Что такое сотовая связь, без которой современный человек не представляет жизни? Это вид соединения, в котором последний канал является беспроводным. Сеть распределена по сухопутным областям, называемым сотами, из которых каждая обслуживается по меньшей мере одним приемопередатчиком фиксированного местоположения, но чаще всего — тремя сотовыми или базовыми приемопередающими станциями. Они обеспечивают ячейку сетевым покрытием, которое можно использовать для передачи голоса, данных и других типов контента.
Как это работает?
Что такое сотовая связь в действии? Ячейка обычно использует другой набор частот от соседних, чтобы избежать помех и обеспечить гарантированное качество обслуживания в каждой ячейке (принцип «соты»). При объединении эти соты обеспечивают радиопокрытие в расширенном географическом регионе. Это дает возможность значительному количеству портативных приемопередатчиков (к примеру, мобильных телефонов, планшетов и ноутбуков, оснащенных мобильными широкополосными модемами, пейджерами и т. д.) связываться друг с другом и со стационарными приемопередатчиками и телефонами в любом месте сети посредством базовых станций, даже если некоторые трансиверы во время передачи проходят через несколько ячеек.
Сотовая связь имеет целый ряд полезных функций:
- Большая емкость, чем у одного большого передатчика, поскольку одна и та же частота возможна к применению для нескольких каналов, если они находятся в разных сотах.
- Мобильные устройства потребляют меньше энергии, чем при соединении с одним передатчиком или спутником, поскольку вышки сотовой связи находятся ближе.
- Большая зона покрытия, чем у одного наземного передатчика, поскольку дополнительные вышки сотовой связи могут быть добавлены на неопределенный срок и не ограничены видимостью.
Насколько это развито сегодня?
Крупные провайдеры телекоммуникационных услуг развернули сети сотовой связи для передачи голоса и контента на большей части обитаемой территории Земли. Это позволяет мобильным телефонам и вычислительным устройствам подключаться к стандартной телефонной сети и общедоступному Интернету.
Регионы операторов сотовой связи могут быть отличными – от территории страны до небольшого объекта. Частные сотовые сети могут быть использованы для исследований или для крупных организаций и парков, например, для отправки звонков в местные органы общественной безопасности или компанию такси.
Какой оператор сотовой связи сегодня является лидером? На сегодняшний день в каждой стране имеются собственные провайдеры. В России первое место по распространенности занимают «МТС» и «Мегафон».
Концепция
Что такое сотовая связь и как она работает? В сотовой системе радиосвязи сухопутная территория, которая должна быть снабжена этой службой, делится на ячейки по схеме, которая зависит от характеристик местности и приема. Она может быть приблизительно шестиугольной, квадратной, круглой или некоторых других правильных форм, хотя шестиугольные соты являются стандартными. Каждой из этих ячеек назначается множество частот (f1 — f6), которые имеют соответствующие базовые радиостанции. Группа частот может быть применена повторно в других сотах, при условии, что аналогичные частоты не используются в соседних ячейках повторно, поскольку это может вызвать в совмещенном канале помехи.
Повышенная пропускная способность в сотовой сети, по сравнению с сетью с одним передатчиком, обусловлена системой коммутации мобильной связи, разработанной Амосом Джоэлом из Bell Labs, которая позволяла нескольким абонентам в одной и той же зоне использовать одну частоту при переключении вызовов. Если же имеется один простой передатчик, только один вызов может использоваться на любой заданной частоте. К сожалению, неизбежно существует некоторый уровень помех от сигнала с других ячеек, которые используют ту же частоту. Это означает, что в стандартной системе FDMA между ячейками, которые повторно используют одну и ту же частоту, должно быть не менее одного зазора.
Как появилась данная технология?
Первая коммерческая сотовая сеть поколения 1G была запущена в Японии компанией Nippon Telegraph and Telephone (NTT) в 1979 году, первоначально — в столичном районе Токио. В течение пяти лет она была расширена, чтобы охватить все население Японии, и стала первой общенациональной сетью 1G.
Кодирование сотового сигнала
Чтобы понять, что такое сотовая связь, необходимо разобраться с ее стандартами. Чтобы отличать сигналы от нескольких разных передатчиков, были разработаны следующие разновидности множественного доступа:
- с временным разделением (TDMA);
- с частотным разделением (FDMA);
- с кодовым разделением (CDMA);
- ортогональный с частотным разделением (OFDMA).
В TDMA временные интервалы передачи и приема, используемые разными пользователями в каждой соте, отличаются друг от друга.
В FDMA частоты передачи и приема, используемые разными пользователями в каждой соте, отличаются друг от друга.
Принцип CDMA является более сложным, но достигает того же результата: распределенные приемопередатчики могут выбрать одну ячейку и прослушать ее.
TDMA используется в сочетании с FDMA или CDMA в ряде систем для предоставления нескольких каналов в зоне покрытия одной соты.
Современная тенденция
Что такое сотовая связь LTE в планшете? В последнее время также развертываются системы на основе множественного доступа с ортогональным частотным разделением, такие как LTE, с повторным использованием частоты 1.
Поскольку такие системы не распространяют сигнал по полосе частот, управление межсотовыми радиоресурсами важно для координации распределения ресурсов между различными сотовыми ячейками и для ограничения межсотовых помех. Существуют различные способы координации межсотовых помех (ICIC), уже определенные в стандарте.
Скоординированное планирование, многоместное MIMO или формирование многоместного луча являются другими примерами управления межсотовыми радиоресурсами, которые могут быть стандартизированы в будущем.
Трансляция сообщений и сигналов
Что такое сотовая связь? Определение приведено выше. Практически каждая такая система имеет своего рода механизм вещания. Это может быть использовано непосредственно для распространения информации на несколько мобильных телефонов. С этой целью применяют и усилители сотовой связи.
Обычно, например, в системах мобильной телефонии наиболее важным использованием широковещательной информации является настройка каналов для связи один-к-одному между мобильным приемопередатчиком и базовой станцией. Это называется сигналом сотовой связи. Обычно используются три различные процедуры подачи сигнала: последовательный, параллельный и выборочный.
Детали процесса поискового вызова несколько различаются от сети к сети, но обычно известно ограниченное количество ячеек, в которых находится телефон (эта группа называется зоной покрытия в системе GSM или UMTS или зоной маршрутизации, если участвует сеанс пакета данных; в LTE соты группируются в области отслеживания).
Подача сигнала происходит путем отправки широковещательного сообщения всем этим ячейкам. Сигнальные сообщения могут быть использованы для передачи информации. Это происходит в пейджерах, в системах CDMA для отправки SMS-сообщений и в системе UMTS, где это допускает низкую задержку нисходящей линии связи в пакетных соединениях.
Движение между сотами и передача данных
Что такое сотовая связь современного типа? В системе сотовой связи, когда распределенные мобильные приемопередатчики перемещаются от ячейки к ячейке во время непрерывной связи, переключение с одной частоты соты на другую осуществляется электронным способом без прерывания и без оператора базовой станции или ручного переключения. Это называется мобильной передачей данных. Как правило, новый канал автоматически выбирается для мобильного устройства на новой базовой станции, которая будет обслуживать его. Затем устройство автоматически переключается с текущего канала на новый, и связь продолжается.
Точные детали перемещения сотовой связи от одной базовой станции к другой значительно различаются от системы к системе.
Архитектура сети GSM
Наиболее распространенным примером сотовой сети является сеть мобильного (сотового) телефона. Это портативный телефон, который принимает или совершает звонки через сотовую станцию (базовую) или передающую вышку. Радиоволны используются для передачи сигналов на мобильник или с него.
Современные сети сотовой связи используют ячейки, потому что радиочастоты являются ограниченным общим ресурсом. Сотовые станции и телефоны меняют частоту под управлением компьютера и используют передатчики малой мощности, так что обычно ограниченное количество радиочастот может одновременно использоваться многими абонентами с меньшими помехами.
Как происходит соединение
Сотовая сеть используется оператором мобильной связи для достижения как покрытия, так и пропускной способности для своих абонентов. Большие географические области разделены на более мелкие ячейки, чтобы избежать потери сигнала прямой видимости и поддерживать большое количество активных телефонов в этой области. Все зоны покрытия подключены к телефонным станциям (или коммутаторам), которые, в свою очередь, подключаются к телефонной сети общего пользования.
Что такое сотовая связь в качестве модема? Фактически это аналогичное соединение, передающее пакеты информации посредством сети Интернет.
В городах каждый участок сотовой связи может иметь дальность действия приблизительно до 0,80 км, в то время как в сельской местности это значение может достигать 8 км. Возможно, что на открытых участках пользователь может получать сигналы от сотового узла на расстоянии до 40 км.
Поскольку почти все мобильные телефоны используют сотовую связь GSM, CDMA и AMPS, термин «сотовый телефон» используется взаимозаменяемо с обозначением «мобильный». Но стоит учитывать некоторые отличия этих устройств.
Что такое сотовая связь в айфоне? Это возможность подключения к сети, используя одновременно два стандарта — GSM и CDMA. Однако спутниковые телефоны — это мобильные устройства, которые не связываются напрямую с наземной сотовой вышкой, но могут делать это косвенно через спутник.
Какие форматы связи могут использоваться?
Существует целый ряд различных технологий цифровой сотовой связи, в том числе:
- Глобальная система мобильной связи (GSM).
- Служба пакетной радиосвязи общего назначения (GPRS).
- CDMAOne.
- CDMA2000, оптимизированные для передачи данных (EV-DO).
- Улучшенные скорости передачи данных для GSM ( EDGE).
- Универсальная система мобильной связи (UMTS).
- Цифровая усовершенствованная беспроводная связь (DECT).
- Цифровая AMPS (IS-136 / TDMA).
- Интегрированная цифровая расширенная сеть (iDEN).
Переход от существующего аналогового стандарта к цифровому прошел в Европе и США совсем по-разному. Как следствие, в США появилось множество цифровых стандартов, а Европа и многие страны приблизились к GSM. Этим и объясняется особенность работы айфонов в сети.
Структура сотовой сети
Простое представление сотовой сети с точки зрения радиосвязи состоит из таких элементов, как:
- Сеть базовых радиостанций, которые образуют подсистему базовых станций.
- Основная сеть с коммутацией каналов, существующая для обработки голосовых и текстовых вызовов.
- Сеть с коммутацией пакетов, предназначенная для обработки мобильных данных.
- Коммутируемая телефонная сеть общего пользования для подключения абонентов к более широкой телефонной сети.
Эта сеть является основой системы GSM. Она выполняет множество функций, чтобы гарантировать, что клиенты получают желаемую услугу, включая управление мобильностью, регистрацию, настройку вызова и передачу обслуживания.
Каждый телефон осуществляет подключение к сети при помощи RBS (базовой радиостанции) в секторе соответствующей ячейки, которая в свою очередь присоединяется к мобильному коммутационному центру (MSC). MSC осуществляет соединение с коммутируемой телефонной сетью общего пользования (PSTN). Ссылка с телефона на RBS определяется как восходящая линия связи, а обратный путь — нисходящей.
Как передаются данные?
Радиоканалы используют среду передачи с эффективностью благодаря использованию следующих схем множественного доступа и мультиплексирования:
- с частотным разделением (FDMA);
- с временным разделением (TDMA);
- с кодовым разделением (CDMA);
- с пространственным разделением (SDMA).
Малые соты, которые имеют меньшую зону покрытия, чем базовые станции, классифицируются следующим образом:
- Microcell — менее 2 километров.
- Picocell — менее 200 метров.
- Femtocell — около 10 метров.
Что такое сотовая связь для детей? Под этим термином обычно понимают специальные «детские» тарифы с особыми пакетами услуг.
Сотовая передача в сетях мобильной связи
Когда пользователь телефона перемещается из одной сотовой зоны в другую во время разговора, мобильная станция будет искать новый канал для подключения, чтобы не прерывать звонок. Как только он будет найден, сеть выдает команду мобильному устройству переключиться на новый канал и одновременно переключить вызов на него.
При формате CDMA несколько телефонов совместно используют определенный радиоканал. Сигналы разделяются с помощью псевдошумового кода (PN-кода), характерного для каждого устройства. Когда пользователь перемещается из одной соты в другую, телефон устанавливает радиосвязь с несколькими местами (или секторами одного и того же место) одновременно. Это известно как «мягкая передача обслуживания», потому что, в отличие от традиционных технологий сотовой связи, нет единой определенной точки, где телефон переключается на новую ячейку. Поэтому при применении данного стандарта используют усилители сотовой связи и Интернета.
В межчастотных хэндоверах IS-95 и более старых аналоговых системах, таких как NMT, обычно невозможно напрямую проверить целевой канал во время связи. В этом случае должны использоваться другие методы, такие как контрольные маяки в IS-95. Это означает, что при поиске нового канала почти всегда происходит короткий перерыв в связи, что сопровождается риском неожиданного возврата к старому.
Если нет постоянной связи, или она может быть прервана, мобильное устройство может самопроизвольно переместиться из одной соты в другую и затем уведомить базовую станцию с самым сильным сигналом.
Выбор частоты сотовой связи в сетях мобильной связи
Влияние частоты на покрытие сот означает, что разные частоты лучше подходят для разных целей. Низкие частоты, такие как 450 МГц NMT, служат очень хорошо для покрытия сельской местности. GSM 900 (900 МГц) — это подходящее решение для небольшого городского покрытия.
GSM 1800 (1,8 ГГц) начинает ограничиваться структурными стенами. UMTS с частотой 2,1 ГГц очень похожа по охвату на GSM 1800. В зависимости от особенностей региона, операторы сотовой связи устанавливают различные зоны покрытия и частоты.
Более высокие частоты являются недостатком, когда речь идет о покрытии, но это решающее преимущество, когда речь идет о пропускной способности. Малые соты, охватывающие, например, один этаж здания, становятся возможными, и такую же частоту можно использовать для ячеек, которые практически являются соседями.
Зоны покрытия и обслуживания
Зона обслуживания соты также может изменяться из-за помех от передающих систем как внутри, так и вокруг нее. Это особенно верно в системах на основе CDMA. Приемнику требуется определенное отношение сигнал/шум, и передатчик не должен передавать со слишком высокой мощностью, чтобы не создавать помех другим передатчикам.
Поскольку помехи (шум) возрастают в связи с увеличением принимаемой мощности от передатчика, сигнал становится искаженным и в конечном итоге становится непригодным для использования. В системах на основе CDMA влияние помех от других мобильных передатчиков в той же соте на зону покрытия очень заметно.
Примеры покрытия сотовой связи можно увидеть, изучив некоторые карты покрытия, предоставленные реальными провайдерами на их веб-сайтах, или просмотрев независимые краудсорсинговые карты, такие как OpenSignal. На них видно, какой оператор сотовой связи работает на той или иной территории. В некоторых случаях они могут отмечать местоположение передатчика, в других это может быть рассчитано путем определения точки наибольшего охвата.
Сотовый ретранслятор используется для расширения зоны действия соты на большие площади. Они варьируются от широкополосных ретрансляторов для бытового и офисного использования до интеллектуальных или цифровых ретрансляторов для промышленных нужд.
Каждый сотовый провайдер имеет свой собственный диапазон номеров, отличающийся обычно по коду. По нему можно определить, какой регион и сотовый оператор связи у абонента, совершающего звонки.