Сотовая связь. Как это сделано, как это работает, как это устроено Как работает сотовая связь

». А не задавались ли вы вопросом, почему мобильный телефон называют сотовым? В этом материале мы расскажем об истории возникновения сотовой связи и принципах ее работы.

Вконтакте

История появления сотовых телефонов

Американский журналист Роберт Слосс предсказал появление «мобильников» ещё в 1910 году. Первыми новую технологию на вооружение получили полицейские – в 1921 г. стражи правопорядка в Детройте получали информацию от диспетчеров по радиосвязи в диапазоне 2 МГц, а уже к 1940 году мобильные телефоны работали уже в 10 000 полицейских машинах по всей стране. А в 1946 г. в Сент-Луисе появился первый общественный подвижной радиотелефон. Связь осуществлялась по двум диапазонам – 150 и 450 МГц.

В 1957 г. московский инженер Куприянович представил мобильный телефон ЛК-1. Прототип «мобильника» весил три килограмма и позволял звонить на 25-30 км в округе.

Уже в следующем году Куприянович представил заметно более усовершенствованную модель ЛК-1 – весом всего в полкилограмма и размером с коробку папирос.

Примерно в то же время специалисты Воронежского НИИ Связи разработали первую в мире систему автоматической (до этого абонентов соединяли вручную) мобильной связи «Алтай». К 1970 г она работала в 30 городах СССР на частоте в 150 и 330 мегагерц. Каждый город обслуживала одна базовая станция, радиус действия составлял от 50 до 100 км, звонили на аппараты «Алтай», городские и междугородные / международные номера.

Современные системы сотовой связи появились в США в 1978 году, когда в Чикаго начались испытания первой такой системы для 2 тыс. абонентов в диапазоне 800 МГц. Первую коммерческую систему сотовой связи жители города получили в октябре 1983 года от компании AT&T. А первой коммерчески успешной сетью сотовой связи стала финская Autoradiopuhelin (ARP, «Автомобильный радиотелефон»). К 1986 году ей пользовались более 30 тыс. абонентов.

Как работает сотовая связь

Современная сотовая сеть состоит из базовых станций – многочастотных УКВ-приемопередатчиков, равномерно распределенных по всей зоне покрытия. Внешне они выглядят как огромные вышки красного или белого цвета со специальным оборудованием.

Вертикальные части антенны отвечают за мобильную связь, круглые — обеспечивают связь с контроллером. Радиус действия базовой станции — 35 километров (но это не предел, см. далее). Каждая базовая станция имеет шесть секторов обслуживания, один сектор принимает до 70 телефонных звонков одновременно. Умножьте 6 на 70 и поймёте, почему на Новый Год никому нельзя дозвониться:).

Рядом стоящие станции никогда не работают в одном и том же диапазоне – иначе не избежать интерференционных помех.

Затем уже 25 апреля 1895 года Александром Степановичем Поповым был сделал доклад, посвящённый возможности использования электромагнитных волн для передачи сигнала. Им же тогда и было впервые продемонстрировано устройство, используемое для регистрации электрических колебаний – когерер. Конечно же, до современных технологий, позволяющих применять их для тарифов с безлимитным трафиком, еще было далеко, однако старт был дан.

В то же время, в том же 1895 году, исследователь Гульельмо Маркони провел опыт с электромагнитными волнами. Его целью на тот момент была возможность создания устройства для передачи сообщений. В марте 1896 года Попов, при помощи того самого прибора собственной конструкции, сумел передать на расстояние в 250 метров короткую радиограмму, состоявшую всего из двух слов: «Генрих Герц».

Чуть позже, в 1897 году, Маркони стал обладателем патента на устройство, очень похожее на прибор Попова. Затем Маркони в 1901 году установил на борт парового автомобиля «Торнисрофт» своеобразное радио и провел, таким образом, первую «мобильную» связь. Именно с того времени и началось поистине бурное развитие радиосвязи, и, прежде всего, эти достижения вовсю использовались на военном флоте.

Резкий и значительный перелом в истории становления современной сотовой связи произошел в 1946 году в США. Тогда фирмой AT&T услуга мобильной связи была впервые предоставлена частным лицам. Тогда сотовый телефон располагался только в автомобиле, весил он около 12 килограммов (26,5 фунтов), и, по сути, объединял в себе как телефон, так и приемопередатчик, причем в нем прием и передача велись на совершенно разных радиочастотах. Связь, таким образом, осуществлялась через ретранслятор или же базовую станцию.

Канал «базовая станция – телефон» назывался «uplink» (то есть «восходящая связь»), а вот сам канал «телефон – базовая станция» именовался «downlink» (иными словами, «нисходящая связь»).

При такой радиотелефонной системе весь город обслуживался одной антенной, укрепленной на башне, и, таким образом, было доступно около 25 каналов. Для автомобильной антенны был необходим передатчик волн, который был бы способен передавать радиоволну на расстояние до 70 километров. Таким образом, при такой системе насладиться мобильным общением могли не все желающие – ведь на всех каналов попросту не хватало бы.

А вот устройство, известное ныне, как рация – это уже полудуплексный прибор. Такая система означает, что если на одной и той же радиоволне (то есть, на радиоволне одной частоты) общаются два человека, то разговаривать они могут только лишь по очереди. Ну а мобильный телефон, в свою очередь – это полнодуплексная сеть. Такая система означает, что для разговора вами будет использоваться одна частота, а когда вы слушаете, то другая. При таком порядке вещей оба собеседника, разумеется, могут разговаривать одновременно.

Идея же сотового принципа связи по своей сути подразумевает следующее:

Базовые станции всеми своими зонами покрытия образуют своего рода соты, размер которых уже определяется, в свою очередь, территориальной плотностью абонентов сети. К примеру, в сети, охватывающей, целую страну, количество сот может быть действительно очень большим.

Так, антенна помещается в центре каждой такой соты. Для того, чтобы снизить интерференционные помехи, в соседних сотах используются разные частоты. Именно поэтому одинаковые частоты могут использоваться только в сотах, расположенных на достаточном удалении одна о другой. Группа из семи сот называется «кластер». Кроме этого, максимальный радиус соты ограничен его техническими возможностями и составляет 35 километров (приблизительно 22 мили).

Таким образом, размер соты в реальной сети может зависеть от некоторых следующих факторов:

Во-первых, это географическое положение. Разумеется, что радиус сот на возвышенностях и на равнинной местности немного больше, чем на холмистой местности.

Во-вторых, число пользователей. Понятно, что телефонная нагрузка на один и тот же узел сотовой связи ограничивается пропускной способностью этого узла, потому как существует конечное число вызовов, которые он способен обрабатывать одновременно.

Кроме этого, частотные каналы, которые используются для работы одной из базовых станций сети, могут быть использованы также и другими базовыми станциями этой сети.

Помимо всего прочего, подразумевается еще и понятие «handoff». Это означает, что абонент сети, например Билайн , перемещаясь из одной зоны действия базовой станции в другую, будет способен поддерживать постоянную, непрерывную связь, причем, как с подвижным абонентом, так и с абонентом стационарной, проводной сети.

Сети также охватывают достаточно обширные территории, поэтому абонент, находясь в зоне действия абсолютно любой из подобных базовых станций, может или самостоятельно выйти на связь, или же его может вызвать другой абонент, причем абсолютно независимо от своего местоположения. Именно на этом основывается услуга роуминга, или, к примеру, способность сохранения тех же телефонных номеров Мегафон за пределами страны.

Аспекты современной радиосвязи.

На современном этапе, для мобильных сетей в Европе были выделены следующие диапазоны частот. Так, частоты 890 - 915 МГц (диапазон GSM), 1710 - 1785 МГц (диапазон DCS) используются для установления связи в прямом направлении, то есть от мобильного телефона к базовой станции (иными словами, «восходящий канал»).

А вот частоты 935 - 960 МГц (в диапазоне GSM), 1805 - 1880 МГц (в диапазоне DCS) уже в свою очередь используются для установления связи в обратном направлении, то есть от базовой станции к мобильному телефону (а иначе говоря, «нисходящий канал»). Таким образом, можно считать, что весь диапазон GSM размещен в пределах полосы шириной 2?25 МГц, а диапазон DCS – в пределах полосы 2?75 МГц.

В современных мобильных телефонах используется очень маломощный передатчик. Так, многие аппараты имеют две величины сигнала: 0,6 Вт и 3 Вт (к примеру, большинство радиопередатчиков потребляют от 4 Вт). Из-за того, что мобильные телефоны потребляют невероятно мало энергии, он могут работать преимущественно от батарей. Исходя из того, что маленькая мощность – это маленькие батареи, именно это и делает сотовые телефоны мобильными.

Разумеется, использование сотовой связи требует чрезвычайно большого количества базовых подстанций в любом городе независимо от его размера.

К примеру, в типичном мегаполисе используются сотни подстанций. Это требует достаточных вложений, однако из-за невероятно большого количества людей, пользующихся мобильными телефонами, для одного конкретного человека стоимость связи обходится не очень дорого.

Развитие сотовой связи получило свое начало еще в 1888 году. Именно тогда Генрихом Герцем была придумана установка, а затем с ее помощью доказан факт существования электромагнитных волн, а также возможности их обнаружения.

Затем уже 25 апреля 1895 года Александром Степановичем Поповым был сделал доклад, посвящённый возможности использования электромагнитных волн для передачи сигнала. Им же тогда и было впервые продемонстрировано устройство, используемое для регистрации электрических колебаний – когерер. Конечно же, до современных технологий, позволяющих применять их для тарифов с безлимитным трафиком, еще было далеко, однако старт был дан.

Идея же сотового принципа связи по своей сути подразумевает следующее:

Таким образом, размер соты в реальной сети может зависеть от некоторых следующих факторов:

Помимо всего прочего, подразумевается еще и понятие «handoff». Это означает, что абонент сети, например Билайн, перемещаясь из одной зоны действия базовой станции в другую, будет способен поддерживать постоянную, непрерывную связь, причем, как с подвижным абонентом, так и с абонентом стационарной, проводной сети.

Аспекты современной радиосвязи.

Вряд ли возможно сегодня найти человека, который бы никогда не пользовался сотовым телефоном. Но каждый ли понимает, как работает сотовая связь? Как устроено и работает то, к чему мы все давно привыкли? Передаются ли сигналы от базовых станций про проводам или все это действует как-то иначе? А может быть вся сотовая связь функционирует лишь за счет радиоволн? На эти и другие вопросы попробуем дать ответ в нашей статье, оставив описание стандарта GSM за ее рамками.

В момент, когда человек пытается совершить вызов со своего мобильного телефона, или когда начинают звонить ему, телефон посредством радиоволн подключается к одной из базовых станций (наиболее доступной), к одной из ее антенн. Базовые станции можно наблюдать то там, то тут, взглянув на дома наших городов, на крыши и на фасады промышленных зданий, на высотки, наконец на специально возведенные для станций мачты красно-белого цвета (особенно вдоль автострад).

Станции эти выглядят как прямоугольные коробки серого цвета, из которых в разные стороны торчат разнообразные антенны (обычно до 12 антенн). Антенны здесь работают как на прием, так и на передачу, и принадлежат они оператору сотовой связи. Антенны базовой станции направлены во всевозможные стороны (сектора), чтобы обеспечить «покрытие сетью» абонентам со всех сторон на расстоянии до 35 километров.

Антенна одного сектора в состоянии обслуживать одновременно до 72 звонков, и если антенн 12, то представьте себе: 864 звонка способна в принципе обслужить одна крупная базовая станция одновременно! Хотя обычно ограничиваются 432 каналами (72*6). Каждая антенна соединена кабелем с управляющим блоком базовой станции. А уже блоки нескольких базовых станций (каждая станция обслуживает свою часть территории) присоединяются к контроллеру. К одному контроллеру присоединяется до 15 базовых станций.

Базовая станция в принципе способна функционировать на трех диапазонах: сигнал 900 МГц лучше проникает внутрь зданий и сооружений, распространяется дальше, поэтому именно данный диапазон часто используют в деревнях и на полях; сигнал на частоте 1800 МГц распространяется не так далеко, но на одном секторе устанавливают больше передатчиков, поэтому в городах ставят чаще именно такие станции; наконец 2100 МГц — это сеть 3G.

Контроллеров, конечно, в населенном пункте или районе, может быть несколько, поэтому контроллеры, в свою очередь, присоединяются кабелями к коммутатору. Задача коммутатора — связать сети операторов мобильной связи друг с другом и с городскими линиями обычной телефонной связи, междугородной связи и международной связи. Если сеть небольшая, то достаточно одного коммутатора, если крупная — используются два и более коммутаторов. Коммутаторы объединяются между собой проводами.

В процессе перемещения человека, разговаривающего по мобильнику, по улице, например: идет он пешком, едет в общественном транспорте, или передвигается на личном авто, - его телефон не должен ни на мгновение потерять сеть, нельзя оборвать разговор.

Непрерывность связи получается благодаря способности сети базовых станций очень оперативно переключать абонента с одной антенны на другую в процессе его перемещения от зоны действия одной антенны — в зону действия другой (от соты к соте). Абонент сам не замечает, как перестает быть связан с одной базовой станцией, и подключен уже к другой, как переключается от антенны — к антенне, от станции — к станции, от контроллера — к контроллеру…

При этом коммутатор обеспечивает оптимальное распределение нагрузки по многоуровневой схеме сети, чтобы снизить вероятность выхода оборудования из строя. Многоуровневая сеть строится так: сотовый телефон — базовая станция — контроллер — коммутатор.

Допустим, мы совершаем вызов, и вот сигнал уже добрался до коммутатора. Коммутатор передает наш звонок в сторону абонента назначения — в городскую сеть, в сеть международной или междугородней связи, либо на сеть другого мобильного оператора. Все это происходит очень быстро с использованием высокоскоростных оптоволоконных кабельных каналов.

Далее наш звонок поступает на коммутатор, что расположен на стороне принимающего звонок (вызываемого нами) абонента. В «приемном» коммутаторе уже есть данные о том, где находится вызываемый абонент, в какой зоне действия сети: какой контроллер, какая базовая станция. И вот, с базовой станции начинается опрос сети, находится адресат, и на его телефон «поступает вызов».

Вся цепочка описанных событий, с момента набора номера до момента раздавшегося на принимающей стороне звонка, длится обычно не более 3 секунд. Так мы можем сегодня звонить в любую точку мира.

Андрей Повный

Мобильная сотовая связь

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

Примечательно, что в английском варианте связь называется «ячеистой» или «клеточной» (cellular), что не учитывает шестиугольности сот .

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

История

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

В СССР В 1957 г. московский инженер Л. И. Куприянович создал опытный образец носимого автоматического дуплексного мобильного радиотелефона ЛК-1 и базовую станцию к нему. Мобильный радиотелефон весил около трех килограммов и имел радиус действия 20-30 км. В 1958 году Куприянович создает усовершенствованные модели аппарата весом 0,5 кг и размером с папиросную коробку. В 60-х гг Христо Бочваров в Болгарии демонстрирует свой опытный образец карманного мобильного радиотелефона. На выставке «Интероргтехника-66» Болгария представляет комплект для организации местной мобильной связи из карманных мобильных телефонов РАТ-0,5 и АТРТ-0,5 и базовой станции РАТЦ-10, обеспечивающей подключение 10 абонентов.

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

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

Конечно, как это обычно бывает в жизни, отдельные элементы системы сотовой связи существовали и раньше. В частности, некоторое подобие сотовой системы использовалось в 1949 г. в Детройте (США) диспетчерской службой такси - с повторным использованием частот в разных ячейках при ручном переключении каналов пользователями в оговоренных заранее местах. Однако архитектура той системы, которая сегодня известна как система сотовой связи, была изложена только в техническом докладе компании Bell System, представленном в Федеральную комиссию связи США в декабре 1971 г. И с этого времени начинается развитие собственно сотовой связи, которое стало поистине триумфальным с 1985 г., в последние десять с небольшим лет.

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

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

Принцип действия сотовой связи

Основные составляющие сотовой сети - это сотовые телефоны и базовые станции . Базовые станции обычно располагают на крышах зданий и вышках. Будучи включённым, сотовый телефон прослушивает эфир, находя сигнал базовой станции. После этого телефон посылает станции свой уникальный идентификационный код. Телефон и станция поддерживают постоянный радиоконтакт, периодически обмениваясь пакетами. Связь телефона со станцией может идти по аналоговому протоколу (NMT-450) или по цифровому (DAMPS , GSM, англ. handover ).

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

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

Операторы разных стран могут заключать договоры роуминга . Благодаря таким договорам абонент, находясь за границей, может совершать и принимать звонки через сеть другого оператора (правда, по повышенным тарифам).

Сотовая связь в России

В России сотовая связь начала внедряться с 1990 г., коммерческое использование началось с 9 сентября 1991 г., когда в Санкт-Петербурге компанией «Дельта Телеком» была запущена первая в России сотовая сеть (работала в стандарте NMT-450) и был совершён первый символический звонок по сотовой связи мэром Санкт-Петербурга Анатолием Собчаком . К июлю 1997 г. общее число абонентов в России составило около 300 тысяч. На 2007 год основные протоколы сотовой связи, используемые в России - GSM-900 и GSM-1800 . Помимо этого, работают и UMTS. В частности, первый фрагмент сети этого стандарта в России был введён в эксплуатацию 2 октября 2007 года в Санкт-Петербурге компанией «МегаФон ». В Свердловской области продолжает эксплуатироваться сеть сотовой связи стандарта DAMPS , принадлежащей компании Сотовая Связь «МОТИВ» .

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

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

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

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

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

Согласно исследованию компании J"son & Partners, количество зарегистрированных в России сим-карт по состоянию на конец ноября 2008 года достигло 183,8 млн .

См. также

Источники

Ссылки

Информационный сайт о поколениях и стандартах сотовой связи .
Сотовая связь в России 2002-2007, данные официальной статистики

Сотовая связь в России
Сотовые операторы	Utel Акос Алтайсвязь Байкалвестком Билайн ЕТК МегаФон Мотив МТС НСС НТК СМАРТС Скай Линк Сонет Сотел ССБ СТеК GSM ТомскТелеКом УУСС Цифровая экспансия‎
Сети продаж сотовых телефонов	Divizion Simфония АльтТелеком Банзай Беталинк Евросеть ИОН Связной Спектр Связи Телефон.Ру Телефорум Точка Ультра Цифроград Эльдорадо
Стандарты сотовой связи	D-AMPS GSM IMT-MC-450 IS-95

Комплектующие