Почему мобильный телефон называют сотовым
Наверняка, вам часто приходится слышать выражение «сотовый телефон». 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.
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.
Откуда пошло название «сотовая связь»
А что насчет сот? Базовых сетей используется много, круги-радиусы накладываются друг на друга и в совокупности образуют сеть, напоминающую пчелиные соты. Отсюда и название технологии – «сотовая связь». Группу из семи сот называют кластером.
Такой подход дает абоненту мобильной связи сразу несколько преимуществ. Во-первых, «плотное» расположение сот-ячеек мобильной связи обеспечивает бесперебойную связь – в отличие от стационарной связи, мы не привязаны к одной линии. Во-вторых, мобильный (он же сотовый) телефон автоматически уходит от станции с наибольшим ослаблением сигнала к наименьшей, т.е. обеспечивает наилучшее качество связи. За «бесшовный» переход от прежней станции к новой отвечает контроллер-хэндовер.
Теперь посмотрим на то, как всё работает со стороны абонента. Исправный сотовый телефон всегда сканирует эфир на предмет сигнала базовой станции. Когда сигнал найден, сотовый отправляет на станцию свой уникальный идентификационный код. Далее начинается периодический обмен радиопакетами через аналоговый или цифровой протокол (например, CDMA, GSM, UMTS). Канал связи от станции до абонента называется DownLink («даунлинк»), от абонента до станции – UpLink («аплинк») Когда вы кому-то звоните, телефон связывается со станцией и просит выделить голосовой канал. Станция переправляет сигнал на контроллер, тот — на коммутатор. Если абонент пользуется другим оператором сотовой связи, запрос идет на «его» коммутатор, если он находится в той же сети, что и вы, коммутатор найдет абонента сам и направит звонок на него.
Почему связь называется сотовой
Понятие «сотовый» менее применима к телефонам, чем слово «мобильный». По своему значению сотовый связано со словом «соты». Телефоны называют сотовыми, потому что они работают в сотовой сети, то есть сети мобильной связи, где базовые станции располагаются таким образом, что образуют воображаемые соты.
2 минуты, 28 секунд читать
Этих станций довольно много, и они образуют непрерывную связь на больших расстояниях, благодаря чему пользователи беспрепятственно могут передвигаться по пространству.
В английском языке сотовая связь называется «cellular», что в переводе означает «ячеистая» или «клеточная». Это определение ближе к истинному значению, поскольку зона покрытия базовыми станциями образует форму шестиугольных ячеек-сотов, схожих с пчелиными сотами.
Сеть сотовой связи состоит из следующих элементов:
1. Центр сети (или Core). Он существует для поддержания голосовых и пакетных сообщений, а также служит для адресования входящих вызовов или пакетов к другим регионам страны или в сеть Интернет.
2. В сети GSM и UMTS (2G и 3G, соответственно) имеется контроллер базовых станций BSC — 2G, RNC — 3G, выполняющий ряд функций: управляет радиосетью, подстраивает параметры отдельных базовых станций, налаживает взаимодействие между ними и реализует обмен данных с Core.
LTE-сеть не имеет контроллера базовых станций, поскольку эти функции заключены в функционал самой базовой станции.
3. Базовые станции (БС) являются самым важным элементом. Они устанавливаются на башнях связи и домах внутри городов, а также деревень для обеспечения покрытия сотовой связи на определенной территории.
Почему связь называют сотовой
Такое название она получила благодаря принципу начального размещения базовых станций на местности, которые похожи на пчелиные соты. Стандартная базовая станция включает 3 сектора (панельные антенны), полностью покрывающих пространство вокруг одной станции. Панельные антенны имеют стандартную ширину излучения или, если выражаться научным языком, диаграмму направленности, помогающую создать покрытие мобильной сети в секторе около 120 градусов.
На практике отыскать объекты, которые подходят под размещение объектов сотовой связи, укладывающихся в сотовую структуру, гораздо сложнее. Поэтому на картах размещения базовых станций вы вряд ли найдете улей. Однако название прижилось и по всему миру эту связь называют сотовой, а не только в России.
Среди всех видов мобильной связи, сотовая является самой популярной, поэтому телефоны, которые работают по этому принципу, называют «сотовыми». К мобильным телефонам, помимо сотовых, относят радио-, спутниковые телефоны и некоторые аппараты магистральной связи.
Узнайте больше про Безлимит
Безлимит — это премиальный оператор сотовой связи, работает с 2012 года. На сегодня, располагая базой более чем в 1 000 000 красивых номеров, является лидером на рынке в России.
Как устроена сотовая связь
Пятница, братья и сестры, а по пятницам у нас подкаст с конспектом. Подкаст «Запуск завтра» выходит при поддержке Практикума, а мы тоже выходим при поддержке Практикума, поэтому синергия. Сегодня говорим об устройстве сотовой связи. Слушайте подкаст, если есть время, а если нет — читайте основные мысли ниже.
О герое
Герой выпуска — Александр Чемерис, сотрудник компании YADRO. Руководил стартапом Fairwaves, где делал оборудование для сотовых операторов, обеспечивал связью африканские деревни и штат Оахака в Мексике.
Как Александр попал в мир сотовой связи
Я начал заниматься сотовой связью через софт. Писал диплом по коммуникациям Voice over IP (VoIP). Это возможность говорить голосом через интернет, например как в Skype или Telegram. Потом появился опенсорсный проект Open BTS, который, с помощью VoIP и железа под названием Software-Defined Radio позволял сделать сотовую станцию. Мы с приятелем подумали: «Это же прикольно!». Купили такую карточку и попробовали это дело запустить. Так я из софта перешёл в сотовую связь.
Оказалось, что сотовая связь — это отдельный мир, который можно изучать годами. Ты в него погружаешься, а потом раз — и десять лет прошло.
Как устроена сотовая связь
Она работает на радиоволнах. Вот как мы голосом говорим — и голос распространяется по воздуху на расстоянии. У радиоволн похожий принцип, но распространяются они гораздо дальше, воздух им не мешает. Ушами мы радиоволны слышать не можем, но в телефонах есть специальные антенны, которые умеют воспринимать эти колебания.
Почему по сотовому мы можем говорить одновременно
ТВ-вещание либо радиовещание — это симплексная связь, то есть односторонняя. Один источник сигнала облучает какую-то местность, и все приёмники в этой местности «слышат» этот сигнал.
Сотовая связь — это дуплексная связь, двусторонняя. В сотовой связи есть «канал вверх» и «канал вниз», они так и называются — uplink и downlink. Вниз — это канал к абоненту, потому что вышка обычно выше него, а вверх, соответственно, от абонента туда, наверх, в сторону вышки.
Два самых популярных способа разделения — это frequency division duplex и time division duplex, FDD и TDD соответственно. Классическая сотовая связь построена на FDD, когда у тебя на одной частоте телефон принимает, а на другой передаёт. То есть у тебя словно два радио на разных частотах: по одному ты передаёшь сигнал, по другому — передаёт вышка.
TDD — это то, что мы сейчас делаем. Пока я говорю, ты молчишь, когда ты говоришь, я молчу. Когда все начинают говорить одновременно, происходит интерференция — становится плохо слышно, у тебя начинает квакать телефон.
Стандартный TDD в сотовой связи построен на фреймах, где длина одного фрейма в 4G — 10 миллисекунд, в 5G — до одной миллисекунды. Дальше 10 миллисекунд разбиваются на uplink и downlink, ты 5 миллисекунд говоришь и 5 миллисекунд слушаешь. Это настолько мало, что тебе кажется: ты в любой момент можешь начать говорить, не надо ждать собеседника.
Какие железки отвечают за передачу сигнала
Исключая абонентские устройства, сеть состоит из трёх компонентов: софт у оператора, базовые станции на вышках и связь между ними — транспортная сеть, или бэкхолл.
Вышка обычно подключена к мощному источнику электроэнергии. У неё большие антенны, которые усиливают сигнал. Ты физически не можешь носить телефон, у которого антенна два метра, поэтому антенна на вышке всегда большая. Если сравнить мощность излучения, то у телефона она намного меньше, чем у вышки. Это отчасти связано с какими-то медицинскими нормами, но на самом деле просто экономически невыгодно делать телефон, который будет передавать мощный сигнал: у него будет быстро садиться батарейка.
Роль вышки — передать и принять сигнал с телефона. Причём сделать это качественно и так, чтобы телефон садился не за два часа, а за пару дней хотя бы. Вышка — это физическое устройство, которое ты видишь на улице, а есть базовая станция — это то, что находится на вышке. Если поставить одну такую базовую станцию в центре деревни, то у всех людей нормально будут работать телефоны, которые находятся в зоне доступа. А если навтыкать вышки рядом друг с другом, то начнутся проблемы со связью.
Почему сеть называется «сотовая»
Потому что у тебя вышки натыканы как медовые соты, а вокруг базовой станции зона приёма словно шестиугольник.
Есть целая наука и отдельные люди, которые занимаются радиопланированием. Они делают, так чтобы базовые станции друг другу не мешали и всё это хорошо работало. Говоря математически, если у тебя сотовые вышки передают с одинаковой мощностью, то оптимальное распределение этих вышек будет такое, что каждая стоит в центре шестиугольника. Если ты построишь изолинии равной мощности, то там, где мощность одной вышки падает настолько, что мощность второй вышки начинает вырастать, ты увидишь, что изолинии образуют шестиугольник. Это действительно так физически устроено и выглядит как соты.
Сейчас всё сложнее. Появились макростанции, пикостанции, маленькие станции, зонтичные станции, фемтостанции, которые можно дома поставить.
«Прогресс дошёл до того, что базовые станции учатся договариваться между собой, кто когда передаёт. Условно говоря, маленькая базовая станция, фемтосота, у тебя в квартире в какой-то момент может сказать большой сотовой станции, которая стоит за окном: „Слушай, я буду передавать вот в такое время, вот на такой частоте, ты помолчи. В мою сторону не свети, я тут сейчас дело сделаю, а потом продолжишь“».
Кому принадлежат вышки
Не хочу углубляться в эту тему, это целая отдельная индустрия башенных компаний. Они продают то, что по-английски называется vertical real estate. По-русски это будет «вертикальная жилплощадь». Есть целое понятие — BTS Hotel, то есть отель базовых станций. Ставишь такую вышку, а дальше сдаёшь в ней номера.
В России по закону базовая станция должна принадлежать мобильному оператору, иначе её не разрешат вывести в эфир. Но бывает и по-другому. Например, Tinkoff Mobile — это виртуальный мобильный оператор. У него есть бренд, но нет своих базовых станций, то есть он с кем-то договорился. А настоящий мобильный оператор — это компания, которая владеет лицензией на частоты. Диапазон частот делится на маленькие кусочки и продаётся по частям за бешеные деньги разным операторам связи.
«В связи с появлением 5G в Америке был крупный аукцион, где платили десятки миллиардов долларов за право работать на определённых частотах. В России аукцион частот — такой же способ заработать денег для государства. Можно собирать налоги, а можно продавать частоты».
Кто помимо государства в России владеет частотами
Из федеральных операторов, которые присутствуют в подавляющем большинстве регионов России, «большая четвёрка»: «МегаФон», «МТС», «Билайн» — он же VEON, и «Ростелеком» — он же «Теле2». Осталось несколько мелких региональных операторов, остальных выкупили крупные московские и питерские компании.
В чём отличие 1G от 5G
G — это Generation, «поколение». Новое поколение сотовой связи появляется примерно раз в десять лет. Нужно всё стандартизировать, изготовить оборудование, развернуть его и получить частоты. Это длительная процедура.
Сеть 1G появилась в 1979 году. Главная инновация была в том самом подходе, когда вышки ставятся по сотовому принципу. Сеть второго поколения 2G — это переход к цифровым коммуникациям, что позволило повысить ёмкость и безопасность. Повысилось количество абонентов и стало невозможно при помощи аудиоприёмника подслушать, о чём люди говорят по телефону.
Сеть третьего поколения научилась нормально передавать интернет. Без 3G не было бы iPhone с его приложениями. 4G изначально задумывалась для интернета, а не для голоса. До сих пор во многих сетях 4G ты не можешь поговорить голосом. С этим помогает LTE — конкретная реализация голосовой связи, которая стала доминирующей.
В 2019 году начали появляться самые первые 5G — это попытка улучшить 4G, подстроить под промышленные юзкейсы.
Первый юзкейс Massive IoT — условно, 10 тысяч устройств на квадратный километр. Используется на заводе, который обвешан датчиками. Второй юзкейс — Ultra Reliable Low Latency Communications. Это управление робототехникой, телемедицина, удалённое управление поездами, гейминг. Третье — это то, что называется Mobile Broadband, более быстрая передача данных.
Как родилась идея для стартапа
Люди на какой-нибудь шахте либо на нефтяной вышке тоже хотят говорить друг с другом по сотовому или, что ещё сложнее, звонить домой. Им нужно дать для этого инструмент. Одна базовая станция на какой-нибудь нефтяной вышке для монстра типа Nokia или Ericsson вообще не важна. Но для небольшой компании, если посчитать, это интересный бизнес-кейс.
Мы работали с легитимными сотовыми операторами. У них есть частоты, но есть проблема с тем, что на оборудовании крупных вендоров им невыгодно идти в деревню. Чтобы сделать связь в таких удалённых регионах, я продавал решение — оборудование и софт. Физически это выглядит как ребристая коробочка около 10 кг размером с небольшой рюкзак. Я её как раз в рюкзаке с собой и таскал на презентации.
Внутри такой базовой станции компьютер и радиокомпоненты. Стоит разъём под большую внешнюю антенну, которую покупаешь отдельно. Антенны бывают разные. Ты выбираешь нужную под ландшафт и местность и затем прикручиваешь к вышке. Дальше прикручиваешь базовую станцию и соединяешь толстым радиокабелем с антенной.
В стандартной африканской деревне вышки с разумными антеннами покрывают радиус 5–7 километров. Это размер небольшого города или деревни. К такой базовой станции можно подключить дешёвую Nokia или даже iPhone.
Почему стартап закрылся
Мы не выдержали гонку с более обеспеченными стартапами. Сначала были богатые TIER 1 и несколько небольших компаний по всему миру. Мы все друг друга знали. С одной стороны, мы всегда соревновались, с другой — были против тех мужиков в костюмах от монополистов.
Потом сработала трамповская война против Китая, которая привела к тому, что начал разваливаться единый телекоммуникационный мир. Индустрия поделилась на национальные анклавы. В Европе остались Ericsson и Nokia. В Штатах появились хорошо профинансированные стартапы. Параллельно такие же процессы начали происходить в Индии. Начали появляться национальные разработчики в Японии и во Вьетнаме.
Мой стартап назывался Fairwaves — «Справедливые волны». Я проработал там практически десять лет. Сейчас мы занимаемся тем же самым, чем занимались раньше, — создаём оборудование для операторов сотовой связи, только теперь не для США, а для России.
В полной версии подкаста
14:00 Как победить интерференцию
18:00 Почему мегагерцы стоят денег
27:00 Как наследственность в сотовой связи сделала её уязвимой
33:10 Что означают все эти G
38:00 Почему, когда говоришь по 4G, интернет виснет
43:42 Как развернуть свою локальную сеть
51:20 Вышка из бамбуковой палки и государственная монополия на связь. Что Саша делал в Мексике
Почему связь – «сотовая»?
.
И напоследок, разберемся с понятием «сота». Существует заблуждение, что сота – это зона покрытия одной базовой станции и базовая станция находится в центре соты. Это не так. Антенны базовой станции – направленные. Т.е. чтобы обеспечить вещание базовой станции вокруг, на 360 градусов, нужно эти 360 градусов разбить на сектора и в каждом секторе будет своя группа антенн. Секторов, обычно, делают три (по 120 градусов каждый). И вот сектор, по сути, является сотой. Разумеется, эксперты за такое определение закидают меня тухлыми помидорами, но для упрощенной модели оно годится. Тут главное, чтобы в соседних сотах частоты не совпадали, иначе на границе таких сот связи не будет.
Небольшой занудный апдейт, касательно человеческих заблуждений и причины их появлений.
Одна БС — одна сота.
На заре сотовой связи, использовались антенны с круговой диаграммой. Поэтому во всех первых книгах по стандарту GSM видим базовую станцию расположенную по центру соты. И это правильно . было для того времени. Потом появились направленные антенны и область покрытия базовой станции была разделена на сектора. Одна БС стала "содержать" несколько сот. Но теоретики, традиционно, за практиками не успевают и продолжают ссылаться на мастодонтов 90-х, с их учебниками, схемами и определениями. Беда в том, что и современные авторы часто не задумываются, а просто копирут то, чему их учили 15 лет назад.
.
Поясню разницу на схемах. Устаревая, прошедшая через все древние учебники схема выглядит примерно так:
Здесь сота и зона обслуживания одной базовой станции равны. Т.е. сота — это территория, обслуживаемая одной БС при всенаправленных антеннах. БС в данном случае располагается в центре соты.
Но антенны сотовой связи с круговой диаграммой сейчас не увидишь и зона обслуживания одной базовой станции сейчас делится на сектора. Современная схема будет выглядеть так:
Есть, конечно, мнения (в учебнике у того же Берлина), что сота на БС осталась одной единственной, но стала "секторизированной", но это "от лукавого". Сейчас поясню почему.
.
У соты есть характерные отличительные признаки. Один из основных — это уникальный идентификатор Cell ID или CI. С тем, что Cell ID (CI) — это уникальный индификатор соты, не будет спорить никто. Когда использовались "круговые" антенны, на одной БС использовался один CI. Сейчас же в каждом секторе используется свой CI. Еще раз: в одной БС несколько cell ID (CI), т.е. несколько сот. С идентификацией секторов здесь не перепутаешь. У сот идентификация через CI и она сквозная на всей сети. У секторов же, идентификация только в пределах одной БС и она задается оператором. У нас — в буквах. В документации к БС обозначение сот и секторов дается отдельно.
.
Еще признак. У каждой соты есть свой вещательный канал — BCCH ( Broadcast Control Chanel ). В нем содержится много полезной информации, в т.ч. CI конкретной соты. Раньше, до применения секторизаци, у БС вещал один BCCH. Сейчас в каждой соте BCCH свой. Одна БС — несколько BCCH.
.
Оба признака распространяются на 2/3/4 G стандарта. Каждая сота, будь то 2G, 3G или 4G имеет свой Cell ID и свой BCCH.