Базовые станции сотовой связи и их антенная часть
И вновь немного общеобразовательного материала. На этот раз речь пойдет о базовых станциях. Рассмотрим различные технические моменты по их размещению, конструкции и дальности действия, а также заглянем внутрь самого антенного блока.
Базовые станции. Общие сведения
Так выглядят антенны сотовой связи, установленные на крышах зданий. Эти антенны являются элементом базовой станции (БС), а конкретно – устройством для приема и передачи радиосигнала от одного абонента к другому, и далее через усилитель к контроллеру базовой станции и другим устройствам. Являясь наиболее заметной частью БС, они устанавливаются на антенных мачтах, крышах жилых и производственных зданий и даже дымовых трубах. Сегодня можно встретить и более экзотические варианты их установки, в России их уже устанавливают на столбах освещения, а в Египте их даже «маскируют» под пальмы.
Подключение базовой станции к сети оператора связи может производиться по радиорелейной связи, поэтому рядом с «прямоугольными» антеннами блоками БС можно увидеть радиорелейную тарелку:
С переходом на более современные стандарты четвертого и пятого поколений, для удовлетворения их требований подключать станции нужно будет исключительно по волоконной оптике. В современных конструкциях БС оптоволокно становится неотъемлемой средой передачи информации даже между узлами и блоками самой БС. К примеру, на рисунке ниже показано устройство современной базовой станции, где оптоволоконный кабель используется для передачи данных от RRU (выносные управляемые модули) антенны до самой базовой станции (показано оранжевой линией).
Оборудование базовой станции располагается в нежилых помещениях здания, либо устанавливается в специализированные контейнеры (закрепленные на стенах или столбах), ведь современное оборудования выполняется довольно компактно и может запросто поместиться в системный блок серверного компьютера. Часто радиомодуль устанавливают рядом с антенным блоком, это позволяет уменьшить потери и рассеивание передаваемой в антенну мощности. Так выглядят три установленных радиомодуля оборудования базовой станции Flexi Multiradio, закрепленные прямо на мачте:
Зона обслуживания базовых станций
Для начала следует отметить, что бывают различные типы базовых станций: макро, микро, пико и фемтосоты. Начнем с малого. И, если кратко, то фемтосота не является базовой станцией. Это, скорее, Access Point (точка доступа). Данное оборудование изначально ориентируется на домашнего или офисного пользователя и владельцем такого оборудования является частное или юр. лицо, не относящееся к оператору. Главное отличие такого оборудования заключается в том, что оно имеет полностью автоматическую конфигурацию, начиная от оценки радиопараметров и заканчивая подключением к сети оператора. Фемтосота имеет габариты домашнего роутера:
Пикосота – это БС малой мощности, принадлежащая оператору и использующая в качестве транспортной сети IP/Ethernet. Обычно устанавливается в местах возможной локальной концентрации пользователей. Устройство по размерам сравнимо с небольшим ноутбуком:
Микросота – это приближенный вариант реализации базовой станции в компактном виде, очень распространено в сетях операторов. От «большой» базовой станции ее отличает урезанная емкость поддерживаемых абонентом и меньшая излучающая мощность. Масса, как правило, до 50 кг и радиус радиопокрытия — до 5 км. Такое решение используется там, где не нужны высокие емкости и мощности сети, или нет возможности установить большую станцию:
И наконец, макросота – стандартная базовая станция, на базе которой строятся мобильные сети. Она характеризуется мощностями порядка 50 W и радиусом покрытия до 100 км (в пределе). Масса стойки может достигать 300 кг.
Зона покрытия каждой БС зависит от высоты подвеса антенной секции, от рельефа местности и количества препятствий на пути до абонента. При установке базовой станции далеко не всегда на первый план выносится радиус покрытия. По мере роста абонентской базы может не хватить максимальной пропускной способности БС, в этом случае на экране телефона появляется сообщение «сеть занята». Тогда оператор со временем на этой территории может сознательно уменьшить радиус действия базовой станции и установить несколько дополнительных станций в местах наибольшей нагрузки.
Когда нужно увеличить емкость сети и снизить нагрузку на отдельные базовые станции, тогда и приходят на помощь микросоты. В условиях мегаполиса зона радиопокрытия одной микросоты может составлять всего 500 метров.
В условиях города, как ни странно, встречаются такие места, где оператору нужно локально подключить участок с большим количеством трафика (районы станций метро, крупные центральные улицы и др.). В этом случае применяются маломощные микросоты и пикосоты, антенные блоки которых можно располагать на низких зданиях и на столбах уличного освещения. Когда возникает вопрос организации качественного радиопокрытия внутри закрытых зданий (торговые и бизнес центры, гипермаркеты и др.) тогда на помощь приходят пикосотовые базовые станции.
За пределами городов на первый план выходит дальность работы отдельных базовых станций, так установка каждой базовой станции в удалении от города становится все более дорогостоящим предприятием в связи с необходимостью построения линий электропередач, дорог и вышек в сложных климатических и технологических условиях. Для увеличения зоны покрытия желательно устанавливать БС на более высоких мачтах, использовать направленные секторные излучатели, и более низкие частоты, менее подверженные затуханию.
Так, например, в диапазоне 1800 МГц дальность действия БС не превышает 6-7 километров, а в случае использования 900–мегагерцового диапазона зона покрытия может достигать 32 километров, при прочих равных условиях.
Антенны базовых станций. Заглянем внутрь
В сотовой связи чаще всего используют секторные панельные антенны, которые имеют диаграмму направленности шириной в 120, 90, 60 и 30 градусов. Соответственно для организации связи во всех направлениях (от 0 до 360) может потребоваться 3 (ширина ДН 120 градусов) либо 6 (ширина ДН 60 градусов) антенных блоков. Пример организации равномерного покрытия во всех направлениях показан на рисунке ниже:
А ниже вид типовых диаграмм направленности в логарифмическом масштабе.
Большинство антенн базовых станций широкополосные, позволяющие работать в одном, двух или трех диапазонах частот. Начиная с сетей UMTS, в отличие от GSM, антенны базовых станций умеют изменять площадь радиопокрытия в зависимости от нагрузки на сеть. Один из самых эффективных методов управления излучаемой мощностью – это управление углом наклона антенны, таким способом изменяется площадь облучения диаграммы направленности.
Антенны могут иметь фиксированный угол наклона, либо имеют возможность дистанционной регулировки с помощью специального программного обеспечения, располагаемого в блоке управления БС, и встроенных фазовращателей. Существуют также решения, позволяющие изменять зону обслуживания, от общей системы управления сети передачи данных. Таким образом, можно регулировать зону обслуживания всего сектора базовой станции.
В антеннах базовых станций применяется как механическое управление диаграммой, так и электрическое. Механическое управление проще реализуется, но часто приводит к искажению формы диаграммы направленности из-за влияния конструктивных частей. Большинство антенн БС имеет систему электрической регулировки угла наклона.
Современный антенный блок представляет собой группу излучающих элементов антенной решетки. Расстояние между элементами решетки выбирается таким образом, чтобы получить наименьший уровень боковых лепестков диаграммы направленности. Наиболее часто встречаются длины панельных антенн от 0,7 до 2,6 метров (для многодиапазонных антенных панелей). Коэффициент усиления варьируется от 12 до 20 dBi.
На рисунке ниже (слева) представлена конструкция одной из наиболее распространенных (но уже устаревающих) антенных панелей.
Здесь излучатели антенной панели представляют собой полуволновые симметричные электрические вибраторы над проводящим экраном, расположенные под углом 45 градусов. Такая конструкция позволяет формировать диаграмму с шириной главного лепестка 65 или 90 градусов. В такой конструкции выпускаются двух- и даже трехдиапазонные антенные блоки (правда, довольно крупногабаритные). Например, трехдиапазонная антенная панель такой конструкции (900, 1800, 2100 МГц) отличается от однодиапазонной, примерно в два раза большим размером и массой, что, конечно же, затрудняет ее обслуживание.
Альтернативная технология изготовления таких антенн предполагает выполнение полосковых антенных излучателей (металлические пластины квадратной формы), на рисунке выше справа.
А вот еще один вариант, когда в качестве излучателя используются полуволновые щелевые магнитные вибраторы. Линия питания, щели и экран выполняются на одной печатной плате с двухсторонним фольгированным стеклотекстолитом:
С учетом современных реалий развития беспроводных технологий, базовые станции должны поддерживать работу 2G, 3G и LTE сетей. И если блоки управления базовых станций сетей разных поколений удается вместить в один коммутационный шкаф без увеличения габаритного размера, то с антенной частью возникают значительные трудности.
Например, в многодиапазонных антенных панелях количество коаксиальных соединительных линий достигает 100 метров! Столь значительная длина кабеля и количество паяных соединений неизбежно приводит к потерям в линиях и снижению коэффициента усиления:
С целью снижения электрических потерь и уменьшения точек пайки часто делают микрополосковые линии, это позволяет выполнить диполи и систему запитки всей антенны по единой печатной технологии. Данная технологиях проста в производстве и обеспечивает высокую повторяемость характеристик антенны при ее серийном выпуске.
Многодиапазонные антенны
С развитием сетей связи третьего и четвертого поколений требуется модернизация антенной части как базовых станций, так и сотовых телефонов. Антенны должны работать в новых дополнительных диапазонах, превышающих 2.2 ГГц. Более того, работа в двух и даже трех диапазонах должна производиться одновременно. Вследствие этого антенная часть включает в себя довольно сложные электромеханические схемы, которые должны обеспечивать должное функционирование в сложных климатических условиях.
В качестве примера рассмотрим конструкцию излучателей двухдиапазонной антенны базовой станции сотовой связи Powerwave, работающей в диапазонах 824-960, МГц и 1710-2170, МГц. Ее внешний вид показан на рисунке ниже:
Этот двухдиапазонный облучатель состоит из двух металлических пластин. Та, что большего размера работает в нижнем диапазоне 900 МГц, над ней расположена пластина с щелевым излучателем меньшего размера. Обе антенны возбуждаются щелевыми излучателями и таким образом имеют единую линию запитки.
Если в качестве излучателей используются дипольные антенны, то необходимо ставить отдельный диполь для каждого диапазона волн. Отдельные диполи должны иметь свою линию запитки, что, конечно же, снижает общую надежность системы и увеличивает энергопотребление. Примером такой конструкции является антенна Kathrein для того же диапазона частот, что и рассмотренная выше:
Таким образом, диполи для нижнего диапазона частот находятся как бы внутри диполей верхнего диапазона.
Для реализации трех- (и более) диапазонного режимов работы наибольшей технологичностью обладают печатные многослойные антенны. В таких антеннах каждый новый слой работает в довольно узком диапазоне частот. Такая «многоэтажная» конструкция изготавливается из печатных антенн с индивидуальными излучателями, каждая антенна настраивается на отдельные частоты рабочего диапазона. Конструкция поясняется рисунком ниже:
Как и в любых других многоэлементных антеннах в такой конструкции происходит взаимодействие элементов, работающих в разных диапазонах частот. Само собой это взаимодействие оказывает влияние на направленность и согласование антенн, но данное взаимодействие может быть устранено методами, применяемыми в ФАР (фазированных антенных решетках). Например, одним из наиболее эффективных методов является изменение конструктивных параметров элементов путем смещения возбуждающего устройства, а также изменение размеров самого облучателя и толщины разделительного диэлектрического слоя.
Важным моментом является то, что все современные беспроводные технологии широкополосные, и ширина полосы рабочих частот составляет не менее 0,2 ГГц. Широкой рабочей полосой частот обладают антенны на основе взаимодополняющих структур, типичным примером которых являются антенны типа «bow-tie» (бабочка). Согласование такой антенны с линией передачи осуществляется подбором точки возбуждения и оптимизацией ее конфигурации. Чтобы расширить полосу рабочих частот по согласованию «бабочку» дополняют входным сопротивлением емкостного характера.
Моделирование и расчет подобных антенн производят в специализированных программных пакетах САПР. Современные программы позволяют моделировать антенну в полупрозрачном корпусе при наличии влияния различных конструктивных элементов антенной системы и позволяют тем самым произвести достаточно точный инженерный анализ.
Проектирование многодиапазонной антенны производят поэтапно. Сначала рассчитывают и проектируют микрополосковую печатную антенну с широкой полосой пропускания для каждого рабочего диапазона частот отдельно. Далее печатные антенны разных диапазонов совмещают (наложением друг на друга) и рассматривают их совместную работу, устраняя по возможности причины взаимного влияния.
Широкополосная антенна типа «бабочка» может быть удачно использована как основа для трехдиапазонной печатной антенны. На рисунке ниже изображены четыре различных варианта ее конфигурации.
Приведенные конструкции антенн отличаются формой реактивного элемента, который применяется для расширения рабочей полосы частот по согласованию. Каждый слой такой трехдиапазонной антенны представляет собой микрополосковый излучатель заданных геометрических размеров. Чем ниже частоты – тем больше относительный размер такого излучателя. Каждый слой печатной платы отделен от другого с помощью диэлектрика. Приведенная конструкция может работать в диапазоне GSM 1900 (1850-1990 МГц) – принимает нижний слой; WiMAX (2,5 – 2,69 ГГц) – принимает средний слой; WiMAX (3,3 – 3,5 ГГц) – принимает верхний слой. Подобная конструкция антенной системы позволит принимать и передавать радиосигнал без использования дополнительного активного оборудования, не увеличивая тем самым габаритных размеров блока антенны.
И в заключении немного о вреде БС
Порой, базовые станции операторов сотовой связи устанавливают прямо на крышах жилых домов, чем конкретно деморализуют некоторых их обитателей. У хозяев квартир перестают «рожать кошки», а на голове у бабушки начинают быстрее появляться седые волосы. А тем временем, от установленной базовой станции жители этого дома электромагнитного поля почти не получают, ибо «вниз» базовая станция не излучает. Да и, к слову сказать, нормы СаНПиНа для электромагнитного излучения в РФ на порядок ниже, чем в «развитых» странах запада, и поэтому в черте города базовые станции никогда на полную мощность не работают. Тем самым, вреда от БС нет, если только вы не устраиваетесь позагорать на крыше в паре метров от них. Зачастую, с десяток точек доступа, установленных в квартирах жителей, а также микроволновые печи и сотовые телефоны (прижатые к голове) оказывают на вас намного большее воздействие, нежели базовая станция, установленная в 100 метрах за пределами здания.
Базовые станции сотовой связи, как всё устроено
Коль уж получилось, что работаю в сфере связи решил поделиться как эта сфера устроена, но на этот раз разговор будет не об обнаглевших «Опсосах», а о технической стороне ваших разговоров, может для кого то и не будет ничего нового и интересного, но парочку мифов постараюсь опровергнуть =) поехали,
Что такое базовые станции или в простонародье антенны представляют себе многие, вы можете их видеть во многих местах, но парочку примеров приведу, самые популярные варианты размещения антенн это на 1) на столбе (если рядом нет достаточно высоких строений или размещение вообще происходит в поле), высота столба обычно не больше 20-30 метров
2) На зданиях, чаще всего так происходит размещение в городах, обычно выбирается самое высокое здание в округе, но бывают и исключения, если застройка в округе низко этажная то пойдет любое 2/3-х этажное здание:
и третий вариант размещения применяется когда нужно охватить как можно большую площадь это АМС (Антенно-мачтовые сооружения), высотой от 30 до 250-300 метров (недавно было пару постов о самой высокой АМС в России)
с таких вышек обычно открываются самые завораживающие виды:
Это конечно не самая высокая вышка, но и там как говориться можно одним местом перекусывать железные прутья (я не монтажник-высотник, этим ребятам ваще пофиг =)
подробнее о процессе строительства можно узнать например тут https://habrahabr.ru/company/megafon/blog/232801
На этом месте хотел бы передать отдельный привет людям думающим что их телефон ловит спутники, нет ребят, именно с помощью таких антенн происходит соединение вас с другим абонентом ну конечно если у вас не спутниковый телефон =)
Иногда станции маскируют под деревья или пальмы, что бы не нарушать пейзаж, это обычно распространено в южных регионах например в Краснодарском крае их более менее много.
Но в целом это значительно удорожает процесс строительства и ухудшает возможности базовой станции, поэтому к сожалению такую маскировку применяют редко
Все базовые станции связываются между собой с помощью системы оптоволоконных кабелей (в городе) и РРЛ антенн (если расстояние между станциями большое)
Такие антенны должны быть очень точно настроены друг на друга на разных БС, отклонение даже в градус может разорвать связь, потому что иногда РРЛ антенны «стреляют» на десятки и даже сотню километров и приходится ехать заново их настраивать
Ну а теперь развеем парочку мифов =)
1) БС очень вредны, постоянно излучают и жить рядом с ними опасно
На самом деле БС конечно оказывают воздействие электромагнитным излучением, но даже если БС находится прямо у вас на крыше излучение от нее будет лишь немногим более чем излучение от вашей микроволновки/роутера, и уж точно не будет превышать допустимые значения по СЭС, за этим очень строго следят и постоянно производят измерения. А уж если БС установлена на соседней крыше обращать на нее внимание в принципе бесполезно.
К слову людей с шапочками из фольги я видел в живую, они забавные и злые =) если будет интересно опубликую пост с «клиническими случаями» .
2) Вражда операторов сотовой связи
Она если и существует то на уровне салонов сотовой связи/продажников
У строителей же все проще, есть множество мест где несколько операторов стоят одновременно и более того на АМС принадлежащей одному ОСС часто и за чисто символическую плату размещаются другие операторы, а строители разных операторов хорошо общаются между собой напрямую.
3) Операторы почти ничего не тратят а зарабатывают триллиарды денег.
Опять мимо, конечно глупо спорить что операторы зарабатывают приличное количество, но затраты все же есть:
— лицензия на частоты, существенная статья расходов, есть интересный момент лицензия на частоты 2G стоят в разы дороже лицензий на 4G за счет чего государство стимулирует развитие сетей нового поколения и нас на демонтаж БС 2G =)
— арендная плата, естественно никто не будет бесплатно размещать у себя антенны, поэтому арендная плата варьируется от 1,5 рубля/ месяц за аренду 20-ти квадратов в поле в далеком районе, до 200 000/ месяц в центре Москвы.
На этом у меня все буду рад вопросам и комментариям =)
Хороший пост, но технической части маловато. Какой средний траффик в час пик бежит от БС до «серверной в ЦОДе» например в центре Москвы? Какая пропускная способность у одной БС, сколько одновременно абонентов она способна обслужить? БС однодиапазонные (например 4G) или сразу в нескольких диапазонах работают? В общем хочется поподробнее, а то Wi-Fi уже весь разобрали по косточкам, а вот сотовую связь еще не очень.
Сомнительный момент про «вред» от БС на своей крыше и на соседнем доме. Из-за диаграммы направленности БС с соседнего дома гораздо «вреднее» чем та что над тобой через несколько слоёв бетона.
Следует еще добавить в затраты операторов:
Затраты на обслуживающих персонал(инженеры, монтеры, операторы (на телефоне), программисты и тд).
Автоматизация систем (в т.ч. создание личного кабинета, сайта, автоответчиков умных и тд).
Выпуск СИМ карт.
И еще много много пунктов.
А так ставлю плюс)
Пили пост про людей в шапочках!:)
Ответ на пост «Перед тем как ехать заграницу»
Есть супер возможность совершать звонки через Wi-Fi за границей.
Что это даёт?
Не обращая на ваше местонахождение в мире и используя функцию «Вызовы через Wi-Fi», вы можете звонить или принимать звонки как будто вы находитесь в домашнем регионе. Так, например, находясь в Таиланде и при подключении телефона к Wi-Fi-сети я могу звонить на короткие номера, 900 (Сбер), или горячие линии 8-800, или просто на городские или мобильные номера в рамках своего тарифа МТС и не платить за дорогущий роуминг.
Как включить и пользоваться «Вызовами через Wi-Fi»
1. Эта функция работает только если:
а) Ваш телефон поддерживает «Вызовы через Wi-Fi». 99%, что у вас есть эта функция в телефоне.
б) Ваш оператор поддерживает эту технологию. Проверьте с оператором самостоятельно.
2. Активация функции на Айфоне:
Настройки — Сотовая связь — Выбор оператора — Вызовы по Wi-Fi (переключить селектор в положение ВКЛ.)
3. Подключитесь к любой рабочей Wi-Fi-сети
4. Обязательно переведите телефон в режим Flight mode. Это необходимо для того, чтобы телефон не ушел с Wi-Fi на мобильную сеть во время звонка, если Wi-fi вдруг просядет или отключится.
5. Всё) Вы можете звонить со своего номера, как будто вы находитесь в России.
МТС сдох?
У нас связь МТС накрылась медным тазом (Самара). А у вас?
И мои пять копеек про работу
Связист. Даём интернет людям.
Вопрос связистам, интернетчикам, мобильная связь, вот в этом духе
Попытаюсь максимально понятно, но душновато, объяснить.
Эпилог — 4 года назад на даче захотелось связи, ибо она отсутствовала вообще, иногда Ешка появлялась, обзвонил всех возможных провайдеров, оптики по близости нету. Дача в 30км от города, ближайшая вышка 2.3км сквозь тайгу + низина. Но провайдер один сказал что в течении 2 лет будет оптика, ждите. Ждать не хотелось, прошерстил гугл, и нашел простой способ — самодельная антена — кабель коаксил — модем. Схема антенны ниже.
После установки, связь появилась, да не просто, а 4г b3 при сигнале -102 — -108.
И вот с пару недель назад, решил в очередной раз прозвонить провайдеров, и узнал что можно провести оптику, но я знатно офигел от условий. 710р тариф, 3400 первое подключение, с условием что наберётся минимум 8 человек, но это фигня, дача же, далеко, все понятно, скорость интернета 3мбит. 1000р 5 мбит. И это при том что при действующей самоделки у нас скачет 3-12мбит скорость и пинг 140-160 до сервера в Париже.
А теперь суть вопроса. Я хочу полностью пересобрать эту антенну, сделать все точнее, как показано в схеме, но между антенной и модемом хочу воткнуть репитер. Выглядит на словах примерно так: антенна- от антенны кабель- кабель в репитер- из репитера кабель в модем. Сколько я не искал, кого не спрашивал, никто не знает будет ли толк от данной схемы, единственное что нашел, что репитер действительно усиливает сигнал, но на выходе вставляют просто антенну, и никто не пихает его в модем, максимум ставят ретранслятор.
Подскажите, может кто пробовал, или разбирается и знает. Репитер заказал вот такой, под частоту 2100 wsdma/lte
Новый логотип МТС, теперь без яиц!
Два вопроса:
— Как вам новый логотип?
— Зачем убрали яйца перед пасхой?
Мегафон берет плату за отклоненные вызовы!
Хочу поделиться интересным моментом работы оператора Мегафон в роуминге. (а может и не только его)
Если кратко он взымает плату. за отклоненный вызов 😉 Причем измеряет её в секундах(каждый раз разных), в биллинге пишет, что это входящий вызов, при этом IMEI устройства естественно нет, откуда ему взяться если соединения не произошло. Также если какое-то промежуточное оборудование «решит», что вы «отклонили» вызов, также видимо спишут, разбираться не будут — проверено на себе, заявку не заводят, специалист первой линии «видит всё и так» и «если бы проблема была были бы другие обращения». Интересно откуда если их не заводят? 😉
В тарифах пункта «плата за отклонение вызова» нет.
Надеюсь это поможет кому-то избежать лишних трат.
UPD1: После этого поста выяснилось что специалист первой линии оказывается видит всё-же не всё и проблему можно изучать и попробовать понять в чем дело. Заявка заведена, первичная обратная связь — «за отклоненный звонок деньги не списываются», что же произошло на самом деле обещают рассказать в течение 3х дней, буду держать в курсе.
Будни связиста
Здравствуйте пикабушники. Попалось мне на глаза старое видео с моей работы. Захотелось поделиться.
Как обратиться к следователю, что бы он запросил сведения о наличии телефонов с imei и номерами в нужном месте и времени?
Суть вопроса в заголовке. Какие действия принять, шаги, заявления и кому и куда подать? Уголовное дело возбуждено, а озвученным вопросом просто так заниматься не будут, дело закроют, как обычно. Нужна Ваша помощь, как проверить квадрат на наличие абонентов в день, когда погиб мой брат. При чем, есть информация, что рядом были люди, но свидетельствовать не могут об этом.
МТС! Гори в аду!!
Оплатила сегодня мобильную связь. МТС удержал комиссию «в счет компенсации расходов». Чиво. Я чего-то не понимаю? А до этого все время вы на что тратили деньги? В носок складывали?
МТС вы когда нажретесь уже? Стоимость 3 раза повышали за прошлый год. Теперь вот это.
Что дальше? Мы вам своих первенцев должны будем отдавать?
Полыхает у меня все до небес!
Друзья, подскажите, на кого перейти? Теле2 отпадает: совсем не ловит на работе.
Сегодня — 39 лет мобильной связи
Ровно 39 лет назад, 13 октября 1983 года, в Чикаго произошло довольно любопытное и неординарное событие. Исполнительный директор компании Ameritech Mobile Communications Боб Барнетт, сидя в своем «Крайслере» возле стадиона Солджер Филд, набрал номер внука изобретателя телефонной связи Александра Белла, который находился в тот момент в Германии. Так была запущена первая в мире сеть сотовой связи и появилась на свет технология, без которой сегодня мы буквально не можем обойтись.
Тот исторический звонок был совершен с мобильного телефона Motorola DynaTAC 8000X, который по нынешним временам трудно назвать по-настоящему «мобильным». Трубка весила 0,8 килограмма, а ее внушительные габариты больше напоминали кирпич. Впрочем, американские пользователи так и прозвали этот аппарат – «brick». Полная зарядка устройства занимала 10 часов, маленький светодиодный дисплей показывал только набираемый номер, а память аппарата позволяла сохранить до 30 телефонных номеров. В режиме ожидания такой телефон мог проработать до 8 часов, а разговаривать по нему можно было не более получаса. Но, как шутливо отмечали сами разработчики, время работы от батареи не являлось его слабой стороной, ведь держать столь увесистый аппарат в руке более получаса было просто невозможно.
Motorola DynaTAC 8000X
Разработка Motorola DynaTAC 8000X началась еще задолго до его коммерческой эксплуатации — в 1973 году, а 3 апреля того же года этот телефон совершил свой первый экспериментальный звонок. Сделал его инженер, физик и фактический изобретатель аппарата — Мартин Купер, позвонивший начальнику исследовательского отдела Bell Laboratories Джоэлю Энгелю. Это был первый в истории телефонный звонок по сотовому телефону, причем прототип мобильного аппарата тогда даже не имел дисплея — только клавиши для набора номера и обрезиненную антенну. На отладку технологии, доработку оборудования и устранение возникавших в процессе проблем ушли долгие 10 лет, прежде чем в 1983 году в Чикаго была запущена первая коммерческая сеть сотовой связи.
Мартин Купер с тем самым прототипом Motorola DynaTAC
В 1984 году компания Motorola запустила телефон в массовое производство. Стоил аппарат $3 995 (что в наше время эквивалентно $10 420), однако столь высокая цена не помешала людям выстраиваться в километровые очереди, чтобы заполучить этот уникальный продукт технического прогресса. Абонентскую плату тоже нельзя было назвать низкой – месяц пользования сетью стоил 50 долларов, а минута разговоров в «часы пик» оценивалась в 40 центов. Motorola DynaTAC 8000X стал поистине легендарным аппаратом, и «засветился» в таких известных кинокартинах, как «Уолл-Стрит» и «Американский психопат».
Чуть больше года спустя первый коммерческий звонок также совершил британский оператор Vodafone — это событие было приурочено к новогодним торжествам. За ним последовал израильский Pelephone в 1986 году и австралийский Telecom в 1987-м.
Первая сотовая сеть использовала стандарт AMPS (Advanced Mobile Phone Service) и относилась к сетям первого поколения (1G). Она работала по принципу обычной радиосвязи – частотного разделения каналов, где для каждого соединения выделялась своя частота в 30 кГц. Каждая вышка сотовой связи тогда могла обслуживать около 300 абонентов. Качество связи было далеко не идеальным – диапазон 800 МГц был восприимчив к фоновому шуму и помехам от находящихся поблизости электронных устройств. На пике развития у 1G насчитывалось порядка 2 млн. абонентов.
Спустя два года в США стандарт уже морально устарел, и в 1990 году к нему на замену пришел более совершенный D-AMPS. В России же оборудование AMPS продержалось намного дольше, последним его отключил оператор «Билайн» 31 декабря 2009 года.
Первый мобильный телефон от Bell Laboratories
В 1950-х мобильные телефоны начали понемногу «худеть» и уже в 1970-х стали весить около 14 кг, но питались они по-прежнему от автомобильных аккумуляторов. Новые по-настоящему портативные устройства придумал как раз упомянутый ранее Мартин Купер из компании Motorola. В 1967 его отдел уже разработал первые портативные рации для чикагской полиции. И вот, спустя почти 20 лет, Мартин Купер понял, что в силах построить относительно компактный сотовый телефон.
Для функционирования сотовой связи требовалось получить свободные частоты, и переговоры с Федеральной Комиссией по коммуникациям на этот счет шли довольно долго. Наконец стороны достигли компромисса – Motorola должна была на деле доказать возможность бесперебойной работы подобных сетей.
Так, 3 апреля 1973 года на крыше небоскреба Alliance Capital Building в Нью-Йорке была установлена первая базовая станция и состоялись полевые испытания. Станция могла обслужить не более 30 абонентов и использовала соединение с городской телефонной сетью через коммутатор. Запуск прошел удачно: стоя на углу улицы Манхэттен Стрит, Мартин Купер совершил свой исторический звонок, что и позволило спустя десятилетие запустить первую в США и в мире сотовую сеть связи в коммерческую эксплуатацию. Уже через год количество абонентов оператора Ameritech Mobile увеличилось до 12 тысяч.
В 1980-х цены на мобильные телефоны понемногу снижались, и они становились доступны все большему количеству людей. Возможность позвонить семье, друзьям или коллегам почти из любой точки мегаполиса начала менять привычки, и обладание телефоном стало признаком некого статуса. Однако о том, что сотовая связь стала жизненно необходимой всем и каждому, говорить было еще рано.
Эта необходимость наступила позже, когда в 1991 году Европейский институт телекоммуникационных стандартов разработал стандарт GSM, который дополняли сервисы, используемые нами и по сей день, включая текстовые и голосовые сообщения. Сети с поддержкой именно этого стандарта совершили настоящую революцию на рынке сотовой связи как в Европе, так и за океаном.
В том же 1991 году появилась первая коммерческая сотовая сеть в России, ее представила компания «Дельта Телеком». Но телефоны тогда были очень дорогими, и популярностью эта услуга не пользовалась: в 1997 году в стране было зарегистрировано всего лишь около 300 тысяч абонентов. И лишь после 1999 года, когда на рынке появилось множество бюджетных устройств, работающих по стандарту GSM, сотовая связь начала свою экспансию на рынок, вытеснив более дешевое средство связи — пейджеры.
А первая в мире компания, предоставлявшая коммерческие услуги сотовой сети — Ameritech Mobile Communications, LLC — позже была переименована в Ameritech Cellular, а затем поглощена корпорацией SBC Communications. Самая первая сотовая сеть в Чикаго, которую запустил в эксплуатацию своим историческим звонком Боб Барнетт, теперь принадлежит телекоммуникационному гиганту Verizon, в то время как компания Ameritech Mobile Communications теперь входит в состав конкурирующего холдинга — AT&T Mobility, и по сей день предоставляет американским абонентам услуги мобильной связи.
Подписывайтесь на наш блог, чтобы не пропустить новые интересные посты!
Как работает сотовая связь. Часть 2: звонки и вышки
Современный мир вряд ли можно представить без новомодных мобильных смартфонов и мобильной связи, о которой мы уже говорили в предыдущей части этого материала. Да, мы пользуемся всем этим сотни раз в день. Каждый раз, когда просто смотрим на смартфон или используем другим образом, полагаемся именно на сотовые сети. Ставьте «+» в комментариях, если и этот материал загрузили именно через мобильный интернет и сейчас читаете в метро или на лавке в парке.
Уж точно не каждый понимает, как устроена мобильная связь. Именно поэтому мы решили рассказать о ней на страницах нашего сайта. Это вторая часть материала, которая расставит недостающие точки над «i». Да сегодня смартфоны впечатляют скоростью работы, дисплеями на миллионы цветов, громкими спикерами и набором из камер. Но без доступа к сотовым сетям они превращаются банальные тамагочи. Именно поэтому тема сотовых сетей не теряет в актуальности.
Для работы сотовых сетей нужно много базовых станций
Вы не раз видели такие вышки в полях и на крышах высотных зданий, но вряд ли догадывались, что они как-то связаны с сотовой связью. Знакомьтесь, это базовые станции. Они расположены почти по всему миру. Каждая из них может обрабатывать около четырёхсот звонков одновременно и ловить сигналы на расстоянии до 35 километров. По сути, это ретрансляторы, которые служат для соединения мобильных устройств друг с другом и всех их с сетью.
Идеальная высота для размещения базовых станций — от 15 до 60 метров над землёй. Их цепляют на высотки, электростолбы и даже деревья. Это даёт возможность расширить сотовую с их помощью как на можно большее расстояние.
Антенны сотовых выше поделены на секторы, направленные в разные стороны. Каждый из них обслуживает сотни и тысячи звонков в минуту. Таких секторов на станции может быть до шести. Для мобильных операторов лучше, когда больше станций. Увеличение делений на каждой из них негативно влияет на качество связи, поэтому к такому подходу прибегают только в крайнем случае или на территориях, которые не заселены достаточно плотно.
Станции выглядят как продолговатые серые ящики, из которых торчат антенны. Они могут как принимать, так и транслировать сигналы — каждая из них обычно принадлежит отдельному сотовому оператору. Помимо этого, на базовых станциях можно увидеть радиорелейные тарелки, через которые они подключаются к своим владельцам. Антенны на них работают в разных частотных диапазонах, которые дают возможность покрыть как большое нежилое пространство, так и населённый город.
Логично, что работу такой большой и сложной системы должен кто-то регулировать. Так и есть — 24 часа в сутки и 7 дней в неделю за этим следит ЦКС (Центр Контроля Сети). Главная задача его работников — диагностика и устранение проблем. Для этого на каждой базовой станции расположены десятки датчиков, отправляющих данные специалистам. Если в одном из секторов происходит поломка, оператор видит это на своём мониторе как мигающую лампочку и отправляет команду на починку.
Сегодня специалисты собирают огромное количество данных о работе базовых станций. Их анализ даёт возможность находить неполадки ещё до того, как они повлияют на качество связи. Как правило, за каждой из них регулярно наблюдают по два сотрудника.
Говорят, если мобильный телефон не ловит сигнал сотовой вышки, его нужно поднять как можно выше. Подпрыгнуть с ним или на столб залезть. Эта тема обыграна в десятках комичных моментов в современном кино. Но это абсолютно не так.
Дело в том, что сигнал от сотовых вышек распространяется практически в одной плоскости. Именно поэтому гораздо эффективнее будет отойти на пару метров в сторону, так как это позволит телефону начать поиск новых станций поблизости. Помимо этого, сотовый сигнал сильно искажают массивные здания, так что если вы находитесь в городе, просто пройдите на соседнюю улицу, и делений на полосе связи вашего телефона сразу станет намного больше.
Кстати, привычные индикаторы сети работают абсолютно не так, как мы когда-то себе представляли. На самом деле, все эти палочки, полосочки и чёрточки указывают только на расстояние до сотовой вышки, но не на качество связи.
Что интересно, специальные базовые станции устанавливают даже в самолёты. Они связываются с оператором связи через спутники и дают возможность пассажирам оставаться на связи во время всего перелёта вне зависимости от его продолжительности.
Опасность от базовых станций сильно преувеличена
В сети ходит очень много мифов по поводу опасности мобильной связи. После установки очередной сотовой вышки то и дело появляются сообщения о грудах мёртвых тараканов, головных болях и даже массовых раковых заболеваниях.
Сотовые вышки передают сигнал на мобильные устройства, который находится в спектре где-то между FM-радиоволнами и микроволнами. От него есть неионизирующее излучение, которое не влияет на клеточную структуру. В природе также есть ионизирующее излучение, причиной которого становятся рентгеновские лучи и ультрафиолет. Оно уже может менять клеточную структуру, поэтому в большом объёме становится причиной раковых заболеваний — базовые станции тут не при чём.
Излучение базовых станций контролируют по плотности потока энергии, которая проходит сквозь наше с вами тело. На территории нашей страны её отслеживают по нормам «Электромагнитного излучения радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ)» — СанПиН 2.2.4/2.1.8.055 96. Если брать в учёт диапазон частот базовых станций, в России действует ограничение 1 мВт/м² — это в сотню раз меньше, чем в Европе и США. Поэтому о здоровье граждан у нас пекутся гораздо лучше.
Как показывают практические исследования в реальных условиях реальное излучение базовых станций до 15 раз меньше предельного значения уже на дистанции сотни метров — это в том случае, если антенна сотовой вышки смотрит прямо на вас.
Как оказывается, вред для здоровья могут нести только сотовые вышки, расположенные на пустырях. Входить на их территорию обычно нельзя — она ограждена специальным забором. Когда на них происходят ремонтные работы, все антенны отключают и только потом пускают сотрудников. Если видите такой объект в чистом поле, лучше не приближайтесь к нему на продолжительное время. Устроить пикник возле него — далеко не самая лучшая идея, и лучше выбрать какое-то более безопасное место.
Опасными также считаются компактные фемтосоты. Это такие базовые станции в формате мини, которые устанавливают в офисах, чтобы улучшить приём сигнала сотовой сети. Лучше всего находиться от них на дистанции больше одного или пары метров.
Соединение с абонентом осуществляется средствами коммутатора
Когда вы нажимаете кнопку вызова, ваше мобильное устройство тут же связывается с ближайшей базовой станцией, которая должна выделить ему свободный голосовой канал. Она отправляет его сначала на контроллер, а потом на коммутатор, который пытается найти необходимого абонента в домашней сети или за её пределами. В последнем случае подключаются компании-партнёры, которые таким же образом ищут необходимого пользователя внутри своей сети. Это звучит сложно, но на деле проще простого.
После этого с помощью коммутатора идёт соединение с конкретным абонентом, с которым вы можете поговорить через голосовую связь. Если не возникло никаких проблем, вам это должно выйти сделать вполне успешно.
Говорят, что эхо в трубке — верный признал прослушки. Данный миф настолько стар, что пришёл ещё от наших бабушек. Это неправда. Если вы слышите эхо во время разговора по телефону, это может обозначать что угодно, но не то, что кто-то вас прослушивает. Одна из причин возникновения эха — использование громкой связи одним из абонентов. В этом случае звук из телефона может отражаться от стен и возвращаться обратно. Также эхо может говорить о проблемах в работе системы шумоподавления.
Да, кстати и молнии мобильники не притягивают. Национальное управление океанических и атмосферных исследований США доказало, что сотовые телефоны, также как и мелкие металлические предметы или ювелирные изделия, не могут привлекать молнии — всё же, они предпочитают бить в высокие объекты. Человек может оказаться в опасности, не потому что говорит по телефону, а потому что делает это в неподходящем месте — например, в поле, где является самым высоким объектом.
Кстати, сегодня работа мобильного интернета не так сильно отличается от голосовых вызовов. Вместо другого абонента ваш смартфон просто запрашивает у базовой станции доступ к всемирной паутине, и она ему его предоставляет.
Для потери связи с сетью есть четыре основных причины
Во-первых, помехи могут создавать неисправное устройство, старая SIM-карта и даже неправильный материал для чехла. Если кейс на вашем смартфоне выполнен с использованием обильного количества металла, то проблемы со звонками наверняка будут.
Во-вторых, разрывы соединения могут происходить в тех местах, где есть «дырки» в покрытии. Если ближайшие базовые станции находятся слишком далеко от вас, или вы находитесь слишком высоко или низко по отношению к ним. Обычно их строят таким образом, чтобы поле их покрытия ложилось внахлёст. Тем не менее, это не всегда возможно из-за географии местности и может быть нецелесообразно из-за общей мизерной заселённости определённого региона.
Вы сталкиваетесь с этим во время езды на автомобиле или поезде. Чем дальше от города, тем связь обычно хуже. На некоторых участках дороги её может вообще не быть, и в этом нет ничего странного ил сверхъестественного.
В-третьих, обрывы часто связаны с перенапряжением сети. Оно может возникнуть тогда, когда ближайшие к вам станции уже обрабатывают слишком много звонков. Наиболее типичный момент для этого — крупные праздники. Сколько раз такое бывало с каждым: звонишь старому другу, чтобы поздравить его с Новым Годом, а в ответ слышишь лишь тишину. Звонок сбрасывается, начинаются короткие гудки, и это повторяется снова и снова. Пока станция не разгрузится, позвонить не получится.
В-четвёртых, каждый оператор определяет для себя приоритетный режим работы — тип соединения, который предлагается клиентам в первую очередь. У местных компаний это 3G. Если он не может предоставить хотя бы его, связь может падать.
Без современной сотовой связи мир был бы абсолютно другим
Когда вспоминаешь жизнь без современной мобильной связи, становится страшно. Чтобы банально позвонить, нужно было находиться в помещении или использовать специальные таксофоны, разбросанные по городу. Общаться было реально сложно.
Без скоростного мобильного интернета и смартфоны бы вряд ли появились. Скорее всего, мы бы пользовались какими-то мультимедийными плеерами для фильмов, портативными приставками и кнопочными звонилками — мир был бы совсем не тем.
Базовая станция сотовой связи
Пользоваться сотовым телефоном можно в зоне покрытия своего или роумингового оператора, для обеспечения которого используются мобильные базовые станции связи. Базовые станции операторов устанавливаются в самых разных локациях, а от количества вышек с оборудованием сотовой связи зависит качество звонков и интернета. Как устроены и работают телефонные базовые станции GSM – в нашем обзоре.
Как выглядят базовые станции
На крышах зданий, фонарных столбах, и на отдельно стоящих конструкциях, устанавливается операторами оборудование, необходимое для обеспечения сигнала. Поэтому базовая станция это не всегда отдельная конструкция, и на одной вышке может располагаться оборудование нескольких операторов.
Оборудование базовой станции состоит из двух основных элементов – антенны и блока управления. Антенны устанавливаются в верхней части конструкции, а современные модели чаще всего внешне выглядят как прямоугольные белые блоки, располагаемые под углом вниз – это позволяет настроить уровень распространения сигнала на поверхность.
Антенна работает как на прием, так и отправку сигнала на абонентские устройства и другие вышки сотовой связи, чтобы обеспечить максимально бесшовное покрытие. Современные модели могут менять угол наклона автоматически, для обеспечения максимального сигнала на нужную зону покрытия.
Сигнал антенн обрабатывается радиомодулем. Чаще всего оборудование устанавливается рядом с антенной, чтобы минимизировать потери информации при обработке, и сократить рассеивание частотной мощности.
Для работы оборудования, также используется кондиционирование. Дело в том, что в процессе работы происходит нагревание, что может привести к неисправности оборудования, его отключения, или аварии. Особенно это актуально в летний период, поскольку вышки обычно расположены на открытом пространстве под прямыми солнечными лучами.
С работой кондиционирования часто связаны опасения многих о вреде базовых станций на организм. Многие считают, что издаваемый вышками связи шум – это излучение, а на самом деле его источником является кондиционер.
Также каждая вышка должна быть обеспечена бесперебойным источником питания, необходимого для работы оборудования. Для этого могут задействоваться и автономные генераторы, но это не только усложняет обслуживание вышек базовых станций связи, но и обходится сотовым операторам значительно дороже.
Для того чтобы сигнал вышки поступал в сеть оператора, он должен быть передан на коммутатор. В городской среде сигнал чаще всего передается по оптоволоконным линиям – это позволяет обеспечить стабильный сигнал и высокую скорость передачи данных.
Однако передаваться сигнал с вышки может и посредством радиорелейной связи. Для этого используются соответствующие антенны – внешне они напоминают спутниковые тарелки, но более компактного формата.
Антенны базовых станций чаще всего белого цвета. Это обусловлено тем, что именно этот цвет имеет наибольшее отражение и минимальное поглощение, что обеспечивает более высокий уровень сигнала.
Какую зону обслуживает одна вышка
Зона действия вышки сотовой связи, напрямую зависит от типа используемого оборудования. Так, для обеспечения сигнала можно использовать фемтосоты. Их можно установить даже дома или в офисе, и через подключение к интернету обеспечивается сигнал сети оператора на небольшое расстояние. Такое оборудование часто используется там, где слабый сигнал сети оператора, включая цокольные помещения.
Большую зону покрытия и количество каналов связи, поддерживает пикосота. В отличие от фемтосоты, это не пользовательское, а операторское оборудование. Этот тип оборудования устанавливается и там, где необходимо усилить сигнал и емкость сети, для примера, во время массовых мероприятий.
Полноценной базовой станцией, является микросота, позволяющая передавать сигнал на расстояние до пяти километров. Такой тип оборудования используется в локациях, где необходимо обеспечить покрытие, но не требуется высокая пропускная способность, или нецелесообразно использовать более мощное оборудование. Также такое оборудование устанавливается городах, где необходимо более частая установка антенн, для более плотного покрытия сети.
На улицах городов и вдоль крупных трасс, пользователи сотовой связи видят преимущественно макросоты. Они обеспечивают сигнал на расстоянии до ста километров.
Однако зона действия зависит не только от типа оборудования, и не всегда широкая зона покрытия является приоритетом при его установке.
Так, в крупных городах с плотной застройкой, используется мощное оборудование. Однако не передний план выходит возможность обслуживания большего числа пользователей, и более высокий канал для передачи информации. Влияет на сигнал и рельеф местности, включая высотные здания, не пропускающие радиосигнал. В этом случае операторы устанавливают большее количество вышек.
Чем отличается вышка 2G от 4G
Доступность услуг связи определенного стандарта, зависит от используемой частоты при передаче информации. Однако если ранее при переходе на новое поколение связи операторам было необходимо полностью обновлять оборудование, то теперь все гораздо проще.
Так, можно часто услышать информацию от операторов о том, что их сети готовы к предоставлению услуг не только в доступных стандартах, но и в 5G. Получается, что оборудование для 4G может работать и для связи следующего поколения.
Доступность того или иного поколения связи, зависит от используемого абонентами оборудования, а также от частот задействованных операторами. Современные антенны базовых станций, в большинстве своем являются широкополосными, и могут передавать и принимать сигнал на разных частотах.
Именно поэтому находясь в пределах действия одной вышки, пользователь кнопочного телефона может пользоваться звонками через 2G, а пользователь смартфона интернетом в 3G и 4G.
Также операторы проводят на своих сетях рефарминг частот – перераспределение доступного диапазона на другие стандарты связи. Таким образом, там, где базовая станция ранее работала только в 2G или 3G, теперь позволяет подключаться к скоростному 4G.