Сотовая связь стала неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Мы используем ее для звонков, передачи данных и многого другого. Но как именно работает эта технология? В этой статье мы разберем принцип работы сотовой связи стандарта GSM - от истории создания до технических нюансов. Погрузимся в увлекательный мир мобильной связи!
История сотовой связи
Первые опыты с радиотелефонной связью начали проводиться в США в 1920-1930-х годах. В 1921 году полиция Детройта впервые использовала одностороннюю диспетчерскую радиосвязь в диапазоне 2 МГц для передачи информации от центрального передатчика к приемникам на автомобилях. В 1933 году полиция Нью-Йорка запустила систему двусторонней подвижной телефонной радиосвязи, также работающую на частоте около 2 МГц.
В 1934 году Федеральная комиссия связи США (FCC) выделила для нужд телефонной радиосвязи 4 канала в диапазоне 30-40 МГц. К 1940 году подвижной радиосвязью уже пользовались около 10 тысяч полицейских автомобилей. В этих первых системах использовалась амплитудная модуляция сигнала. Переход на частотную модуляцию начался в 1940-х годах и к 1946 году полностью вытеснил амплитудную.
Первая коммерческая система общественной подвижной радиотелефонной связи запущена в 1946 году в Сент-Луисе компанией Bell Labs. Она работала в диапазоне 150 МГц. В 1955 году в США появилась 11-канальная мобильная сеть в диапазоне 150 МГц, а в 1956 году - 12-канальная сеть в диапазоне 450 МГц. Эти системы были симплексными и использовали ручную коммутацию. Переход к автоматическим дуплексным системам произошел в 1964 году для диапазона 150 МГц и в 1969 году для диапазона 450 МГц.
Принцип работы сотовой связи
Сотовая сеть состоит из территориально разнесенных базовых станций, каждая из которых обслуживает свою ячейку (соту). Зоны покрытия соседних станций частично перекрываются, образуя сплошное покрытие. Базовые станции соединены между собой и с телефонной сетью при помощи коммутационных узлов. Это позволяет осуществлять непрерывную связь при перемещении абонента из одной соты в другую.
Каждая базовая станция может обслуживать до 72 одновременных звонков. Она состоит из передатчиков, приемников, контроллеров и антенн. Сигналы от базовой станции распространяются в радиусе от нескольких сотен метров до нескольких десятков километров в зависимости от местности.
После включения мобильный телефон начинает прослушивать эфир в поисках сигналов ближайших базовых станций. Обнаружив сигнал, телефон посылает станции свой уникальный идентификационный код IMSI (International Mobile Subscriber Identity). По нему сеть опознает абонента и регистрирует его в своей зоне действия. После этого телефон и станция поддерживают постоянный радиоконтакт, периодически обмениваясь контрольными сигналами.
При наборе номера мобильный телефон посылает на базовую станцию запрос на выделение канала. Станция передает этот запрос на коммутатор, который находит коммутатор, ближайший к вызываемому абоненту. Этот коммутатор через базовую станцию выделяет канал для ответа. Так устанавливается соединение.
При перемещении абонента из зоны действия одной базовой станции в зону другой происходит автоматическое переключение канала связи между станциями (хэндовер). Это позволяет сохранять непрерывную связь на больших территориях и даже при высоких скоростях движения.
Стандарты сотовой связи
Развитие сотовой связи привело к появлению стандартов, отличающихся используемым частотным диапазоном и методами передачи информации. Стандарты делят на поколения.
К первому поколению (1G) относятся:
- NMT (Nordic Mobile Telephony) - аналоговый стандарт, разработанный в Скандинавии в 1981 году;
- AMPS (Advanced Mobile Phone System) - аналоговый стандарт, разработанный в США в 1983 году;
- TACS (Total Access Communication System) - британский аналоговый стандарт 1985 года.
Эти системы использовали принцип частотного разделения каналов FDMA и обеспечивали полностью автоматические вызовы.
Второе поколение (2G) - цифровые стандарты:
- GSM (Global System for Mobile Communications) - самый распространенный стандарт, принятый в Европе в 1990-х годах;
- CDMA (Code Division Multiple Access) - использует кодовое разделение каналов;
- TDMA (Time Division Multiple Access) - использует разделение каналов по времени.
Стандарты 2G позволили значительно расширить функциональность сотовой связи за счет цифровых методов обработки сигналов и передачи данных.
Инфраструктура сотовых операторов
Помимо базовых станций, в инфраструктуру сотового оператора входят:
- Контроллеры базовых станций (BSC), управляющие радиоресурсами;
- Коммутаторы, обеспечивающие соединение вызовов;
- Центры управления сетью (NMC);
- Центры аутентификации (AuC), хранящие данные абонентов;
- Регистры местоположения (HLR/VLR);
- Шлюзы и пункты сигнализации (STP).
Все эти элементы взаимодействуют между собой с использованием различных протоколов и интерфейсов. Например, между базовыми станциями и контроллерами используется интерфейс Abis. А между коммутаторами - интерфейс A.
Такая инфраструктура позволяет масштабировать сеть сотовой связи и предоставлять услуги большому количеству абонентов.
Абонентские устройства
Основным абонентским устройством в сети сотовой связи является мобильный телефон. Его основные компоненты:
- Антенна с дуплексером для разделения приема и передачи;
- Приемопередатчик, преобразующий сигналы между антенной и процессором;
- Процессор для обработки сигналов и выполнения протоколов;
- Аккумулятор, обеспечивающий автономное питание;
- SIM-карта с идентификационными данными абонента.
Все эти элементы взаимодействуют для приема и передачи сигналов сотовой связи. Например, процессор обрабатывает команды управления, поступающие от базовой станции, и формирует ответные пакеты. А антенна в нужных режимах работы принимает или излучает сигналы.
Также в сотовых сетях используются и другие устройства, как стационарные, так и мобильные. Например, модемы, роутеры, автомобильные комплекты. Но их работа основана на тех же принципах взаимодействия с сетью.
Услуги и сервисы
На базе сетей сотовой связи операторы предоставляют различные услуги:
- Голосовая связь - основная услуга для совершения звонков;
- Передача коротких текстовых сообщений (SMS);
- Передача мультимедийных сообщений (MMS);
- Мобильный интернет и доступ к различным ресурсам;
- Услуги на базе определения местоположения (LBS).
Также операторы могут предлагать различные дополнительные сервисы: онлайн-контент, мобильное ТВ, контент-провайдинг, информационно-справочные услуги.
Безопасность и качество связи
Для обеспечения безопасности в сотовых сетях используется:
- Шифрование трафика с помощью алгоритмов (например, A5);
- Аутентификация абонентов по уникальным кодам (IMSI, Ki);
- Защита от подслушивания и сетевых атак.
Для повышения качества связи применяются помехоустойчивые методы кодирования, а также регулярно проводится мониторинг параметров (BER, C/I, RSSI).
Усилитель сотовой связи: принцип работы
Усилители применяются в сотовой связи для увеличения зоны покрытия базовых станций. Они устанавливаются в местах со слабым сигналом и позволяют компенсировать потери при распространении радиоволн. Принцип работы усилителя сотовой связи заключается в следующем:
- Принимается слабый сигнал от базовой станции;
- Сигнал усиливается до необходимого уровня;
- Усиленный сигнал излучается в направлении абонентов.
Таким образом достигается расширение зоны уверенного приема сигнала сотовой связи.
Принцип работы репитера сотовой связи
Репитеры, как и усилители, предназначены для увеличения зоны покрытия сети. Но в отличие от усилителей, репитеры работают в дуплексном режиме. То есть усиливают как сигналы downlink (базовая станция - абонент), так и сигналы uplink (абонент - базовая станция).
Принцип работы репитера сотовой связи:
- Принимается слабый сигнал от базовой станции;
- Сигнал усиливается и передается абоненту;
- Принимается слабый сигнал от абонента;
- Сигнал усиливается и передается на базовую станцию.
Таким образом, репитер улучшает связь в обоих направлениях.
Помехи и шумы
На качество сотовой связи могут влиять различные факторы:
- Рельеф местности, высотные и массивные сооружения;
- Неблагоприятные погодные условия;
- Перегрузка сети в часы пик;
- Электромагнитные помехи от других источников.
Для борьбы с этими негативными факторами применяются усилители и репитеры, а также используется избыточное покрытие на границах сот.
Перспективы развития
Сотовая связь не стоит на месте и продолжает интенсивно развиваться. Среди перспективных направлений можно выделить:
- Стандарт 5G и дальнейшее повышение скоростей;
- Расширение спектра используемых частот;
- Сети малого радиуса действия;
- Интернет вещей и М2М-коммуникации.
