также перестал удовлетворять постоянно растущие
запросы пользователей. Для решения этой проблемы в 2000 году был разработан
стандарт 3G, который обеспечивал доступ к услугам Сети на
скорости передачи данных в 2 Мбита.

Еще одним отличием 3G
стало присвоение каждому абоненту IP-адреса, что позволило превратить мобильники в маленькие компьютеры,
подключенные к интернету. Первая коммерческая сеть 3G была запущена 1 октября
2001 года в Японии. В дальнейшем пропускная способность стандарта неоднократно
увеличивалась.

Наиболее современный стандарт — связь четвертого поколения 4G, которая предназначена только для высокоскоростных
сервисов передачи данных. Пропускная способность сети 4G способна достигать 300
Мбит/сек, что дает пользователю практически неограниченные возможности работы в
интернете.

Сотовая связь будущего

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

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

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

ЕЩЕ ПО ТЕМЕ:

Первый смартфон 5G появится раньше необходимых сетей

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.

Базовые станции сотовой связи и их антенная часть

И вновь немного общеобразовательного материала. На этот раз речь пойдет о базовых станциях. Рассмотрим различные технические моменты по их размещению, конструкции и дальности действия, а также заглянем внутрь самого антенного блока.

 

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. Являясь наиболее заметной частью БС, они устанавливаются на антенных мачтах, крышах жилых и производственных зданий и даже дымовых трубах. Сегодня можно встретить и более экзотические варианты их установки, в России их уже устанавливают на столбах освещения, а в Египте их даже «маскируют» под пальмы.

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. К примеру, на рисунке ниже показано устройство современной базовой станции, где оптоволоконный кабель используется для передачи данных от RRU (выносные управляемые модули) антенны до самой базовой станции (показано оранжевой линией).

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. Часто радиомодуль устанавливают рядом с антенным блоком, это позволяет уменьшить потери и рассеивание передаваемой в антенну мощности. Так выглядят три установленных радиомодуля оборудования базовой станции Flexi Multiradio, закрепленные прямо на мачте:

 

Зона обслуживания базовых станций

Для начала следует отметить, что бывают различные типы базовых станций: макро, микро, пико и фемтосоты. Начнем с малого. И, если кратко, то фемтосота не является базовой станцией. Это, скорее, Access Point (точка доступа). Данное оборудование изначально ориентируется на домашнего или офисного пользователя и владельцем такого оборудования является частное или юр. лицо, не относящееся к оператору. Главное отличие такого оборудования заключается в том, что оно имеет полностью автоматическую конфигурацию, начиная от оценки радиопараметров и заканчивая подключением к сети оператора. 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:

Микросота – это приближенный вариант реализации базовой станции в компактном виде, очень распространено в сетях операторов. От «большой» базовой станции ее отличает урезанная емкость поддерживаемых абонентом и меньшая излучающая мощность. Масса, как правило, до 50 кг и радиус радиопокрытия — до 5 км. Такое решение используется там, где не нужны высокие емкости и мощности сети, или нет возможности установить большую станцию:

И наконец, макросота – стандартная базовая станция, на базе которой строятся мобильные сети. Она характеризуется мощностями порядка 50 W и радиусом покрытия до 100 км (в пределе). Масса стойки может достигать 300 кг.

Зона покрытия каждой БС зависит от высоты подвеса антенной секции, от рельефа местности и количества препятствий на пути до абонента. При установке базовой станции далеко не всегда на первый план выносится радиус покрытия. По мере роста абонентской базы может не хватить максимальной пропускной способности БС, в этом случае на экране телефона появляется сообщение «сеть занята». Тогда оператор со временем на этой территории может сознательно уменьшить радиус действия базовой станции и установить несколько дополнительных станций в местах наибольшей нагрузки.

Когда нужно увеличить емкость сети и снизить нагрузку на отдельные базовые станции, тогда и приходят на помощь микросоты. В условиях мегаполиса зона радиопокрытия одной микросоты может составлять всего 500 метров.

В условиях города, как ни странно, встречаются такие места, где оператору нужно локально подключить участок с большим количеством трафика (районы станций метро, крупные центральные улицы и др.). В этом случае применяются маломощные микросоты и пикосоты, антенные блоки которых можно располагать на низких зданиях и на столбах уличного освещения. Когда возникает вопрос организации качественного радиопокрытия внутри закрытых зданий (торговые и бизнес центры, гипермаркеты и др.) тогда на помощь приходят пикосотовые базовые станции.

За пределами городов на первый план выходит дальность работы отдельных базовых станций, так установка каждой базовой станции в удалении от города становится все более дорогостоящим предприятием в связи с необходимостью построения линий электропередач, дорог и вышек в сложных климатических и технологических условиях. Для увеличения зоны покрытия желательно устанавливать БС на более высоких мачтах, использовать направленные секторные излучатели, и более низкие частоты, менее подверженные затуханию.

Так, например, в диапазоне 1800 МГц дальность действия БС не превышает 6-7 километров, а в случае использования 900–мегагерцового диапазона зона покрытия может достигать 32 километров, при прочих равных условиях.

 

Антенны базовых станций. Заглянем внутрь

В сотовой связи чаще всего используют секторные панельные антенны, которые имеют диаграмму направленности 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. Пример организации равномерного покрытия во всех направлениях показан на рисунке ниже:

А ниже вид типовых диаграмм направленности в логарифмическом масштабе.

Большинство антенн базовых станций широкополосные, позволяющие работать в одном, двух или трех диапазонах частот. Начиная с сетей UMTS, в отличие от GSM, антенны базовых станций умеют изменять площадь радиопокрытия в зависимости от нагрузки на сеть. Один из самых эффективных методов управления излучаемой мощностью – это управление углом наклона антенны, таким способом изменяется 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. Существуют также решения, позволяющие изменять зону обслуживания, от общей системы управления сети передачи данных. Таким образом, можно регулировать зону обслуживания всего сектора базовой станции. 

В антеннах базовых станций применяется как механическое управление диаграммой, так и электрическое. Механическое управление проще реализуется, но часто приводит к искажению формы диаграммы направленности из-за влияния конструктивных частей. Большинство антенн БС имеет систему электрической регулировки угла наклона.

Современный антенный блок представляет собой группу излучающих элементов антенной решетки. Расстояние между элементами решетки выбирается таким образом, чтобы получить наименьший уровень боковых лепестков диаграммы направленности. Наиболее часто встречаются длины панельных антенн от 0,7 до 2,6 метров (для многодиапазонных антенных панелей). Коэффициент усиления варьируется от 12 до 20 dBi.

На рисунке ниже (слева) представлена конструкция одной из наиболее распространенных (но уже устаревающих) антенных панелей. 

Здесь излучатели антенной панели представляют собой полуволновые симметричные электрические вибраторы над проводящим экраном, расположенные под углом 45 градусов. Такая конструкция позволяет формировать диаграмму с шириной главного лепестка 65 или 90 градусов. В такой конструкции выпускаются двух- и даже трехдиапазонные антенные блоки (правда, довольно крупногабаритные). Например, трехдиапазонная антенная панель такой конструкции (900, 1800, 2100 МГц) отличается от однодиапазонной, примерно в два раза большим размером и массой, что, конечно же, затрудняет ее обслуживание.

Альтернативная технология изготовления таких антенн предполагает выполнение полосковых антенных излучателей (металлические пластины квадратной формы), на рисунке выше справа.

А вот еще один вариант, когда в качестве излучателя используются полуволновые щелевые магнитные вибраторы. Линия питания, щели и экран выполняются на одной печатной плате с двухсторонним фольгированным стеклотекстолитом:

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! Столь значительная длина кабеля и количество паяных соединений неизбежно приводит к потерям в линиях и снижению коэффициента усиления:

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. Данная технологиях проста в производстве и обеспечивает высокую повторяемость характеристик антенны при ее серийном выпуске.

 

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. Более того, работа в двух и даже трех диапазонах должна производиться одновременно. Вследствие этого антенная часть включает в себя довольно сложные электромеханические схемы, которые должны обеспечивать должное функционирование в сложных климатических условиях.

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 для того же диапазона частот, что и рассмотренная выше:

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, каждая антенна настраивается на отдельные частоты рабочего диапазона. Конструкция поясняется рисунком ниже:

 

Как и в любых других многоэлементных антеннах в такой конструкции происходит взаимодействие элементов, работающих в разных диапазонах частот. Само собой это взаимодействие оказывает влияние на направленность и согласование антенн, но данное взаимодействие может быть устранено методами, применяемыми в ФАР (фазированных антенных решетках). Например, одним из наиболее эффективных методов является изменение конструктивных параметров элементов путем смещения возбуждающего устройства, а также изменение размеров самого облучателя и толщины разделительного диэлектрического слоя.

Важным моментом является то, что все современные беспроводные технологии широкополосные, и ширина полосы рабочих частот составляет не менее 0,2 ГГц. Широкой рабочей полосой частот обладают антенны на основе взаимодополняющих структур, типичным примером которых являются антенны типа «bow-tie» (бабочка). Согласование такой антенны с линией передачи осуществляется подбором точки возбуждения и оптимизацией ее конфигурации. Чтобы расширить полосу рабочих частот по согласованию «бабочку» дополняют входным сопротивлением емкостного характера.

Моделирование и расчет подобных антенн производят в специализированных программных пакетах САПР. Современные программы позволяют моделировать антенну в полупрозрачном корпусе при наличии влияния различных конструктивных элементов антенной системы и позволяют тем самым произвести достаточно точный инженерный анализ.

Проектирование многодиапазонной антенны производят поэтапно. Сначала рассчитывают и проектируют микрополосковую печатную антенну с широкой полосой пропускания для каждого рабочего диапазона частот отдельно. Далее печатные антенны разных диапазонов совмещают (наложением друг на друга) и рассматривают их совместную работу, устраняя по возможности причины взаимного влияния.

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. Каждый слой печатной платы отделен от другого с помощью диэлектрика. Приведенная конструкция может работать в диапазоне GSM 1900 (1850-1990 МГц) – принимает нижний слой; WiMAX (2,5 – 2,69 ГГц)  – принимает средний слой; WiMAX (3,3 – 3,5 ГГц) – принимает верхний слой. Подобная конструкция антенной системы позволит принимать и передавать радиосигнал без использования дополнительного активного оборудования, не увеличивая тем самым габаритных размеров блока антенны.

 

И в заключении немного о вреде БС

Порой, базовые станции операторов сотовой связи устанавливают прямо на крышах жилых домов, чем конкретно деморализуют некоторых их обитателей. У хозяев квартир перестают «рожать кошки», а на голове у бабушки начинают быстрее появляться седые волосы. А тем временем, от установленной базовой станции жители этого дома электромагнитного поля почти не получают, ибо «вниз» базовая станция не излучает. Да и, к слову сказать, нормы СаНПиНа для электромагнитного излучения в РФ на порядок ниже, чем в «развитых» странах запада, и поэтому в черте города базовые станции никогда на полную мощность не работают. Тем самым, вреда от БС нет, если только вы не устраиваетесь позагорать на крыше в паре метров от них. Зачастую, с десяток точек доступа, установленных в квартирах жителей, а также микроволновые печи и сотовые телефоны (прижатые к голове) оказывают на вас намного большее воздействие, нежели базовая станция, установленная в 100 метрах за пределами здания. 

Как устроена сеть сотовой связи GSM/UMTS / Habr

В комментариях к постам про сеть WiMAX (1, 2) и про GPRS был выражен интерес к сетям сотовой связи, поэтому решил реализовать свою давнюю задумку и описать хабрасообществу как же устроены современные сети сотовой связи.

На приведённой картинке изображена общая структура сетей сотовой связи. Изначально сеть разделяется на 2 больших подсети — сеть радиодоступа (RAN — Radio Access Network) и сеть коммутации или опорную сеть (CN — Core Network).

Хочу подчеркнуть, что буду описывать именно существующие сети сотовой связи для СНГ, потому что в Европе, Америке и Азии сети более развиты и их структура несколько отличается от наших сетей, про это напишу как-нибудь позже, если будет интерес.

Сперва, хотелось бы рассказать в общих словах про сеть, а потом более подробно расскажу про функции каждого из элементов сети.

Существующие сети радиодоступа у наших операторов — продукт долгой эволюции, поэтому они состоят из сети радиодоступа к GSM (GERAN — GSM EDGE Radio Access Network) и сеть радиодоступа к UMTS (UTRAN — UMTS Terrestrial Radio Access Network). Сверху слева на картинке вы видите GERAN, внизу слева, соответственно UTRAN. Наибольшие изменения при переходе от GSM к UMTS происходят как раз в сети радиодоступа — оператору нужно построить вторую сеть и заново покрыть уже имеющиеся территории.

Сеть радиодоступа — эта та паутина, которой охвачены огромные территории городов и открытых местностей, за счёт неё как раз и обеспечивается то огромное погрытие, которое предоставляют сети сотовой связи.

Опорная сеть — ядро сетей сотовой связи. Название опорная — мой вольный перевод, в GSM эту часть сети называют сетью коммутации, в UMTS — Core Network, что по сути можно перевести как ядро сети. К этому ядру, как периферийные устройства к системному блоку, могут подключаться различные сети радиодоступа. Опорная сеть мало эволюционирует в связи с эволюцией от GSM к UMTS, эта сильная эволюция происходит немного позже — её уже прошли западные и азиатские операторы, у нас же она только начинается.

Опорная сеть на приведённой выше картинке разделена на 2 части — верхняя правая часть отвечает за голосовые соединения, или CS-соединения (Circuit Switch), нижняя правая часть отвечает за пакетные соединения, или же PS-соединения (Packet Switch).

Опорная сеть сосредоточена в одном или нескольких зданий, принадлежащих оператору сотовой связи, в больших машинных залах — проще говоря огроменнейшая серверная, где стоит большое количество шкафов оборудования, их ещё холодильниками иногда называют, потому что с виду очень похожи 🙂

HLR — Home Location Register, Регистр положения домашних абонентов.

По сути это большая база данных, в которой хранится всё об абоненте данной сети. В крупных сетях, таких, как у операторов большой тройки, таких узлов несколько — они разбросаны по регионам. Их количество измеряется единицами штук. Для того, чтобы понимать порядки — в Питере такой узел один, в Москве другой, на Урале ещё один, ещё на Кавказе, в Сибири — 3-4 штучки… На практике это может быть распределённая БД, потому что ёмкости одного HLR может не хватить для хранения данных обо всех абонентах. Тогда оператор докупает ещё один HLR (физическое устройство) и организует распределённую БД.

Какая же информация там хранится? По большей части, это информация об услугах, подключенных у абонента:

— может ли абонент совершать исходящие звонки

— может ли абонент отправлять/принимать SMS

— разрешена ли услуга конференц-связи

— ну и все остальные возможные услуги

Также здесь хранится такая важная информация, как идентификатор того MSC, в зоне действия которого сейчас находится абонент. Позже мы увидим для чего это может быть нужно.

MSC — Mobile Switching Center, центр коммутации для мобильных абонентов;

VLR — Visitor Location Register, регистр положения гостевых абонентов.

Логически это 2 раздельных узла, но на практике, это реализовано в одном и том же устройстве.

VLR хранит в себе копию тех данных, которые записаны в HLR с той лишь разницей, что тут уже нет информации о том MSC, в зоне действия которого находится абонент. Здесь хранится информация о том, в зоне действия какого BSC находится данный абонент. Ну и здесь, естественно, хранятся данные только о тех абонентах, которые сейчас находятся в зоне действия того MSC, к которому подключен данный VLR.

MSC — классический коммутатор (конечно, не такой классический, который можно увидеть в музеях, где сидели бабушки и перетыкали проводки). Основные его функции — для исходящего вызова — определить куда переключить вызов, для входящего же соединения — определить на какой BSC отправить вызов. Для выполнения этих то функций он и обращается в VLR за хранящейся там информацией. Здесь стоит заметить, что это плюс разнесения HLR и VLR — MSC не будет стучаться в HLR каждый раз, когда абоненту что-то нужно, а будет всё делать своими силами. Также MSC собирает данные для биллинга, далее эти данные скармливаются соответствующим системам.

AUC — AUthentication Center, центр аутентификации абонентов. Этот узел отвечает за то, чтобы злоумышленник не мог получить доступ к сети от вашего лица. Также этот узел генерирует ключи шифрования, с помощью которых шифруется ваше соединение с сетью в самом уязвимом месте — на радиоинтерфейсе.

GMSC — Gateway MSC, шлюзовой коммутатор. Этот узел сети используется только при входящих вызовах. У операторов есть определённая номерная ёмкость, этой номерной ёмкости сопоставляются шлюзовые коммутаторы сетей связи (сотовых, фиксированных). Когда вы набираете номер друга, ваш звонок доходит до коммутатора (MSC) вашей сети и он определяет куда дальше отправить этот вызов на основе имеющихся у него соответствий между номерами и шлюзами сетей. Звонок отправляется на GMSC сотового оператора, которым пользуется ваш друг. Далее GMSC делает запрос в HLR и узнаёт в зоне действия какого MSC сейчас находится вызываемый абонент. Туда дальше и перенаправляется вызов.

SGSN — Serving GPRS Support Node, обслуживающий узел поддержки GPRS. Этот узел отвечает за то, чтобы определить каким образом предоставлять услуги на основе запрошенной APN (Access Point Name, точки доступа, например, mms.beeline.ru). Также на этом узле осуществляется посчёт трафика.

GGSN — Gateway GPRS Support Node, шлюзовой узел поддержки GPRS. Ну это шлюз, отвечает за правильную доставку пакетов до пользователя.

BSC — Base Station Controller, контроллер базовых станций. Узел, к которому подключаются базовые станции, дальше он осуществляет управление базовыми станциями — назначает какому абоненту где сколько ресурсов выделить, определяет каким образом осуществляются хэндоверы. Когда с MSC приходит сигнал о входящем соединении для абонента, контроллер осуществляет процедуру пейджинга — через все подчинённые ему базовые станции посылает вызов данному абоненту, который должен отозваться через одну из базовых станций.

TRC — TRansCoder, транскодер. Устройство, отвечающее за перекодирование речи из формата GSM в стандартный формат телефонии, используемый в фиксированных сетях связи и обратно. Таким образом, получается, что речь передаётся в формате сетей фиксированной связи в сети GSM на участке от GMSC до TRC.

BTS — Base Transceiver Station, базовая приёмопередающая станция. Это то, что непосредственно находится близко к самому пользователю. Именно базовые станции образуют ту самую паутину, которой накрывают операторы сотовой связи, именно от их количества зависит территория, на которой предоставляют услуги операторы сотовой связи. По сути — довольно глупое устройство, оно обеспечивает выделение пользователям отдельных каналов связи, преобразует сигнал в высокочастотный, который будет передаваться в эфир, ну и выдаёт этот самый высокочастотный сигнал на антенны. А вот антенны то мы и можем наблюдать каждый день.

Хочу заметить, что антеннки — это не есть базовая станция 🙂 Базовая станция похожа на холодильник — шкафчик с модулями, который стоит в специальном месте. Это специальное место — например, синенькие вагончики, которые ставятся под красно-белыми вышками где-нибудь в пригороде.

Более подробно можно почитать в недавно опубликованной статье про базовые станции.

RNC — Radio Network Controller, контроллер сети радиодоступа. По сути выступает в той же роли, что BSC в GERAN.

NodeB, базовая станция в UMTS. Аналог BTS в GSM.

В целом, здесь описаны все жизненно важные элементы сети GSM/UMTS. Здесь я не упоминал ещё некоторые узлы, такие как SMS-C (SMS-Center), MMS-C (MMS-Center), WAP-GW (WAP-Gateway).

Если статья вызовет интерес, то в дальнейшем могу рассказать более подробно про сети радиодоступа GERAN и UTRAN, потому что я занимаюсь по большей части именно радийными вещами.

Также уже есть идеи для ряда статей на основе вопросов, вызвавших интерес, в комментариях к статьям по телекоммуникациям, пока не буду раскрывать интригу — задавайте интересные вопросы — будут интересные статьи! 😉

UPD: в комментариях отписались эксперты в своих областях, что очень интересно почитать:

1. Ветка про ПО, устанавливаемом на оборудовании;

2. Ветка про отличия наших (СНГшных) сетей и сетей в Европе/США/Азии;

3. Комментрии от пользователя DeSh с поправлениями и уточнениями: тыц, тыц.

Да и вообще в комментариях довольно много всего интересного всплыло помимо выделенных мной комментариев.

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *