Как работает мобильная связь: соты, стандарты и возможности 5G. Как работает сотовая связь физика

Как работает сотовая связь физика - Как работает связь Интересные факты Выбор сети на смартфоне. Как разные сети отображаются на экране Как именно работает сотовая связь? ЕЩЕ ПО ТЕМЕ:

Если информация не поддается проверке, она может быть поставлена под сомнение и удалена. Эта статья может быть отредактирована путем добавления ссылок на авторитетные источники. Эта отметка была установлена 12 мая 2011 года.

Сотовая связь

Сотовая связь, сотовые сети — это вид мобильной радиосвязи на основе сотовых сетей. Ключевой особенностью является то, что общая зона покрытия делится на ячейки, которые определяются зоной покрытия отдельных базовых станций (БС). Клетки частично перекрываются и вместе образуют сеть. На идеальной (плоской, незастроенной) поверхности зона покрытия одной БС является круговой, поэтому сеть, состоящая из БС, имеет форму соты с шестиугольными ячейками (сотами).

Сеть состоит из пространственно разнесенных приемопередатчиков, работающих в одном частотном диапазоне, и коммутационного оборудования, которое может определять текущее положение мобильного абонента и обеспечивать непрерывность связи, даже если абонент перемещается из зоны действия приемопередатчика в другую зону.

Содержание

Департамент полиции Детройта использовал одностороннюю радиосвязь на частоте 2 МГц для передачи информации от центрального передатчика к приемнику, установленному в автомобиле; в 1933 году Департамент полиции Нью-Йорка начал двустороннюю связь по сотовой радиосвязи, также в диапазоне 2 МГц; в 1934 году FCC выделила четыре канала в диапазоне 30-40 МГц для телефонной связи. радиоприемники, а к 1940 году около 10 000 полицейских машин использовали телефонные радиоприемники. Обе системы использовали амплитудную модуляцию. Частотная модуляция начала использоваться в 1940 году и полностью вытеснила амплитудную модуляцию в 1946 году; первые общественные мобильные радиотелефоны появились в 1946 году (Bell Telephone Laboratories, Сент-Луис, США), используя полосу пропускания 150 МГц; 11-канальная система в полосе 150 МГц в 1955 году и Начала работать 12-канальная система в диапазоне 450 МГц. Обе системы были симплексными, с ручным переключением. Автоматические дуплексные системы начали работать в 1964 (150 МГц) и 1969 (450 МГц) годах соответственно.

В СССР в 1957 году московский инженер Л.И. Куприянович построил опытный образец портативного автоматического дуплексного мобильного радиотелефона ЛК-1 и его базовую станцию. Мобильный радиотелефон весил около 3 кг и имел дальность действия 20-30 км; в 1958 году Куприянович построил усовершенствованное устройство весом 0,5 кг и размером с сигаретную пачку; в 1960-х годах Христо Бошваров продемонстрировал прототип карманного мобильного радиотелефона в Болгарии. На выставке «Интероргтехника 66» Болгария представила комплект карманных мобильных телефонов RAT-0.5 и ATRT-0.5, способных подключить 10 абонентов, и базовую станцию RATC-10 для местной мобильной связи.

В конце 1950-х годов в СССР началась разработка радиотелефонной системы «Алтай», которая была введена в опытную эксплуатацию в 1963 году. Первоначально система «Алтай» работала на частоте 150 МГц, а к 1970 году система «Алтай» действовала в 30 городах СССР, и ей была выделена полоса частот 330 МГц.

Статья по теме:  Лучшие ноутбуки 2022. Ноутбуки какие лучше покупать по характеристикам

Аналогичным образом ситуация изменилась и в других странах, с естественными различиями и в меньших масштабах. В Норвегии, например, общественное телефонное радио используется в качестве морской мобильной службы с 1931 года, а в 1955 году в стране насчитывалось 27 береговых радиостанций. Наземная мобильная связь начала развиваться после Второй мировой войны в виде частных сетей громкой связи. Таким образом, к 1970 году мобильная радиосвязь была достаточно широко распространена, но было очевидно, что она не успевает за быстро растущим спросом, поскольку имеет узкие полосы частот и ограниченное количество каналов. Решение было найдено в сотовой системе, которая позволяет радикально увеличить пропускную способность за счет повторного использования частот в сотовой системе.

Сотовые системы

Отдельные элементы клеточной системы существуют уже некоторое время. В частности, подобная сотовая система использовалась диспетчерской службой такси в Детройте, США, в 1949 году, где различные сотовые частоты использовались повторно, когда пользователь вручную переключал каналы в заранее определенных местах. Однако архитектура сотовой системы, какой мы ее знаем сегодня, была впервые описана в техническом отчете, представленном компанией Bell Systems Федеральной комиссии по связи США в декабре 1971 года. Примерно в это время началось серьезное развитие сотовой связи.

Коммутаторы отвечают за оптимальное распределение нагрузки в сети. База данных, показывающая местоположение абонентских трубок, позволяет быстро соединить их с соответствующим абонентом. Вся цепочка сотовой связи занимает всего несколько секунд.

Как появилась сотовая связь

Идея сотовой связи была впервые предложена в 1947 году инженерами Bell Labs Дугласом Рингом и Рэем Янгом. Однако только в 1970-х годах, когда сотрудники компании разработали практическую архитектуру аппаратной платформы для сотовой связи, перспектива полноценной коммерциализации стала реальностью.

Там американские инженеры предложили разместить передающие станции не в центре, а по углам «ячеек», и через некоторое время была разработана технология, обеспечивающая бесперебойную связь даже при перемещении абонентов между этими «ячейками». Затем последовала разработка практического оборудования для этой технологии.

3 апреля 1973 года инженер компании Motorola Мартин Купер продемонстрировал первый практический прототип мобильного телефона. Он позвонил с улицы руководителю отдела исследований конкурирующей компании и рассказал ему о своем успехе.

Руководство Motorola немедленно инвестировало 100 миллионов долларов США в этот многообещающий проект, но потребовалось 10 лет, чтобы технология стала коммерчески жизнеспособной. Эта задержка была вызвана необходимостью сначала построить глобальную инфраструктуру базовых станций мобильной связи.

AT&T получила от федерального правительства лицензии на необходимые частоты и построила первую сотовую сеть, охватившую крупные города США. Первым мобильным телефоном был знаменитый Motorola Dynatac 8000.

Первый мобильный телефон был запущен 6 марта 1983 года. Он весит около 800 г и может работать в течение 30 минут в режиме разговора на одной зарядке. В то же время цена составляла 3 995 долларов США, что на тот момент было непревзойденной ценой. Несмотря на это, он мгновенно стал хитом.

Статья по теме:  Безработица в России в 2022 году — сколько людей потеряют работу из-за санкций. Сколько человек потеряли работу из за санкций

Почему связь называется сотовой

Принцип работы мобильной связи прост: территория, к которой подключены абоненты, делится на отдельные ячейки, называемые «сотами», каждая из которых обслуживается базовой станцией. В каждой ячейке абоненты получают одинаковые услуги, поэтому сами они не ощущают этого виртуального пересечения границ.

Базовые станции обычно имеют форму пары стальных шкафов с оборудованием и антеннами, установленными на специальных вышках, но в городских районах их часто устанавливают на крышах высотных зданий. Каждая станция улавливает сигналы мобильных телефонов в среднем на расстоянии до 35 км.

Для улучшения качества услуг операторы также устанавливают фемтосоты (небольшие маломощные станции мобильной связи), предназначенные для предоставления услуг в небольших районах. Сотовые телекоммуникации в России интегрированы с космосом.

Мобильные телефоны в сети прослушивают радиосигналы и определяют местонахождение сигнала базовой станции. Современные SIM-карты содержат процессор и оперативную память, а также уникальный ключ, который позволяет пользователям входить в сеть мобильного телефона. Мобильный телефон может связываться со станцией, используя различные протоколы, такие как цифровой DAMPS, CDMA, GSM и UMTS.

Сети мобильной связи разных операторов соединяются друг с другом так же, как и сети фиксированной телефонной связи. Когда телефон покидает зону покрытия базовой станции, устройство устанавливает соединение с другими. Установленное абонентом соединение незаметно передается на другие «соты», обеспечивая непрерывную связь даже при движении.

В России для вещания сертифицированы три частотных диапазона — 800 МГц, 1800 МГц и 2600 МГц: диапазон 1800 МГц считается самым популярным в мире, сочетая в себе высокую пропускную способность, большую дальность и высокую проникающую способность. В настоящее время здесь работает большинство мобильных сетей.

Мобильные сети разных операторов связаны между собой так же, как и фиксированные телефонные сети. Это позволяет абонентам одного оператора звонить абонентам другого оператора с мобильного телефона на стационарный и со стационарного на мобильный.

Сотовые сети 3G

Первые коммерческие сети этого стандарта были запущены между 2001 и 2003 годами. Сначала была создана сеть в Японии, затем в Норвегии. Первая сеть 3G была запущена в США в 2002 году, а в России сеть третьего поколения начала работать в тестовом режиме в 2002 году. Полный запуск в соответствующих регионах начался в 2008 году.

Российские сети 3G основаны на стандарте UMTS (или W-CDMA). Первоначально скорость достигала 384 кбит/с. Позже, с появлением 3,5G, то есть HSPA и HSPA+, скорости быстро увеличились, в идеале до 14,4 Мбит/с и 42 Мбит/с соответственно.

Важной особенностью 3G является то, что когда пользователь удаляется от одной базовой станции, его «подхватывает» другая и принимает на себя часть потока данных. В то же время «старая» базовая станция постепенно уменьшает поток данных, пока абонент полностью не покинет зону ее действия. Таким образом, когда сеть хорошая, вероятность прерывания соединения меньше по сравнению с GSM, где трудно переключать пользователей между базовыми станциями.

Статья по теме:  Лучшие фитнес-браслеты 2021 года: выбор ZOOM. Какой браслет здоровья лучше приобрести

Сотовые сети 4G

Следующим шагом в повышении скорости передачи данных станет внедрение сетей мобильной связи четвертого поколения. Сейчас это самые современные сети для мобильной связи и высокоскоростного мобильного доступа в Интернет. В России сети 4G работают на частотах 1800 МГц, 2600 МГц и в меньшей степени на 800 МГц.

Стандарты связи для сетей четвертого поколения теоретически допускают максимальную скорость нисходящего потока 1 Гбит/с для фиксированных абонентов. На практике фактические скорости гораздо ниже, так как они в значительной степени зависят от качества сигнала и нагрузки на базовую станцию. В лучшем случае возможно подключение со скоростью 100 Мбит/с, и это почти все, что может предложить Москва. Например, по данным «Билайн», сеть 4G обеспечивает скорость до 73 Мбит/с, а сеть 4G+ — до 110 Мбит/с. Фактические скорости гораздо ниже.

Уникальной особенностью 4G является то, что сети LTE были впервые запущены для передачи данных; LTE — это стандарт высокоскоростной беспроводной передачи данных с увеличенной пропускной способностью на основе существующих стандартов EDGE и HSPA. В то время как голосовые вызовы GSM и UMTS основаны на коммутации каналов, LTE является поддерживает только пакетную коммутацию данных, сети LTE могут передавать только данные, но не голосовые вызовы.

Поэтому изначально сети на базе LTE использовались только для передачи данных, а голосовые вызовы осуществлялись путем переключения смартфонов на сети 3G или даже 2G. Позже были внедрены сети передачи голоса по LTE (VoLTE). Впоследствии могут быть развернуты полноценные сети 4G. На момент написания статьи это самый актуальный и быстрый стандарт, и мобильные операторы постепенно расширяют зоны покрытия 4G.

Первый мобильный телефон был запущен 6 марта 1983 года. Он весит около 800 г и может работать в течение 30 минут в режиме разговора на одной зарядке. В то же время цена составляла 3 995 долларов США, что на тот момент было непревзойденной ценой. Несмотря на это, он мгновенно стал хитом.

Основные компоненты сотовой сети

Основные компоненты сотовой сети - Фото.

Для эффективного функционирования сети мобильной телефонной связи необходимы четыре основных структурных элемента

  • Фиксированная телефонная сеть — необходима для соединений и передачи данных между абонентами
  • Сотовый коммутатор — для подключения абонентов сотовой связи.
  • Сотовый сайт с антенной системой — для управления работой сотовой системы.
  • Мобильные абонентские пункты — программное обеспечение, обеспечивающее стабильную работу операторов с использованием защищенных каналов.

Для приема и передачи сигналов мобильных сетей используется специальное оборудование — сотовые телефоны. Они предназначены для работы в различных частотных диапазонах.

Оцените статью