Сотовая связь

Сотовая связь - система радиосвязи, основанная на делении обслуживаемой территории на отдельные небольшие зоны – соты (с выделенными полосами радиочастот), связь в которых обеспечивается многоканальными приёмо-передающими станциями (базовыми станциями). Каждая сота окружена 6 другими с некоторым перекрытием по площади (соты вместе образуют сеть); такая топология позволяет ограничиться 7 полосами радиочастот для обеспечения оказания услуг по всей обслуживаемой территории. Размеры сот зависят от плотности абонентов сети и составляют от нескольких километров до сотен метров. Количество обслуживаемых в каждой соте абонентов определяется шириной полосы радиочастот, присвоенных оператору в данном месте, поэтому чем больше плотность абонентов, тем меньше допустимые размеры сот. Сотовая связь предоставляет услуги телефонной связи, передачу текстовых (sms) сообщений, доступ к Интернету, просмотр телевизионных программ и др. Базовые станции сотовой связи связаны с центральной станцией каналами, организованными по радиорелейным или волоконно-оптическим линиям и обеспечивающими передачу информации одновременно всем работающим в данной соте абонентам.

Сотовая связь осуществляется как между мобильными (подвижными), так и неподвижными абонентами по следующему алгоритму: определяется местоположение абонента с точностью до соты и вызов, приходящий к данному абоненту, направляется именно в ту соту, в которой он находится (по всей территории, обслуживаемой оператором данного абонента). При перемещении абонента в другую соту (т. н. хэндовер) происходит автоматическая коммутация каналов сети от центральной станции к базовой, аналогичным образом осуществляется сотовая связь при смене абонентом города или страны (роуминг).

Основное отличие современный сотовой связи от сетей служебной радиосвязи – возможность связи абонентов сотовой связи с абонентами сети общего пользования. Впервые сеть мобильной радиосвязи, имеющая выход на сеть общего пользования, была организована в Москве в 1962 г., в 1980-е гг.

Принцип работы: когда пользователь совершает звонок или отправляет сообщение, мобильное устройство посылает сигнал на ближайшую базовую станцию. Затем базовая станция направляет сигнал через ряд сотовых вышек и центров коммутации, пока он не достигнет места назначения. 1

Основные составляющие сотовой сети: сотовые телефоны и базовые станции, которые обычно располагают на крышах зданий и вышках.

Базовая станция

Базовая станция сотовой связи – это ключевой компонент сотовой сети, обеспечивающий беспроводную связь между мобильными устройствами и инфраструктурой. Она играет важнейшую роль в обеспечении беспроводной связи между мобильными устройствами и сотовой сетью.

Базовая станция сотовой связи обычно состоит из следующих компонентов:

• Приемопередатчик: приемопередатчик отвечает за передачу и прием радиосигналов от мобильных устройств. Он состоит из передатчика и приемника, которые способны передавать и принимать сигналы в определенном частотном диапазоне.
• Антенна: антенна используется для передачи и приема радиосигналов между базовой станцией и мобильными устройствами. Обычно она устанавливается на башне или крыше для обеспечения оптимального покрытия.
• Источник питания: для работы базовой станции требуется постоянное электропитание. Обычно она подключается к электросети или резервному источнику питания.
• Блок обработки базовой полосы: блок обработки базовой полосы отвечает за кодирование и декодирование цифровых сигналов, получаемых от мобильных устройств.
• Блок управления: блок управления управляет работой базовой станции и взаимодействует с другими компонентами сотовой сети.

Работа базовой станции сотовой связи включает в себя следующие этапы:

• Сканирование: базовая станция сканирует доступные радиоканалы для установления связи с мобильными устройствами.
• Аутентификация: базовая станция проверяет подлинность мобильных устройств, чтобы убедиться, что они авторизованы для доступа к сотовой сети.
• Передача: когда мобильные устройства переходят из одной соты в другую, базовая станция передает связь в следующую соту для обеспечения непрерывной связи.
• Кодирование и декодирование: базовая станция кодирует и декодирует цифровые сигналы, полученные от мобильных устройств, чтобы обеспечить целостность и безопасность связи.
• Управление сетью: базовая станция взаимодействует с другими компонентами сотовой сети для управления сетевым трафиком и обеспечения оптимальной производительности.

Интересный момент состоит в том. что радиус действия одной станции зависит от частотного диапазона. И чем ниже частота, тем дальше бьет антенна. Также на расстояние влияют препятствия. Например, радиус покрытия 3G в мегаполисе где-то около 500 метров.

Аппараты сотовой связи

Сотовый телефон, также известный как мобильный телефон, – это сложное устройство, состоящее из нескольких модулей, работающих вместе для обеспечения связи, мультимедийных и интернет-возможностей.

Основные модули типичного сотового телефона и принцип их работы:

• Процессор: это «мозг» телефона, отвечающий за управление и координацию всех его функций. Современные телефоны оснащены мощными процессорами, которые могут выполнять такие сложные задачи, как игры, редактирование видео и так далее.
• Память: память телефона включает в себя как ОЗУ (память с произвольным доступом), так и накопитель. Оперативная память используется для временного хранения данных и приложений, которые используются в данный момент, а долговременная память используется для хранения файлов, фотографий и приложений, установленных на телефоне.
• Дисплей: дисплейный модуль включает в себя экран, подсветку и сенсорный датчик. Экран обычно представляет собой ЖК- или OLED-панель, на которой отображаются изображения и текст, а сенсорный датчик позволяет пользователям взаимодействовать с телефоном, касаясь, проводя или нажимая на экран.
• Аккумулятор: модуль аккумулятора обеспечивает питание телефона, позволяя ему работать без подключения к сети. В современных телефонах используются литий-ионные аккумуляторы, которые обеспечивают высокую плотность энергии и длительное время автономной работы.
• Камера: большинство телефонов оснащены как минимум одним модулем камеры, который включает в себя объектив, сенсор и процессор изображения. Камера позволяет пользователям снимать фото и видео, а некоторые телефоны высокого класса даже оснащены несколькими камерами для лучшего качества изображения и более творческих возможностей.
• Модуль сотовой связи: модуль сотовой связи отвечает за подключение телефона к сотовой сети, позволяя пользователям совершать звонки и отправлять сообщения. Он включает в себя антенну, радиоприемник и модем, которые преобразуют цифровые данные в радиоволны, передаваемые по сети.
• Модули Wi-Fi и Bluetooth: эти модули позволяют телефону подключаться к другим устройствам и сетям с помощью технологии Wi-Fi или Bluetooth. Wi-Fi используется для высокоскоростной передачи данных и доступа в Интернет, а Bluetooth – для связи на коротких расстояниях с другими устройствами, такими как наушники, динамики и смарт-часы.
• Датчики: многие телефоны имеют несколько встроенных датчиков, включая акселерометр, гироскоп, компас и датчик приближения. Эти датчики предоставляют информацию об ориентации телефона, его движении и окружении, а также используются для включения таких функций, как автоповорот, GPS и фитнес-трекинг.

Поколения сотовой связи

Сотовые сети значительно эволюционировали с момента своего появления, начиная с первого поколения (2G) и заканчивая новейшими сетями пятого поколения (5G). Каждое поколение сотовых сетей приносило значительные улучшения в плане скорости, надежности и пропускной способности передачи данных.

Сотовые сети 2G

Второе поколение (2G) сотовых сетей представило цифровую сотовую связь в 1990-х годах, заменив аналоговую технологию сотовой связи первого поколения. В сетях 2G использовались технологии множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA) и множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA) для передачи голоса и данных. Основным преимуществом сетей 2G было то, что они более эффективно использовали радиочастотный спектр, позволяя большему количеству пользователей использовать один и тот же частотный диапазон.

Сотовые сети 3G

Третье поколение (3G) сотовых сетей появилось в начале 2000-х годов и принесло несколько улучшений по сравнению с сетями 2G. Сети 3G обеспечивали более высокую скорость передачи данных, позволяя предоставлять мультимедийные услуги, такие как видеоконференции, мобильное телевидение и высокоскоростной доступ в Интернет. Основной технологией, используемой в сетях 3G, является широкополосный множественный доступ с кодовым разделением (WCDMA), который обеспечивает более высокую скорость передачи данных, чем сети 2G. Сети 3G также внедрили новые меры безопасности для защиты пользовательских данных и конфиденциальности.

Сотовые сети 4G

Четвертое поколение (4G) сотовых сетей появилось в конце 2000-х годов и принесло значительные улучшения по сравнению с сетями 3G. Сети 4G обеспечили более высокую скорость передачи данных, меньшую задержку и большую пропускную способность по сравнению с сетями 3G, что сделало их подходящими для приложений с высокой пропускной способностью, таких как потоковое видео, онлайн-игры и виртуальная реальность. Основной технологией, используемой в сетях 4G, является Long-Term Evolution (LTE), которая обеспечивает пиковую скорость загрузки до 1 Гбит/с и скорость выгрузки до 500 Мбит/с. В сетях 4G также внедрены такие передовые функции, как передача голоса по технологии LTE (VoLTE) и агрегация несущих для увеличения пропускной способности сети.

Сотовые сети 5G

Пятое поколение (5G) сотовых сетей – это новейшая и самая передовая технология сотовой связи на сегодняшний день. Сети 5G обещают обеспечить чрезвычайно высокую скорость передачи данных, сверхнизкую задержку и огромную емкость, что позволит использовать их в таких новых областях, как самоуправляемые автомобили, удаленная хирургия и «умные» города. Основной технологией, используемой в сетях 5G, является новое радио (NR), которое использует частоты миллиметровых волн и технологию MIMO (множественный вход и множественный выход) для обеспечения пиковых скоростей загрузки до 20 Гбит/с и загрузки до 10 Гбит/с.

Регистрация

Итак, я вставил SIM-карту в смартфон, включил его и телефон начинает искать сеть, но что в этот момент происходит на самом деле?

Как только устройство включается, оно начинает прослушивать эфир в поисках сигналов от ближайших базовых станций. Поймав сигнал, телефон посылает несколько уникальных идентификационный кодов. Во первых, IMSI или International Mobile Subscriber Identity - это международный номер мобильного абонента.

Он состоит из 14-15 цифр и нескольких частей: включая код страны, код сети и отдельную строку цифр, обозначающих каждую конкретную SIM-карту в сети мобильной связи.

Не путайте его с номером мобильного телефона, который, кстати, по научному называется MSISDN — Mobile Subscriber Integrated Services Digital Number.

ваш мобильный номер на SIM-карте не хранится. Он хранится в специальной базе в опорной сети GSM и привязан к тому самому номеру IMSI.

Поэтому, в отличие от номера мобильного телефона, IMSI на другую симку перенести нельзя. IMSI уникален для каждой SIM-карты. Кстати, чисто теоретически мобильный номер можно изменить не меняя SIM-карты, для это надо просто подменить данные в базе опорной сети GSM.

IMSI - это основной код, который позволяет идентифицировать вас и понять к какому оператору привязан ваш номер. Но передаются и другие номера, а именно KI (Key Identification) — это уникальный 128-битный ключ аутентификации пользователя. А также, IMEI — уникальный номер устройства.

Кстати, без симки телефон также может устанавливает связь с базовыми станциями, просто не регестрируется в сети. Зато может совершать экстренные вызовы, что может быть очень полезно.

Получив данные, базовая станция понимает кто это и регистрирует в сети.

И телефон переходит в режим standby, то есть смартфон и станция поддерживают постоянный радиоконтакт, обмениваются пакетами и, откровенно говоря, следят друг за другом.

Методом триангуляции сеть определяет ваши координаты и если вы покидаете зону покрытия одной базовой станции или просто ухудшается качество сигнала по какой-либо причине, вас переключают на другую БС. Можно сказать, что оператор, аккуратненько передает абонента из рук одной базовой станции в руки.

Кстати, официально этот процесс называется handover. Благодаря хендоверу, мы можем спокойно смотреть YouTube, мчась в автомобиле, поезде или вагоне метро.

Но насколько быстро? Сеть 3G способна удержать абонента на скорости до 120 км/ч, что уже неплохо. А вот 4G и 5G вообще выдерживать скорость 500 км/ч, но только при очень хорошем покрытии сети.

Кстати, к сотовой сети подключены не только смартфоны пассажиров данного автомобиля, но и сам автомобиль - KIA Sorento, который мы используем для теста и разбора работы сотовой сети. А зачем? Расскажу чуть позже.

Звонки

1. Сначала ваш смартфон передает сигнал базовой станции.
2. БС ловит сигнал, дешифрует его и начинает искать абонента, с которым мы хотим связаться: определяет в какой сети он находится, каким оператором обслуживается и прочее.
3. После чего передает запрос на ближайшую к абоненту базовую станцию.

Антенна БС начинает отправлять направленный сигнал и мы слышим звонок.

Те странные звуки, которые мы можем услышать, если телефон лежит рядом с колонками за пару секунд до звонка, это сигнал, который телефон передаёт обратно БС, сообщая, что он готов принять звонок.

Интернет

Примерно по такой же схеме можно не только совершать звонки, но и отправлять SMS, получать пуши и обмениваться пакетами данных через интернет-протокол.

Например, при помощи сотовой связи мы можем управлять девайсами интернета вещей или даже современными автомобилями.

Мобильный интернет — это беспроводной способ подключения к сети через сотовую связь (3G, 4G, 5G). Для этого нужны мобильное устройство, модем или роутер с SIM-картой.

Некоторые преимущества мобильного интернета:

• Доступность. Работает даже там, где нет проводов, и легко подключается.
• Интернет всегда с собой. Подходит для тех, кто живёт в нескольких местах или часто бывает за городом.
• Простое подключение. Не требует вызова мастера и сложной установки.
• Экономичность. Подходит для новых подключений благодаря доступным тарифам и отсутствию затрат на установку.
• Резервный вариант. Спасает в случае неполадок с основным интернетом, особенно для работы или учёбы.

Некоторые недостатки мобильного интернета:

• Снижение скорости в часы пик. Вечером сеть перегружена, скорость может падать.
• Зависимость от сигнала. Рельеф, удалённость от вышки и погода влияют на качество связи.
• Ограничения по трафику. Лимиты на данные могут мешать активным пользователям.
• Высокая задержка. Видеозвонки и онлайн-игры страдают от высокого пинга.
• Риск для безопасности. Беспроводные сети уязвимы, рекомендуется использовать VPN и антивирус.

Принцип работы передачи данных по мобильной сети:

1. Каждая базовая станция передаёт в эфир сигналы на определённых частотных диапазонах и стандартах связи.
2. Телефон подключается к ближайшей базовой станции с приемлемыми параметрами сигнала.
3. Базовая станция принимает запрос и действует как посредник между устройством и внутренними элементами собственной сети, направляя полученный запрос к нужным серверам.
4. Полученные данные обрабатываются телефоном и преобразуются в привычные веб-страницы, музыку или фильмы.

Усилитель сигнала сотовой связи

Усилитель сигнала сотовой связи (репитер, ретранслятор) — это устройство, которое принимает слабый сигнал от базовой станции оператора, усиливает его и передаёт обратно в зону покрытия. Оно служит для улучшения качества сотовой связи и интернета в местах, где сигнал недостаточно сильный или стабильный.

Процесс усиления происходит так:

1. Уличная антенна принимает высокочастотный сигнал от вышки сотовой связи.
2. Антенна передаёт по кабелю сигнал на репитер.
3. Процессор репитера усиливает сигнал.
4. По проводам усиленный сигнал передаётся на комнатную антенну.
5. Антенна распространяет его абонентским устройствам: на смартфоны, роутеры.

Репитер состоит из трёх основных компонентов:

1. Внешняя антенна. Принимает сигнал от базовой станции. Устанавливается снаружи здания, на крыше или в месте с лучшим уровнем сигнала.
2. Усилитель сотовой связи (сам репитер). Увеличивает мощность принятого сигнала для передачи его внутрь помещения.
3. Внутренняя антенна. Распространяет усиленный сигнал внутри здания, обеспечивая стабильную связь для всех устройств.

Некоторые технические характеристики усилителей сигнала сотовой связи:

• Коэффициент усиления. Показатель, на сколько децибел будет увеличена мощность исходного сигнала.
• Выходная мощность. Максимальная мощность в ваттах, на которую рассчитаны выходные каскады усилителя.
• Рабочие диапазоны частот. Операторы могут использовать разные частотные диапазоны, выделенные для связи государством.

Некоторые особенности и функции усилителей:

• Ручная регулировка. Помогает избежать перегрузки усилителя при сильном входном сигнале с улицы и не допустить «закольцовки» сигнала.
• Smart-регулировка. Режим «автопилота», который позволяет усилителю самому менять выходную мощность в зависимости от уровня входного сигнала.
• Наличие ЖК-экрана. Упрощает настройку репитера. Часто на экран выводится информация об уровне сигнала в децибелах, предупреждения о перегрузке и другая полезная информация.

При установке устройства необходимо правильно его настроить, иначе оно может создавать помехи для сети оператора.

Комплект усилителя Baltic Signal BS-GSM/DCS/3G/4G-75 (до 400 м2)

Комплект Baltic Signal для усиления GSM/LTE 1800, 3G и 4G (до 200 м2)

Комплект Titan-2100 (LED)

Усилитель 3G/4G-интернета BS-WiFi-2х20