Самым распространенным на сегодня видом мобильной связи является сотовая связь. Услуги сотовой связи предоставляются абонентам компаниями-операторами.
Беспроводную связь сотовому телефону предоставляет сеть базовых станций.
Каждая станция обеспечивает доступ к сети на ограниченной территории, площадь и конфигурация которой зависит от рельефа местности и других параметров. Перекрывающиеся зоны покрытия создают структуру, похожую на пчелиные соты; от этого образа и происходит термин «сотовая связь». При перемещении абонента его телефон обслуживается то одной, то другой базовой станцией, причем переключение (смена соты) происходит в автоматическом режиме, совершенно незаметно для абонента, и никак не влияет на качество связи. Такой подход позволяет, используя радиосигналы малой мощности покрывать сетью мобильной связи большие территории, что обеспечивает этому виду коммуникаций, помимо эффективности, еще и высокий уровень экологичности.
Компания-оператор не только технически обеспечивает мобильную связь, но и вступает в экономические взаимоотношения с абонентами, которые приобретают у нее некоторый набор основных и дополнительных услуг. Так как видов сервисов достаточно много, расценки на них объединяют в комплекты, именуемые тарифными планами. Вычислением стоимости оказанных каждому абоненту услуг занимается билинговая система (программно-аппаратная система, ведущая учет предоставленных абоненту услуг и сервисов).
Билинговая система оператора взаимодействует с аналогичными системами других компаний, например, предоставляющих абоненту услуги роуминга (возможность пользоваться мобильной связью в других городах и странах). Все взаиморасчеты за мобильную связь, в том числе и в роуминге, абонент производит со своим оператором, который является для него единым расчетным центром.
Роуминг – доступ к сервисам мобильной связи за пределами зоны покрытия сети «домашнего» оператора, с которым у абонента заключен контракт.
Находясь в роуминге, абонент обычно сохраняет свой телефонный номер, продолжает пользоваться своим сотовым телефоном, совершая и принимая звонки точно так же, как и в домашней сети. Все необходимые для этого действия, включая межоператорский обмен трафиком и привлечение по мере необходимости ресурсов других коммуникационных компаний (например, обеспечивающих трансконтинентальную связь), производятся автоматически и не требуют от абонента дополнительных действий. Если домашняя и гостевая сети предоставляют услуги связи в разных стандартах, роуминг все равно возможен: абоненту на время поездки могут выдать другой аппарат, при этом сохраняя его телефонный номер и автоматически маршрутизируя звонки.
Работы по созданию гражданских систем мобильной связи начались в 1970-х. К этому моменту развитие обычных телефонных сетей в европейских странах достигло такого уровня, что следующим шагом в эволюции коммуникаций могла стать только доступность телефонной связи везде и всюду.
Сети на первом гражданском стандарте сотовой связи – NMT-450 – появились в 1981. Хотя наименование стандарта представляет собой сокращение слов Nordic Mobile Telephony («мобильная телефония северных стран»), первая на планете сотовая сеть была развернута в Саудовской Аравии. В Швеции, Норвегии, Финляндии (и других странах Северной Европы) сети NMT заработали на несколько месяцев позднее.
Через два года – в 1983 – на территории США была запущена первая сеть стандарта AMPS (Advanced Mobile Phone Service), созданного в исследовательском центре Bell Laboratories.
Стандарты NMT и AMPS, которые принято относить к первому поколению систем сотовой связи, предусматривали передачу данных в аналоговой форме, что не позволяло обеспечить должный уровень помехоустойчивости и защиты от несанкционированных подключений. Впоследствии у них появились усовершенствованные за счет использования цифровых технологий модификации, например, DAMPS (первая буква аббревиатуры своим появлением обязана слову Digital – «цифровой»).
Стандарты второго поколения (так называемого 2G) – GSM, IS-95, IMT-MC-450 и др., изначально созданные на основе цифровых технологий, превосходили стандарты первого поколения по качеству звука и защищенности, а также, как выяснилось впоследствии, по заложенному в стандарт потенциалу развития.
Уже в 1982 Европейская Конференция Администраций Почт и Электросвязи (CEPT) создала группу для разработки единого стандарта цифровой сотовой связи. Детищем этой группы стал GSM (Global System for Mobile Communications).
Первая сеть GSM была запущена в эксплуатацию в Германии в 1992. Сегодня GSM является господствующим стандартом сотовой связи как в России, так и во всем мире. В 2004 в нашей стране GSM-сети обслуживали свыше 90% абонентов сотовой связи; в мире GSM использовало 72% абонентов.
Для работы оборудования стандарта GSM выделено несколько диапазонов частот – на них указывают числа в названиях. В европейском регионе в основном используются GSM 900 и GSM 1800, в Америке – GSM 950 и GSM 1900 (на момент утверждения стандарта в США «европейские» частоты там оказались заняты другими службами).
Популярность стандарту GSM обеспечили его значимые для абонентов особенности:
– защищенность от помех, перехвата и «двойников»;
– наличие большого числа дополнительных сервисов;
– возможность при наличии «надстроек» (таких, как GPRS, EDGE и др.) обеспечивать передачу данных с высокими скоростями;
– присутствие на рынке большого количества телефонных аппаратов, работающих в сетях стандарта GSM;
– простота процедуры смены одного аппарата на другой.
В процессе развития сотовые сети стандарта GSM приобрели возможности расширения за счет некоторых «надстроек» над действующей инфраструктурой, обеспечивающих скоростную передачу данных. GSM-сети с поддержкой GPRS (General Packet Radio Service) получили название 2,5G, а GSM-сети с поддержкой стандарта EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution) иногда называют сетями 2,75G.
В конце 1990-х в Японии и Южной Корее появились сети третьего поколения (3G). Основное отличие стандартов, на которых построены сети 3G, от предшественников – расширенные возможности скоростной передачи данных, что позволяет реализовывать в таких сетях новые сервисы, в частности, видеотелефонию. В 2002–2003 первые коммерческие сети 3G начали работать и в некоторых странах Западной Европы.
Хотя в настоящее время сети 3G существуют лишь в ряде регионов мира, в инженерно-технических лабораториях крупнейших компаний уже ведутся работы по созданию стандартов сотовой связи четвертого поколения. Во главу угла при этом ставится не только дальнейшее увеличение скорости передачи данных, но и повышение эффективности использования пропускной способности частотных диапазонов, выделенных для мобильной связи, чтобы получать доступ к сервисам могло большое количество абонентов, находящихся на ограниченной территории (что особенно актуально для мегаполисов).
Кроме сотовой связи, сегодня существуют и другие гражданские коммуникационные системы, также обеспечивающие мобильную связь по радиоканалам, но построенные на иных технических принципах и ориентированные на другие абонентские терминалы. Они менее распространены, чем сотовая связь, но находят применение, когда использование сотовых телефонов затруднено, невозможно или экономически невыгодно.
Становится все популярнее стандарт микросотовой связи DECT, который используется для коммуникаций на ограниченной территории. Базовая станция стандарта DECT способна обеспечивать трубкам (их может обслуживаться до 8 одновременно) связь между собой, переадресацию вызовов, а также выход в телефонную сеть общего пользования. Потенциал стандарта DECT позволяет обеспечивать мобильную связь в пределах городских микрорайонов, отдельных компаний или квартир. Они оказываются оптимальными в регионах с малоэтажной застройкой, абоненты которых нуждаются только в голосовой связи и могут обходиться без мобильной передачи данных и других дополнительных сервисов.
В спутниковой телефонии базовые станции располагают на спутниках, находящихся на околоземных орбитах. Спутники обеспечивают связь там, где развертывание обычной сотовой сети невозможно или нерентабельно (в море, на обширных малонаселенных территориях тундры, пустынь и т.д.).
Транкинговые сети, обеспечивающие абонентским терминалам (их принято называть не телефонами, а радиостанциями) связь в пределах определенной территории, представляют собой системы базовых станций (ретрансляторов), которые осуществляют передачу радиосигнала от одного терминала к другому при их значительном удалении друг от друга. Поскольку транкинговые сети обычно обеспечивают связь сотрудникам ведомств (МВД, МЧС, «Скорая помощь» и т.д.) или на технологических площадках большого размера (вдоль автотрасс, на стройке, на территории заводов и т.д.), то транкинговые терминалы не имеют развлекательных возможностей и дизайнерских изысков в оформлении.
Носимые радиостанции устанавливают связь друг с другом напрямую, без промежуточных коммуникационных систем. Мобильную связь такого типа предпочитают как государственные (милиция, пожарная охрана и т.д.) и ведомственные структуры (для коммуникаций в пределах складского комплекса, паркинга или стройки), так и частные лица (грибники, охотники-рыболовы или туристы), в ситуациях, когда проще и дешевле использовать для связи между собой карманные радиостанции, чем сотовые телефоны (например, в отдаленных районах, где отсутствует покрытие сотовых сетей).
Пейджинговая связь обеспечивает получение коротких сообщений на абонентские терминалы – пейджеры. В настоящее время пейджинговые коммуникации в гражданской связи практически не используются, из-за своих ограничений они вытеснены в область узкоспециализированных решений (например, служат для оповещения персонала в крупных медицинских учреждениях, передачи данных на информационные электронные табло и т.д.).
С 2004 все более широкое распространение получает новый подвид мобильной связи, предоставляющий возможность высокоскоростной передачи данных по радиоканалу (в большинстве случаев для этого используется протокол Wi-Fi). Зоны с Wi-Fi-покрытием, доступным для публичного использования (платного или бесплатного), называются хот-спотами. Абонентскими терминалами в этом случае являются компьютеры – как ноутбуки, так и КПК. Они могут обеспечивать и двустороннюю голосовую связь через Интернет, но эта возможность используется крайне редко, в основном соединение применяется для доступа к наиболее распространенным интернет-сервисам – электронной почте, веб-сайтам, системам мгновенного обмена сообщениями (например, ICQ) и т.д.
В развитых регионах основным направлением развития мобильной связи на ближайшее будущее является конвергенция: обеспечение абонентским терминалам автоматического переключения с одной сети на другую с целью наиболее эффективного использования возможностей всех коммуникационных систем. Экономить средства абонентов и улучшать качество связи позволит автоматическое переключение, например, с GSM на DECT (и обратно), со спутниковой связи на «наземную», а при обеспечении беспроводной передачи данных – между GPRS, EDGE, Wi-Fi и другими стандартами, многие из которых (например, WiMAX) только ожидают своего часа.
Коммуникации являются наиболее динамично развивающейся отраслью мировой экономики. Но мобильные коммуникации даже по сравнению с другими направлениями «телекома» развиваются опережающими темпами.
Еще в 2003 общее число мобильных телефонов на планете превысило количество стационарных аппаратов, подключенных к проводным сетям общего пользования. В некоторых странах количество абонентов мобильной связи уже в 2004 было больше числа жителей. Это означает, что некоторые люди использовали более одного «мобильного» – например, два сотовых телефона, обслуживаемых у разных операторов, или телефон для голосовой связи и беспроводной модем для мобильного доступа в Интернет. Кроме того, все больше модулей беспроводной связи требовалось для обеспечения технологических коммуникаций (в этих случаях абонентами являются не люди, а специализированные компьютеры).
В настоящее время операторы сотовой связи обеспечивают полное покрытие территории всех экономически развитых регионов планеты, однако экстенсивное развитие сетей продолжается. Новые базовые станции устанавливаются для улучшения приема в тех местах, где имеющаяся сеть по каким-либо причинам устойчивый прием обеспечить не может (например, в длинных тоннелях, на территории метрополитена и т.д.). Кроме того, сотовые сети постепенно проникают в регионы с низким уровнем доходов населения. Развитие технологий мобильной связи, сопровождающееся резким удешевлением оборудования и услуг, делает сотовые сервисы доступными все большему числу людей на планете.
Производство сотовых телефонов является одним из наиболее динамично развивающихся направлений индустрии высоких технологий.
Быстро растет и индустрия обслуживания мобильных телефонов, предлагающая аксессуары для персонификации аппаратов: от оригинальных звонков (рингтонов) до брелоков, графических заставок, наклеек на корпус, сменных панелей, чехлов и шнурков для ношения аппарата.
Сотовый (мобильный) телефон – абонентский терминал, работающий в сотовой сети. По сути, каждый сотовый телефон является специализированным компьютером, который ориентирован, в первую очередь, на обеспечение (в зоне покрытия домашней или гостевой сети) голосового общения абонентов, но также поддерживает обмен текстовыми и мультимедийными сообщениями, снабжен модемом и упрощенным интерфейсом. Передачу голоса и данных современные мобильные телефоны обеспечивают в цифровой форме.
Раннее существовавшее разделение аппаратов на «недорогие», «функциональные», «бизнес-» и «имиджевые» модели все больше теряет смысл – бизнес-аппараты приобретают черты имиджевых моделей и развлекательные функции, в результате использования аксессуаров недорогие телефоны становятся имиджевыми, а у имиджевых быстро растет функциональность.
Миниатюризация трубок, пик которой пришелся на 1999–2000, завершилась по вполне объективным причинам: аппараты достигли оптимального размера, дальнейшее их уменьшение делает неудобным нажатие кнопок, чтение текста на экране и т.д. Зато сотовый телефон стал настоящим предметом искусства: к разработке внешнего вида аппаратов привлекают ведущих дизайнеров, а владельцам предоставляются широкие возможности персонифицировать свои аппараты самостоятельно.
В настоящее время производители уделяют особое внимание функциональности мобильных телефонов, причем как основным (увеличивается время автономной работы, улучшаются экраны и т.д.), так и дополнительным их возможностям (в аппараты встраивают цифровые фотокамеры, диктофоны, МР3-плееры и прочие «сопутствующие» устройства).
Практически все современные аппараты, за исключением некоторых моделей нижнего ценового диапазона, позволяют загружать программы. Большинство аппаратов может исполнять Java-приложения, увеличивается количество телефонов, использующих операционные системы, унаследованные от КПК или портированные с них: Symbian, Windows Mobile for Smartphones и т.д. Телефоны со встроенными операционными системами называют смартфонами (от комбинации английских слов «smart» и «phone» – «умный телефон»).
В качестве абонентских терминалов сегодня могут использоваться также коммуникаторы – карманные компьютеры, снабженные модулем с поддержкой GSM/GPRS, а иногда EDGE и стандартов третьего поколения.
Абонентам сотовых сетей доступен целый ряд неголосовых сервисов, «ассортимент» которых зависит от возможностей конкретного телефона и от спектра предложений компании-оператора. Перечень сервисов в домашней сети может отличаться от списка услуг, доступных в роуминге.
Сервисы могут быть коммуникационными (обеспечивающими различные формы связи с другими людьми), информационными (например, сообщающими о прогнозе погоды или рыночных котировках), обеспечивающими доступ в Интернет, коммерческими (для оплаты с телефонов различных товаров и услуг), развлекательными (мобильные игры, викторины, казино и лотереи) и другими (сюда относится, например, мобильное позиционирование). Сегодня появляется все больше сервисов, находящихся «на стыке», например, большинство игр и лотерей являются платными, появляются игры, использующие технологии мобильного позиционирования, и т.д.
Практически всеми операторами и большинством современных аппаратов поддерживаются следующие сервисы:
– SMS – Short Message Service – передача коротких текстовых сообщений;
– MMS – Multimedia Messaging Service – передача мультимедиа-сообщений: фотографий, видеороликов и т.п.;
– автоматический роуминг;
– определение номера звонящего абонента;
– заказ и получение различных средств персонификации непосредственно по каналам сотовой связи;
– выход в Интернет и просмотр специализированных (WAP) сайтов;
– закачка рингтонов, картинок, информационных материалов со специализированных ресурсов;
– передача данных с помощью встроенного модема (она может осуществляться по различным протоколам в зависимости от того, какие технологии поддерживает конкретный аппарат).
В СССР гражданских систем мобильной связи не было. С некоторой натяжкой «гражданской» можно назвать систему мобильной телефонии «Алтай», построенную на базе стандарта МРТ-1327, которая на рубеже 1970–80-х создавалась для обеспечения связью представителей партийного, государственного и хозяйственного руководства. «Алтай» успешно эксплуатируется и поныне. Разумеется, он не может конкурировать с сотовыми сетями, но находит применение для решения некоторых узкоспециализированных задач: обеспечения связью мобильных подразделений городских аварийных служб, телефонизации летних кафе и т.д.
Первые коммерческие сотовые сети, построенные по стандарту NMT, были созданы в России осенью 1991. Пионерами мобильной телефонии в нашей стране были компании «Дельта Телеком» (Санкт-Петербург) и «Московская сотовая связь». Первый звонок по сотовому телефону был сделан 9 сентября 1991 в Санкт-Петербурге: Анатолий Собчак, занимавший тогда пост мэра города, звонил своему коллеге – мэру Нью-Йорка.
В июле 1992 первые звонки были совершены в AMPS-сети «БиЛайн».
Первая российская сеть стандарта GSM, созданная компанией МТС, начала подключение абонентов в июле 1994.
В 2005 в России существуют три федеральных оператора сотовой связи, предоставляющих услуги в стандарте GSM: МТС, «БиЛайн» и «МегаФон». Спектр и качество предлагаемых ими телекоммуникационных услуг, а также расценки на них примерно одинаковы. К 2005 количество базовых станций в сетях ведущих столичных операторов в Москве и ближайшем Подмосковье составило около 3000, а площадь зоны покрытия превысила площади большинства европейских государств. Кроме них, существуют и вполне эффективно работают многочисленные локальные операторы – как дочерние структуры «большой тройки», так и самостоятельные компании.
Операторы активно развивают рынок, увеличивая покрытие своих сетей и популяризируя мобильную связь среди самых разных слоев населения. Если в середине 1990-х сотовый телефон был доступен только представителям самых обеспеченных слоев населения, то сегодня мобильной связью может пользоваться практически каждый. Российские операторы внедряют в своих сетях новейшие сервисы и предлагают построенные на их основе услуги, нередко даже опережая большинство европейских компаний. В настоящее время все три федеральных GSM-оператора ведут подготовительную работу к развертыванию коммерческих сетей третьего поколения.
Кроме GSM-сетей федеральных и локальных операторов сотовой связи в России продолжают эксплуатироваться сети других стандартов: DAMPS, IS-95, NMT-450, DECT и IMT-MC-450. Последний стандарт имеет статус федерального, и построенные на его базе сети (например, SkyLink) развиваются весьма активно. Однако ни по площади покрытия, ни по количеству обслуживаемых абонентов сети всех стандартов, отличных от GSM, заметную конкуренцию ведущей тройке федеральных операторов создать не могут.
Литература:
Маляревский А., Олевская Н. Ваш мобильный телефон
(популярный самоучитель). М, «Питер», 2004
Закиров З.Г., Надеев А.Ф., Файзуллин Р.Р. Сотовая связь стандарта GSM. Современное состояние, переход к сетям третьего поколения
(«Библиотека МТС»). М., «Эко-Трендз», 2004
Попов В.И. Основы сотовой связи стандарта GSM
(«Инженерная энциклопедия ТЭК»). М., «Эко-Трендз», 2005
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.
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:
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.
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.
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.
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.
Мобильная связь - это радиосвязь между абонентами, местоположение одного или нескольких из которых меняется. Одним из видов мобильной связи является сотовая связь.
Сотовая связь - один из видов радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть. Ключевая особенность: общая зона покрытия делится на соты, определяющиеся зонами покрытия базовых станций . Соты перекрываются и вместе образуют сеть. На идеальной поверхности зона покрытия одной базовой станции представляет собой круг, поэтому составленная из них сеть имеет вид сот с шестиугольными ячейками .
Принцип действия сотовой связи
Итак, для начала рассмотрим, как осуществляется звонок по мобильному телефону. Лишь только пользователь набирает номер, телефонная трубка (HS - Hand Set) начинает поиск ближайшей базовой станции (BS - Base Station) - приемопередающее, управляющее и коммуникационное оборудование, составляющее сеть. В ее состав входят контроллер базовой станции (BSC - Base Station Controller) и несколько ретрансляторов (BTS - Base Transceiver Station). Базовые станции управляются мобильным коммутирующим центром (MSC - Mobile Service Center). Благодаря сотовой структуре, ретрансляторы покрывают местность зоной уверенного приема в одном или нескольких радиоканалах с дополнительным служебным каналом, по которому происходит синхронизация. Точнее происходит согласование протокола обмена аппарата и базовой станции по аналогии с процедурой модемной синхронизации (handshacking), в процессе которого устройства договариваются о скорости передачи, канале и т.д. Когда мобильный аппарат находит базовую станцию и происходит синхронизация, контроллер базовой станции формирует полнодуплексный канал на мобильный коммутирующий центр через фиксированную сеть. Центр передает информацию о мобильном терминале в четыре регистра: посетительский регистр подвижных абонентов или "гостей" (VLR - Visitor Layer Register), "домашний" регистр местных подвижных абонентов (HRL - Home Register Layer), регистр подписчика или аутентификации (AUC - AUthentiCator) и регистр идентификации оборудования (EIR - Equipment Identification Register). Эта информация уникальна и находится в пластиковой абонентской микроэлектронной телекарточке или модуле (SIM - Subscriber Identity Module) , по которому производятся проверка правомочности абонента и тарификация. В отличие от стационарных телефонов, за пользование которыми плата взимается в зависимости от нагрузки (числа занятых каналов), поступающей по фиксированной абонентской линии, плата за пользование подвижной связью взимается не с используемого телефонного аппарата, а с SIM-карты, которую можно вставить в любой аппарат.
Карточка представляет собой не что иное, как обычный флэш-чип, выполненный по смарт-технологии (SmartVoltage) и имеющий необходимый внешний интерфейс. Его можно использовать в любых аппаратах, и главное - чтобы совпадало рабочее напряжение: ранние версии использовали 5.5В интерфейс, а у современных карт обычно 3.3В. Информация хранится в стандарте уникального международного идентификатора абонента (IMSI - International Mobile Subscriber Identification), благодаря чему исключается возможность появления "двойников" - даже если код карты будет случайно подобран, система автоматически исключит фальшивый SIM, и не придется в последствии оплачивать чужие разговоры. При разработке стандарта протокола сотовой связи этот момент был изначально учтен, и теперь каждый абонент имеет свой уникальный и единственный в мире идентификационный номер, кодирующийся при передаче 64бит ключом. Кроме этого, по аналогии со скремблерами, предназначенными для шифрования/дешифрования разговора в аналоговой телефонии, в сотовой связи применяется 56бит кодирование.
На основании этих данных формируется представление системы о мобильном пользователе (его местоположение, статус в сети и т. д.) и происходит соединение. Если мобильный пользователь во время разговора перемещается из зоны действия одного ретранслятора в зону действия другого, или даже между зонами действия разных контроллеров, связь не обрывается и не ухудшается, поскольку система автоматически выбирает ту базовую станцию, с которой связь лучше. В зависимости от загруженности каналов телефон выбирает между сетью 900 и 1800 МГц, причем переключение возможно даже во время разговора абсолютно незаметно для говорящего.
Звонок из обычной телефонной сети мобильному пользователю осуществляется в обратной последовательности: сначала определяются местоположение и статус абонента на основании постоянно обновляющихся данных в регистрах, а затем происходят соединение и поддержание связи.
Системы подвижной радиосвязи строятся по схеме "точка-многоточие" (point-multipoint), поскольку абонент может находиться в любой точке соты, контролируемой базовой станцией. В простейшем случае круговой передачи мощность радиосигнала в свободном пространстве теоретически уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Однако на практике сигнал затухает гораздо быстрее - в лучшем случае пропорционально кубу расстояния, поскольку энергия сигнала может поглощаться или уменьшаться на различных физических препятствиях, и характер таких процессов сильно зависит от частоты передачи. При уменьшении мощности на порядок охватываемая площадь соты уменьшается на два порядка.
"ФИЗИОЛОГИЯ"
Важнейшими причинами повышенного затухания сигналов являются теневые зоны, создаваемые зданиями или естественными возвышенностями на местности. Исследования условий применения подвижной радиосвязи в городах показали, что даже на очень близких расстояниях теневые зоны дают затухание до 20дБ. Другой важной причиной затухания является листва деревьев. Например, на частоте 836МГц в летнее время, когда деревья покрыты листвой, уровень принимаемого сигнала оказывается приблизительно на 10дБ ниже, чем в том же месте зимой, при отсутствии листьев. Замирания сигналов от теневых зон иногда называют медленными с точки зрения условий их приема в движении при пересечении такой зоны.
Важное явление, которое приходится учитывать при создании сотовых систем подвижной радиосвязи - отражение радиоволн, и, как следствие, их многолучевое распространение. С одной стороны, это явление полезно, так как оно позволяет радиоволнам огибать препятствия и распространяться за зданиями, в подземных гаражах и тоннелях. Но с другой стороны, многолучевое распространение порождает такие трудные для радиосвязи проблемы, как растягивание задержки сигнала, релеевские замирания и усугубление эффекта Доплера.
Растягивание задержки сигнала получается из-за того, что сигнал, проходящий по нескольким независимым путям разной протяженности, принимается несколько раз. Поэтому повторяющийся импульс может выйти за пределы отведенного для него интервала времени и исказить следующий символ. Искажения, возникающие за счет растянутой задержки, называются межсимвольной интерференцией. При небольших расстояниях растянутая задержка не опасна, но если соту окружают горы, задержка может растянуться на многие микросекунды (иногда 50-100 мкс).
Релеевские замирания вызываются случайными фазами, с которыми поступают отраженные сигналы. Если, например, прямой и отраженный сигналы принимаются и противофазе (со сдвигом фазы на 180°), то суммарный сигнал может быть ослаблен почти до нуля. Релеевские замирания для данного передатчика и заданной частоты представляют собой нечто вроде амплитудных "провалов", имеющих разную глубину и распределенных случайным образом. В этом случае при стационарном приемнике избежать замираний можно просто переставив антенну. При движении же транспортного средства такие "провалы" проходятся ежесекундно тысячами, отчего происходящие при этом замирания называются быстрыми.
Эффект Доплера проявляется при движении приемника относительно передатчика и состоит в изменении частоты принимаемого колебания. Подобно тому, как тон шума движущегося поезда или автомобиля кажется неподвижному наблюдателю несколько выше при приближении транспортного средства и несколько ниже при его удалении, частота радиопередачи смещается при движении приемопередатчика. Более того, при многолучевом распространении сигнала отдельные лучи могут давать смещение частоты в ту или другую сторону одновременно. В результате, за счет эффекта Доплера получается случайная частотная модуляция передаваемого сигнала подобно тому, как за счет релеевских замираний происходит случайная амплитудная модуляция. Таким образом, в целом многолучевое распространение создает большие трудности в организации сотовой связи, в особенности для подвижных абонентов, что связано с медленными и быстрыми замираниями амплитуды сигнала в движущемся приемнике. Преодолеть эти трудности удалось с помощью цифровой техники, которая позволила создать новые методы кодирования, модуляции и выравнивания характеристик каналов.
"АНАТОМИЯ"
Передача данных осуществляется по радиоканалам. Сеть GSM работает в диапазонах частот 900 или 1800 МГц. Более конкретно, например, в случае рассмотрения диапазона 900МГц подвижной абонентский аппарат передает на одной из частот, лежащих в диапазоне 890-915 МГц, а принимает на частоте, лежащей в диапазоне 935-960 МГц. Для других частот принцип тот же, изменяются только численные характеристики.
По аналогии со спутниковыми каналами направление передачи от абонентского аппарата к базовой станции называется восходящим (Rise), а направление от базовой станции к абонентскому аппарату - нисходящим (Fall). В дуплексном канале, состоящем из восходящего и нисходящего направлений передачи, для каждого из названных направлений применяются частоты, различающиеся точно на 45МГц. В каждом из указанных выше частотных диапазонов создаются по 124 радиоканала (124 для приема и 124 для передачи данных, разнесенных на 45МГц) шириной по 200кГц каждый. Этим каналам присваиваются номера (N) от 0 до 123. Тогда частоты восходящего (F R) и нисходящего (F F) направлений каждого из каналов можно вычислить по формулам: F R (N) = 890+0.2N (МГц), F F (N) = F R (N) + 45 (МГц).
В распоряжение каждой базовой станции может быть предоставлено от одной до 16 частот, причем число частот и мощность передачи определяются в зависимости от местных условий и нагрузки.
В каждом из частотных каналов, которому присвоен номер (N) и который занимает полосу 200кГц, организуются восемь каналов с временным разделением (временные каналы с номерами от 0 до 7), или восемь канальных интервалов.
Система с разделением частот (FDMA) позволяет получить 8 каналов по 25кГц, которые, в свою очередь, разделяются по принципу системы с разделением времени (TDMA) еще на 8 каналов. В GSM используется GMSK-модуляция, а несущая частота изменяется 217 раз в секунду для того, чтобы компенсировать возможное ухудшение качества.
Когда абонент получает канал, ему выделяется не только частотный канал, но и один из конкретных канальных интервалов, и он должен вести передачу в строго отведенном временном интервале, не выходя за его пределы - иначе будут создаваться помехи в других каналах. В соответствии с вышеизложенным работа передатчика происходит в виде отдельных импульсов, которые происходят в строго отведенном канальном интервале: продолжительность канального интервала составляет 577мкс, а всего цикла - 4616мкс. Выделение абоненту только одного из восьми канальных интервалов позволяет разделить во времени процесс передачи и приема путем сдвига канальных интервалов, выделяемых передатчикам подвижного аппарата и базовой станции. Базовая станция (BS) всегда передает на три канальных интервала раньше подвижного аппарата (HS).
Требования к характеристикам стандартного импульса описываются в виде нормативного шаблона изменения мощности излучения во времени. Процессы включения и выключения импульса, которые сопровождаются изменением мощности на 70дБ, должны укладываться в промежуток времени длительностью всего 28мкс, а рабочее время, в течение которого передаются 147 двоичных разрядов, составляет 542.8мкс. Значения мощности передачи, указанные в таблице ранее, относятся именно к мощности импульса. Средняя же мощность передатчика оказывается в восемь раз меньше, так как 7/8 времени передатчик не излучает.
Рассмотрим формат нормального стандартного импульса. Из него видно, что не все разряды несут полезную информацию: здесь в середине импульса располагается обучающая последовательность из 26 двоичных разрядов для защиты сигнала от помех многолучевого распространения. Это - одна из восьми специальных легко распознаваемых последовательностей, по которой принятые разряды правильно располагаются во времени. Такая последовательность ограждается одноразрядными указателями (PB - Point Bit), а с обеих сторон этой настроечной последовательности располагается полезная кодированная информация в виде двух блоков по 57 двоичных разрядов, ограждаемых, в свою очередь, граничными разрядами (BB - Border Bit) - по 3бит с каждой стороны. Таким образом, импульс переносит 148бит данных, которые занимают 546.12мкс временной интервал. К этому времени добавляется еще промежуток, равный 30.44мкс защитного времени (ST - Shield Time), в течение которого передатчик "молчит". По продолжительности этот промежуток соответствует времени передачи 8.25 разряда, но передачи в это время не происходит.
Последовательность импульсов образует физический канал передачи, который характеризуется номером частоты и номером временного канального интервала. На основе этой последовательности импульсов организуется целая серия логических каналов, которые различаются своими функциями. Кроме каналов, передающих полезную информацию, существует еще ряд каналов, передающих сигналы управления. Реализация таких каналов и их работа требуют четкого управления, которое реализуется программными средствами.
Сотовая связь с недавних пор так прочно вошла в нашу повседневную жизнь, что трудно представить современное общество без нее. Как и многие другие великие изобретения мобильный телефон сильно повлиял на нашу жизнь, и на многие ее сферы. Трудно сказать каким было бы будущее, если бы не этот удобный вид связи. Наверняка таким же, как и в фильме "Назад в Будущее-2", где есть летающие авто, ховерборды, и многое другое, но нет сотовой связи!
Но сегодня в специальном репортаже для будет рассказ не о будущем, а о том, как устроена и работает современная сотовая связь.
Для того, чтобы узнать о работе современной сотовой связи в формате 3G/4G, я напросился в гости к новому федеральному оператору Tele2 и провел целый день с их инженерами, которые объяснили мне все тонкости передач данных через наши мобильные телефоны.
Но расскажу вначале немного об истории возникновения сотовой связи.
Принципы работы беспрводной связи были опробованы почти 70 лет назад - первый общественный подвижный радиотелефон появился в 1946 г. в Сент-Луисе, США. В Советском союзе опытный образец мобильного радиотелефона был создан в 1957 году, потом ученые других стран создавали подобные устройства с различными характеристиками, и только в 70-х годах прошлого века в Америке были определены современные принципы работы сотовой связи, после чего и началось ее развитие.
Мартин Купер - изобретатель прототипа портативного сотового телефона Motorola DynaTAC весом в 1,15 кг и размерами 22,5х12,5х3,75 см
Если в западных странах к середине 90-х годов прошлого века сотовая связь была распространена повсеместно и ей пользовалась большая часть населения, то в России она только начала появляться, и стала доступной для всех чуть более 10 лет назад.
Громоздкие кирпичеобразные мобильники работавшие в форматах первого и второго поколений ушли в историю, уступив место смартфонам с 3G и 4G, лучшей голосовой связью и высокой скоростью интернета.
Почему связь называется сотовой? Потому что территория, на которой обеспечивается связь, разбивается на отдельные ячейки или соты, в центре которых располагаются базовые станции (БС). В каждой "соте" абонент получает одинаковый набор услуг в определенных территориальных границах. Это означает, что перемещаясь от одной "соты" к другой, абонент не чувствует территориальной привязанности и может свободно пользоваться услугами связи.
Очень важно, чтобы была непрерывность соединения при перемещении. Это обеспечивается благодаря так называемому хэндовер (Handover), при котором соединение установленное абонентом как бы подхватывается соседними сотами по эстафете, а абонент продолжает разговаривать или копаться в соцсетях.
Вся сеть делится на две подсистемы: подсистема базовых станций и подсистема коммутации. Схематически это выглядит так:
В середине "соты", как было сказано выше находится базовая станция, которая обычно обслуживает три "соты". Радиосигнал от базовой станции излучается через 3 секторные антенны, каждая из которых направлена на свою "соту". Бывает так, что на одну "соту" направлены сразу несколько антенн одной базовой станции. Это связано с тем, что сеть сотовой связи работает в нескольких диапазонах (900 и 1800 МГц). Кроме того, на данной базовой станции может присутствовать оборудование сразу нескольких поколений связи (2G и 3G).
Но на вышках БС Tele2 стоит оборудование только третьего и четвертого поколения - 3G/4G, так как компания решила отказаться от старых форматов в пользу новых, которые помогают избегать обрывов голосовой связи и обеспечивают более стабильный интернет. Завсегдатаи соцсетей поддержат меня в том, что в наше время скорость интернета очень важна, 100-200 кб/с уже не достаточно, как это было пару-тройку лет назад.
Наболее привычным местом размещения БС является башня или мачта, построенная специально для нее. Наверняка вы могли видеть красно-белые вышки БС где-то в отдаленности от жилых домов (в поле, на холме), или там, где поблизости нет высоких зданий. Как вот эта, которая видна из моего окна.
Однако, в условиях городской местности трудно найти место под размещение массивного сооружения. Поэтому в крупных городах базовые станции размещаются на зданиях. Каждая станция ловит сигнал от мобильных телефонов на удалении до 35 км.
Это антенны, само оборудование БС находится на чердаке, или в контейнере на крыше, которое представляет из себя пару железных шкафов.
Некоторые базовые станции расположены там, где вы даже не догадаетесь. Как например на крыше этой парковки.
Антенна БС состоит из нескольких секторов, каждый из которых принимает/отправляет сигнал в свою сторону. Если вертикальная антенна осуществляет связь с телефонами, то круглая соединяет БС с контроллером.
В зависимости от характеристик, каждый сектор может обслуживать до 72 звонков одновременно. БС может состоять из 6 секторов, и обслуживать до 432 звонков, однако обычно на станциях устанавливают меньше передатчиков и секторов. Сотовые операторы, такие как Tele2, предпочитают ставить больше БС для улучшения качества связи. Как мне сказали, здесь используется самое современное оборудование: базовые станции Ericsson, транспортная сеть - Alcatel Lucent.
От подсистемы базовых станций сигнал передается в сторону подсистемы коммутации, где и происходит установление соединения с нужным абоненту направлением. В подсистеме коммутации есть ряд баз данных, в которых хранятся сведения об абонентах. Кроме того эта подсистема отвечает за безопасность. Если сказать проще, то коммутатор выполняет те же функции, что и девушки операторы, которые раньше руками соединяли вас с абонентом, только сейчас все это происходит автоматически.
Оборудование для этой базовой станции спрятано в этом железном шкафу.
Кроме обычных вышек есть также и мобильные варианты базовых станций, размещенные на грузовиках. Их очень удобно использовать во время стихийных бедствий или в местах массового скопления людей (футбольные стадионы, центральные площади) на время праздников, концертов и различных мероприятий. Но, к сожалению, из-за проблем в законодательстве широкого применения они пока не нашли.
Для обеспечения оптимального покрытия радиосигналом на уровне земли, базовые станции проектируются специальным образом, потому несмотря на дальность в 35 км. сигнал не распространяется на высоту полета самолетов. Однако некоторые авиакомпании уже начали устанавливать на своих бортах небольшие базовые станции, обеспечивающие сотовую связь внутри самолета. Такая БС соединяется с наземной сотовой сетью с помощью спутникового канала. Система дополняется панелью управления, которая позволяет экипажу включать и выключать систему, а также отдельные типы услуг, например, выключать голос на ночных рейсах.
Также я заглянул в офис Tele2, чтобы увидеть как специалисты контролируют качество сотовой связи. Если несколько лет назад такая комната была бы увешана до потолка мониторами показывающими данные сети (загруженность, аварии сети, и т.п.) то со временем надобность в таком количестве мониторов отпала.
Технологии со временем сильно развились и достаточно вот такой небольшой комнаты с несколькими специалистами, чтобы наблюдать за работой всей сети в Москве.
Немного видов из офиса Tele2.
На совещании сотрудников компании обсуждаются планы по захвату столицы) С начала стройки до сегодняшнего дня Tele2 успел покрыть своей сетью всю Москву, и постепенно завоевывает Подмосковье, запуская более 100 базовых станций еженедельно. Так как я живу теперь в области, мне очень важно. чтобы эта сеть как можно быстрее пришла в мой городок.
В планах компании на 2016 г. обеспечение высокоскоростной связи в метро на всех станциях, на начало 2016 связь Tele2 присутствует на 11 станциях: связь стандарта 3G/4G на метро «Борисово», «Деловой центр», «Котельники», «Лермонтовский проспект», «Тропарево», «Шипиловская», «Зябликово», 3G: «Белорусская» (Кольцевая), «Спартак», «Пятницкое шоссе», «Жулебино».
Как я говорил выше, Tele2 отказалась от формата GSM в пользу стандартов третьего и четвертого поколения - 3G/4G. Это позволяет устанавливать базовые станции 3G/4G с большей частотой (например, внутри МКАД БС стоят на расстоянии около 500 метров друг от друга), чтобы обеспечивать более стабильную связь и высокую скорость мобильного интернета, чего не было в сетях предыдущих форматов.
Из офиса компании я в компании инженеров Никифора и Владимира отправляюсь на одну из точек, где им нужно замерить скорость связи. Никифор стоит напротив одной из мачт, на которой установлено оборудование для обеспечения связи. Если приглядитесь, то заметите чуть далее слева еще одну такую мачту, с оборудованием других сотовых операторов.
Как это ни странно, но сотовые операторы часто разрешают своим конкурентам использовать свои башенные сооружения для размещения антенн (естественно на взаимовыгодных условиях). Это вызвано тем, что строительство башни или мачты - дорогое удовольствие, и такой обмен позволяет сэкономить немало средств!
Пока мы замеряли скорость связи, Никифора несколько раз прохожие бабушки и дядьки спросили не шпион ли он)) "Да, глушим радио "Свобода"!).
Оборудование на самом деле выглядит необычно, по его виду можно предположить все что угодно.
У специалистов компании немало работы, если учесть, что в Москве и области у компании более 7тыс. базовых станций: из них порядка 5тыс. 3G и около 2тыс. базовых станций LTE, а за последнее время количество БС увеличилось еще примерно на тысячу.
Всего за три месяца в Подмосковье было выведено в эфир 55% от общего количества новых базовых станций оператора в регионе. В настоящий момент компания обеспечивает качественное покрытие территории, на которой проживает более 90% населения Москвы и Московской области.
Кстати, в декабре сеть 3G Tele2 была признана лучшей по качеству среди всех столичных операторов.
Но я решил лично проверить насколько хороша связь у Tele2, потому приобрел симку в ближайшем ко мне торговом центре на м.Войковская, с самым простым тарифом "Очень черный" за 299 р (400 смс/минут и 4 ГБ). Кстати, у меня был подобный билайновский тариф, который на 100 рублей дороже.
Проверил скорость не отходя далеко от кассы. Прием - 6.13 Mbps, передача - 2.57 Mbps. Учитывая, что я стою в центре торгового центра это неплохой результат, связь Tele2 хорошо проникает сквозь стены большого ТЦ.
На м.Третьяковская. Прием сигнала - 5.82 Mbps, передача - 3.22 Mbps.
И на м.Красногвардейская. Прием - 6.22 Mbps, передача - 3.77 Mbps. Замерил у выхода из метро. Если принять во внимание, что это окраина Москвы, очень даже прилично. Считаю, что вполне приемлемая связь, уверенно можно сказать, что стабильная, если учитывать, что Tele2 появилась в Москве всего пару месяцев назад.
В столице стабильная связь Tele2 есть, это хорошо. Очень надеюсь, что они побыстрее придут в область и я смогу в полной мере пользоваться их связью.
Теперь и вы знаете как работает сотовая связь!
Если у вас есть производство или сервис, о котором вы хотите рассказать нашим читателям, пишите пишите мне - Аслан ([email protected] ) и мы сделаем самый лучший репортаж, который увидят не только читатели сообщества, но и сайта http://ikaketosdelano.ru
Подписывайтесь также на наши группы в фейсбуке, вконтакте, одноклассниках и в гугл+плюс , где будут выкладываться самое интересное из сообщества, плюс материалы, которых нет здесь и видео о том, как устроены вещи в нашем мире.
Жми на иконку и подписывайся!
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, диаметр которого не превышает 10-20 км. Соты частично перекрываются и вместе образуют сеть, которая для простоты обычно изображается в виде множества шестиугольных сот.
Каждая сота работает на своих частотах, не пересекающихся с соседними.
Все соты одного размера и объединены в группы по 7 сот. Каждая из букв (A, B, C, D, E, 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.
Базовая станция, в общем случае, содержит приёмопередатчик (ПП), поддерживающий связь с мобильными телефонами, и компьютер, реализующий протоколы беспроводной мобильной связи.
В небольших сетях все базовые станции соединены с коммутатором MSC (Mobile Switching Center – мобильный коммутационный центр) и имеют выход в телефонную сеть общего пользования (ТфОП), обеспечивающий связь мобильных телефонов со стационарными.
В больших сетях коммутаторы 1-го уровня (MSC) соединяются с коммутатором 2-го уровня и т.д., при этом все MSC имеют выход в ТфОП напрямую, либо через коммутатор более высокого уровня.
Связанные таким образом базовые станции и коммутаторы образуют сеть сотовой связи , административно подчиняющиеся одному оператору, предоставляющему услуги мобильной связи.
Базовые станции совместно с коммутационным оборудованием реализуют функции по определению текущего местоположения подвижных пользователей и обеспечивают непрерывность связи при перемещении пользователей из зоны действия одной БС в зону действия другой БС. При включении сотовый телефон ищет сигнал базовой станции и посылает станции свой уникальный идентификационный код. Телефон и БС поддерживают постоянный радиоконтакт, периодически обмениваясь служебными данными. При выходе телефона из зоны действия БС (или 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.
Поколения мобильной сотовой связи. 1G, 2G, 2,5G, 3G, 3,5G, 4G.
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:
· аналоговая связь (1G);
· цифровая связь (все остальные, начиная с 2G, различающиеся прежде всего предоставляемыми возможностями по передаче цифровых данных, а также скоростями передачи).
Поколение 1G
Первые сети мобильной сотовой связи поколения 1G появились в начале 80-х годов прошлого века и представляли собой аналоговые беспроводные сети, основной и, фактически, единственной функцией которых была передача речи со скоростями, не превышавшими 9,6 кбит/с.
Наиболее известными стандартами сотовой связи первого поколения являются AMPS и NMT.
Стандарт AMPS (Advanced Mobile Phone System) , 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) , 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.
Основной недостаток аналоговой беспроводной связи – отсутствие защиты от несанкционированного перехвата разговора.
В начале 90-х годов на смену аналоговой сотовой связи пришла цифровая связь, которая в настоящее время полностью её вытеснила.
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 временны е интервалы (слоты) в одном частотном диапазоне, при этом каждому пользователю предоставляется полный доступ к выделенной полосе частот в течение короткого периода времени.
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 временны е 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;
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.
1. Подсистема базовых станций (BSS – Base Station Subsystem) состоит из собственно базовых станций и контроллеров базовых станций.
Базовая станция (BTS – Base Transceiver Station) обеспечивает приём/передачу сигнала между мобильной станцией и контроллером базовых станций.
Контроллер базовых станций (BSC – Base Station Controller) контролирует соединения между базовой станцией и подсистемой коммутации, а также управляет очерёдностью соединений, скоростью передачи, распределением радиоканалов, сбором статистики и переходом MS в другую соту.
2. Подсистема сетевой коммутации (NSS – Network Switching Subsystem) построена из следующих компонентов.
· центр коммутации;
· домашний реестр местоположения;
· гостевой реестр местоположения;
· реестр идентификации оборудования;
· центр аутентификации.
Центр коммутации (MSC – Mobile Switching Centre) реализует следующие функции:
· устанавливает соединения внутри сети GSM;
· обеспечивает интерфейс с ТфОП и другими сетями;
· выполняет маршрутизацию и управление вызовами;
· управляет передачей обслуживания при перемещении мобильной станции из одной соты в другую;
· постоянно отслеживает положение мобильной станции, используя данные из домашнего (HLR) и гостевого (VLR) реестров местоположения, что необходимо для быстрого нахождения и установления соединения с мобильной станцией в случае её вызова;
· собирает статистические данные;
· по завершению вызова передаёт данные в центр расчётов для формирования счета за предоставленные услуги.
Домашний реестр местоположения (HLR – Home Location Registry) содержит базу данных абонентов, приписанных к нему, с информацией о предоставляемых абоненту услугах и о состоянии каждого абонента, а также международный идентификатор мобильного абонента (IMSI – International Mobile Subscriber Identity), который используется для аутентификации абонента. Каждый абонент приписан к одному домашнему реестру. К домашнему реестру имеют доступ все центры коммутации и гостевые реестры данной GSM-сети, а в случае межсетевого роуминга и центры коммутации других сетей.
Гостевой реестр местоположения (VLR – Visitor Location Registry) содержит базу данных о перемещающихся абонентах, которые находятся в данный момент в этой зоне, в том числе об абонентах других систем GSM, называемых роумерами . Если абонент переместился в другую зону, данные о нём удаляются из гостевого реестра. Такая схема позволяет сократить количество запросов к домашнему реестру и, следовательно, время обработки вызова.
Реестр идентификации оборудования (EIR – Equipment Identification Registry) содержит базу данных, необходимую для установления подлинности мобильной станции по международному идентификатору мобильного устройства IMEI (International Mobile Equipment Identity) в виде трёх списков:
· белый – мобильная станция допущена к использованию;
· серый – имеются проблемы с идентификацией мобильной станции;
· чёрный - мобильная станция запрещена к использованию.
Центр аутентификации (AUC – Authentication Centre) осуществляет аутентификацию абонента по SIM-карте (Subscriber Identity Module). Для этого он посылает на мобильный телефон случайное число, которое шифруется параллельно в центре аутентификации и в мобильном телефоне с использованием специального алгоритма. Результаты шифрования возвращаются в центр коммутации, где они сравниваются. Если результаты шифрования совпадают, аутентификация считается успешной, и пользователь получает доступ к сети.
3. Центр технического обслуживания (OMC – Operations and Maintenance Centre) обеспечивает:
· управление всей сетью;
· контроль качества функционирования;
· обработку аварийных сигналов;
· проверку состояния сети и ряд других функций.
В сетях CDMA (Code Division Multiple Access) используется совершенно иной принцип передачи данных, подробно рассмотренный ниже. В отличие от GSM скорость передачи данных в CDMA может достигать 1,23 Мбит/с. Кроме того, существенным отличием является использование распределённого спектра, что усложняет обнаружение и идентификацию передаваемого сигнала и, соответственно, обеспечивает надёжную защиту от случайного подслушивания.
Поколение 2.5G
В процессе разработки принципов и стандартов третьего поколения мобильной сотовой связи появилось промежуточное поколение 2.5G, отличающееся от второго поколения большей ёмкостью сети и пакетной передачей данных. Поколение 2.5G реализовано в виде стандартов GPRS, EDGE и 1xRTT, наиболее распространённым среди которых является GPRS.
GPRS (General Packet Radio Service) – технология пакетной радиосвязи общего пользования, ориентированная на реализацию «мобильного Интернета».
GPRS использует базовые станции GSM для передачи данных в виде пакетов, что делает его внедрение достаточно простым и позволяет обеспечить доступ в Интернет. Пакеты передаются через свободные в данный момент каналы. Возможность использования сразу нескольких каналов обеспечивает достаточно высокие скорости передачи данных (до 171,2 кбит/c). Передача данных разделяется по направлениям: «вниз» (downlink, DL) – от сети к абоненту, и «вверх» (uplink, UL) – от абонента к сети. Один и тот же канал поочерёдно могут использовать несколько абонентов, при этом ресурсы канала предоставляются только на время передачи пакета, что приводит к появлению очереди на передачу пакетов и, как следствие, к увеличению задержки пакетов.
Принцип работы GPRS аналогичен Интернету: данные разбиваются на пакеты и отправляются получателю (возможно разными маршрутами), где происходит их сборка. При установлении сессии каждому устройству присваивается уникальный адрес. Пакеты могут иметь формат IP или X.25, при этом в качестве протоколов транспортного и прикладного уровней могут использоваться любые протоколы Интернета: TCP, UDP, HTTP и др.
Мобильный телефон в GPRS рассматривается как клиент внешней сети, которому присваивается постоянный или динамический IP-адрес.
Поколение 3G
Первые реализации третьего поколения сотовой связи появились в 2002 году. Существует три основных стандарта 3G:
· WCDMA (Wide CDMA).
Все они ориентированы на пакетную передачу данных и, соответственно, на работу с цифровыми компьютерными сетями, включая Интернет. Скорость передачи данных может достигать 2,4 Мбит/с что позволяет передавать качественный звук, а также реализовать «видеозвонок».
При необходимости сеть 3G может быть наложена на уже ранее развёрнутую сеть GSM или другую сеть второго поколения.
UMTS (Universal Mobile Telecommunications System – универсальная мобильная телекоммуникационная система) – технология сотовой связи третьего поколения, разработанная Европейским Институтом Стандартов Телекоммуникаций (ETSI) для внедрения Европе. UMTS поддерживает скорость передачи до 21 Мбит/с и позволяет пользователям проводить сеансы видеоконференций, загрузку музыкального и видео контента. UMTS обычно реализуется на основе технологий радиоинтерфейса, например W-CDMA. При переходе от GSM к UMTS сохраняется значительная часть прежней инфраструктуры. Основным отличием UMTS от GSM является возможность осуществлять стыки с сетями ISDN, Internet, GSM или другими сетями UMTS.
Для передачи данных от мобильного станции к базовой станции и обратно использует разные диапазоны частот: 1885 МГц – 2025 МГц и 110 МГц – 2200 МГц соответственно, причём оба канала имеют ширину 5 МГц (для сравнения CDMA2000 – 1,25 МГц).
К недостаткам UMTS-технологии следует отнести:
· относительно высокий вес мобильных терминалов наряду с низкой ёмкостью аккумуляторных батарей;
· сложность реализации перехода абонента из зоны действия одной базовой станции в зону действия другой без потери разговора (хэндовера) между сетями UMTS и GSM;
· небольшой радиус соты: 1-1,5 км.
В перспективе планируется эволюция UMTS в сети четвёртого поколения 4G, позволяющие базовым станциям передавать и принимать данные на скоростях 100 Мбит/с и 50 Мбит/с соответственно.
CDMA2000 представляет собой развитие технологии CDMA и обеспечивает скорость передачи данных до 153 кбит/с, что позволяет предоставлять услуги голосовой связи, передачу коротких сообщений, работу с электронной почтой, интернетом, базами данных, передачу данных и неподвижных изображений.
Основными достоинствами CDMA2000 являются:
· широкая зона обслуживания;
· высокое качество речи;
· гибкость и дешевизна внедрения новых услуг;
· высокая помехозащищённость;
· устойчивость канала связи от перехвата и прослушивания;
· низкая излучаемая мощность радиопередатчиков абонентских устройств - менее 250 мВт (для сравнения: в GSM-900 этот показатель составляет 2 Вт, а GSM-1800 – 1 Вт).
WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) – технология широкополосного множественного доступа с кодовым разделением каналов в диапазоне частот 1900 – 2100 МГц. Термин WCDMA также используется для стандарта сотовой сети, который разрабатывался как надстройка над GSM. WCDMA ориентирована на предоставление мультимедийных услуг, доступа в Интернет и видеоконференции со скоростями передачи данных:
· до 2 Мбит/с на коротких расстояниях;
· 384 кбит/с на больших расстояниях с полной мобильностью.
Такие скорости обеспечиваются за счёт широкой полосы частот канала в 5 МГц, что больше, чем в стандарте CDMA2000, использующем один или несколько каналов с полосой 1,25 МГц для каждого соединения.
Поколение 3.5G
Поколение 3.5G, как промежуточное поколение, характеризуется более высокими скоростями передачи данных по сравнению с 3-м поколением.
Начиная с 2006 года на сетях UMTS повсеместно распространяется технология HSDPA.
HSDPA (High Speed Downlink Packet Access – высокоскоростная пакетная передача данных от базовой станции к мобильной станции) – стандарт поколения 3.5G, представляющий собой модернизированный 3G со средней скоростью передачи данных 3 Мбит/с и максимальной – 14 Мбит/с.
Поколение 4G
Четвёртое поколение мобильных коммуникаций представляет собой эволюционное развитие 3G. Инфраструктура стандарта 4G базируется на IP-протоколе, что позволяет обеспечивать простой и быстрый доступ к Интернету. Высокие скорости передачи данных (100-200 Мбит/с) должны обеспечить передачу не только качественного звука, но и видео.
Планируется дальнейшее увеличение скорости передачи данных до 2,5 Гбит/с. Такие высокие скорости объясняются тем, что в четвёртом поколении используется только пакетная передача данных, включая голосовой трафик, передаваемый через протокол IP (мобильная VoIP-телефония). Помимо этого, сети 4G должны обеспечивать глобальный роуминг, связь корпоративных сетей, мобильное телевидение высокой чёткости.
В качестве стандарта 4G активно продвигается технология широкополосной беспроводной связи для быстрого доступа в Интернет с мобильных компьютеров WiMAX, описанная стандарте IEEE802.16.
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) – телекоммуникационная технология, предоставляющая высокоскоростной беспроводной доступ к сети на больших расстояниях для широкого спектра устройств (от рабочих станций и портативных компьютеров до мобильных телефонов).
Скорости работы WiMAX-сетей будут достигать 75 Мбит/с и выше, что обеспечит не только доступ в Интернет, но и качественную передачу аудио- и видеоинформации, а также позволит использовать эту технологию в качестве «магистральных каналов».
Разработаны два стандарта технологии WiMAX – IEEE 802.16 d и IEEE 802.16 e, определяющие:
· рабочие диапазоны частот;
· ширину полосы пропускания;
· мощность излучения;
· методы передачи и доступа;
· способы кодирования и модуляции сигнала;
· принципы повторного использования радиочастот и другие показатели.
Стандарт IEEE 802.16 d , известный как фиксированный WiMAX и утверждённый в 2004 году, позволяет обслуживать только «статичных» абонентов, которые могут находиться как в зоне прямой видимости, так и вне зоны прямой видимости.
Стандарт IEEE 802.16 e , известный как мобильный WiMAX и утверждённый в 2005 году, ориентирован на работу с пользователями, передвигающимися со скоростью до 120 км/ч, и поддерживает ряд специфических функций, таких как хэндовер, режим ожидания (idle mode) и роуминг, что позволяет использовать его в сетях сотовой связи .
Возможна работа при отсутствии прямой видимости. Естественно, что мобильный WiMAX может применяться и для обслуживания фиксированных пользователей. Частотные диапазоны для сетей Mobile WiMAX расположены в интервале 2,3 - 3,8 ГГц.
Сети WiMAX состоят из следующих основных частей: базовых и абонентских станций, а также оборудования, связывающего базовые станции между собой, с поставщиком сервисов и с Интернетом. Для соединения базовой станции с абонентской используется диапазон частот от 1,5 ГГц до 11 ГГц. В идеальных условиях скорость обмена данными может достигать 70 Мбит/с, при этом не требуется наличия прямой видимости между базовой станцией и приёмником.
Конкурирующей по отношению к WiMAX является технология LTE.
LTE (Long Term Evolution) – технология мобильной передачи данных, предназначенная для повышения эффективности, снижения издержек, расширения оказываемых услуг путём интегрирования с существующими протоколами. Скорость передачи данных в соответствии со стандартом может достигать: 173 Мбит/с «вниз» (download) и 58 Мбит/с «вверх» (upload). Радиус действия базовой станции LTE зависит от мощности и используемых частот и составляет около 5 км, а при высоко расположенной антенне может достигать 100 км.
Важной проблемой в сетях 4-го поколения является поддержка высокой скорости передачи данных при перемещении мобильных станций с высокими скоростями, учитывая, что скорость передачи данных падает с увеличением скорости перемещения и с удалением от базовой станции.
Кроме того, необходимо обеспечить передачу управления мобильной станцией при её переходе с высокой скоростью (например, при движении в автомобиле или в поезде) из одной соты в другую без прерывания передачи данных и потери качества передаваемой информации.
Предполагается, что 4G станет единым стандартом, который заменит GSM, CDMA, UMTS и другие стандарты.
