Как работает мобильная связь: соты, стандарты и возможности

Системы мобильной связи полностью изменили жизнь людей: мы отказались от проводов и получили возможность поддерживать контакт практически из любой точки мира. То, что когда-то показывали в фантастических фильмах, стало реальностью. Давайте разбираться, как устроена мобильная связь и какие возможности обеспечивает.

Мужчина разговаривает по мобильному телефону

По данным ООН на январь 2021 года, численность населения мира составляет 7,83 млрд человек, а количество активных смартфонов превышает 8 млрд.

Краткий исторический экскурс

Впервые попытку использовать беспроводную телефонную связь предприняли американцы. Это произошло в Детройте в 1921 году: для передачи данных полицейским машинам стали применять одностороннюю телефонную радиосвязь в диапазоне 2 МГц.

Позже – в 1947 году – инженеры из Bell Telephone Laboratories Дуглас Ринг и Рэй Янг разработали основы физики сотовой связи. Но активное распространение технология получила только в начале 70-х, хотя первые беспроводные телефоны появились намного раньше.

В 1957 году российский инженер Л. И. Куприянович, а через несколько лет болгарский изобретатель Христо Бочваров представили свои прототипы мобильных аппаратов. Они были громоздкими и неудобными, но тем не менее работали без проводов: через базовые станции. Однако оставалось непонятно, как сделать технологию массовой.

 Мобильный аппарат Куприяновича

Первый мобильный аппарат Куприяновича получил название ЛК-1, он весил около 3 кг и радиус его действия составлял до 30 м, позже инженер уменьшил вес устройства до 0,5 кг.

Американские инженеры доработали технологию и вышли с предложением: сместить передающие станции из центра в углы специальных ячеек – сот. Позже был разработан способ перемещения абонентов между сотами без потери сигнала. Компания Motorola стала активно продвигать технологию, вложив в нее огромные средства.

Принцип работы сотовой связи, которую мы сейчас называем мобильной, основан на использовании сети базовых станций. Необходимость создания такой инфраструктуры притормозила внедрение технологии в массы. Процесс занял 10 лет. В начале 80-х мир узнал первые мобильные телефоны Motorola – стоили они дорого, были не столь компактны, как современные, но отличались вполне приемлемой функциональностью.

Сотовая связь: как работает и почему так называется

Принцип сотовой связи состоит в использовании мобильных телефонов в связке с базовыми станциями: они работают как ретрансляторы – принимают телефонные сигналы и передают их другим станциям.

Соты мобильной связи – это территории, которые обслуживают отдельные станции. Общаясь по мобильному телефону, абонент может перемещаться между сотами, абсолютно не замечая этого, так как каждая базовая станция имеет идентичный функционал.

Карта покрытия сотовой сети

Зоны действия базовых станций пересекаются, чтобы обеспечить непрерывность нахождения пользователя в сети, поэтому карта покрытия напоминает пчелиные соты.

Традиционно базовая станция представляет собой пару металлических шкафов с оборудованием и антеннами наверху. Наверняка вы замечали такие станции на возвышенностях в городе и за его пределами. Нередко их можно встретить на крышах высоток. Радиус охвата базовой станции – около 35 км.

Для улучшения качества связи кроме крупных базовых станций операторы используют дополнительные:

  • фемтосоты – миниатюрные станции, называемые точками доступа, они напоминают домашние Wi-Fi-роутеры и устанавливаются локально;
  • пикосоты – имеют размер ноутбука и используются в местах большой концентрации пользователей: в гипермаркетах, выставочных центрах, метро и т. п.;
  • микросоты – компактные станции весом до 50 кг, обеспечивают связь в радиусе до 5 км и используются в небольших населенных пунктах и локально в крупных городах.
  • Мобильные телефоны мониторят эфир и «схватывают» сигналы базовых станций, где бы мы ни находились. Сим-карта, которая вставляется в телефон, оснащена специальным ключом для авторизации в сотовой сети. Связь осуществляется по разным протоколам: GSM, UMTS, DAMPS и др.

    Принцип работы базовой станции сотовой связи несложен, процесс включает шесть простых шагов:

    1. Вы звоните, телефон передает сигнал на базовую станцию.
    2. Антенна базовой станции принимает сигнал.
    3. Далее сигнал идет к контроллеру для обработки.
    4. После обработки сигнал передается на коммутатор.
    5. Коммутатор определяет, в какой зоне обслуживания находится вызываемый абонент, и отправляет сигнал на контроллер соответствующей базовой станции.
    6. Базовая станция принимает сигнал и направляет его на телефон абонента.
     Как работает базовая мобильная связь: схема

    Принцип работы базовой станции сотовой связи

    В РФ для мобильной связи задействованы три диапазона 800, 1800 и 2600 МГц. Наиболее емкий – 1800 МГц, поэтому его использует большинство мобильных сетей.

    Стандарты мобильной связи

    Стандарты мобильной связи развивались от 1G до 5G: менялись технологии и возможности, увеличивалось количество функций, доступных пользователям, и скорость передачи данных.

    Для наглядности сравним поколения в таблице:

    Поколение Год запуска Основные стандарты Особенности Скорость передачи данных Диапазон
    1G 1984 NTT, AMPS, TACS, NMT Аналоговый стандарт, только голосовые звонки, низкая емкость, нет шифрования 1,9 Кбит/с
    2G 1991 TDMA, CDMA, GSM, PDC Цифровой стандарт, звонки и СМС, высокая емкость, шифрование, роуминг 9,6…14,4 Кбит/с 900, 1800 мГц
    3G 2000 UMTS, WCDMA, CDMA2000 Пакетная передача данных, видеоконференции, кино и другой контент на мобильных устройствах, качественная защита от обрывов связи 144…2048 Кбит/с 900, 1800, 2100 мГц
    4G 2012 LTE-A, WiMAX 2 Высокая скорость передачи данных, низкие задержки, высокое качество связи даже при движении на большой скорости 100 Мбит/с…1 Гбит/с 800, 1800, 2600 мГц
    5G 2018 NR Высокая пропускная способность, прямое соединение между абонентами (device-to-device), меньший расход заряда батарей, IoT 1…6,5 Гбит/с низкочастотный – 600…850 МГц;
    среднечастотный – 2,5…3,7 ГГц;
    высокочастотный – 25…39 ГГц

    На заметку. Переход между стандартами мобильной связи происходит не мгновенно, после 2G был промежуточный стандарт, который принято называть 2,5G, а после 3G – LTE, именуемый также 3,5G.

    Возможности мобильной связи

    В крупных городах сети 4G сильно перегружены, поэтому в периоды пиковой нагрузки бывают проблемы со связью. Растущее число абонентов и умных устройств, подключаемых к интернету, требует более быстрой и мощной связи. Сотовая телефония 5G нуждается в меньшем количестве ресурсов, обеспечивает более высокую скорость обмена данными, может поддерживать больше гаджетов и при этом стоит дешевле.

    Основные задачи нового стандарта 5G – увеличить емкость сетей и спектр применяемых частот. Стабильный широкополосный доступ позволит массово использовать интернет вещей (IoT) и в бытовой, и в промышленной областях.

    Принцип работы мобильной связи нового поколения обеспечит:

    • улучшение качества мобильного интернета;
    • массовое внедрение IoT, в том числе в удаленных и труднодоступных областях;
    • развитие концепции умных городов и Индустрии 4.0.

    За счет высокой скорости потоковой передачи данных в сетях 5G пользователи смогут практически неограниченно использовать стриминговые платформы, получат доступ к сложным игровым сервисам, технологиям дополненной и виртуальной реальности из любого места. 5G откроет новые возможности применения IoT в промышленности, здравоохранении, банковском секторе, госбезопасности, спорте и других сферах человеческой жизни.

    Теперь вы знаете, как устроена мобильная связь и какие возможности дает развитие этой технологии. Тестирование 5G продолжается, в России массовый переход на этот стандарт планируется к 2027–2028 году.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *