Principiul de funcționare a rețelelor GSM. celular

Comunicare celulară mobilă

celular- unul dintre tipurile de comunicații radio mobile, care se bazează pe retea celulara. Caracteristica cheie este că aria de acoperire totală este împărțită în celule (celule), determinate de zonele de acoperire ale stațiilor de bază individuale (BS). Celulele se suprapun parțial și formează împreună o rețea. Pe o suprafață ideală (plană și nedezvoltată), aria de acoperire a unui BS este un cerc, astfel încât rețeaua formată din ele arată ca un fagure cu celule hexagonale (faguri).

Este de remarcat faptul că în versiunea în limba engleză conexiunea se numește „celular” sau „celular” (celular), ceea ce nu ia în considerare natura hexagonală a fagurelui.

Rețeaua constă din transceiver-uri dispersate spațial care funcționează în același interval de frecvență și echipamente de comutare care fac posibilă determinarea locației curente a abonaților de telefonie mobilă și asigurarea continuității comunicării atunci când un abonat trece din aria de acoperire a unui transceiver la acoperire. zona altuia.

Poveste

Prima utilizare a radioului telefonului mobil în Statele Unite datează din 1921: poliția din Detroit a folosit comunicații de dispecerare unidirecționale în banda de 2 MHz pentru a transmite informații de la un transmițător central la receptoarele montate pe vehicul. În 1933, NYPD a început să folosească un sistem radio de telefonie mobilă bidirecțională, tot în banda de 2 MHz. În 1934, Comisia Federală de Comunicații din SUA a alocat 4 canale pentru comunicații radio telefonice în intervalul 30...40 MHz, iar în 1940 aproximativ 10 mii de vehicule de poliție utilizau deja comunicații radio telefonice. Toate aceste sisteme au folosit modularea în amplitudine. Modulația de frecvență a început să fie utilizată în 1940 și până în 1946 a înlocuit complet modulația de amplitudine. Primul radiotelefon public mobil a apărut în 1946 (St. Louis, SUA; Bell Telephone Laboratories), a folosit banda de 150 MHz. În 1955, un sistem cu 11 canale a început să funcționeze în banda de 150 MHz, iar în 1956 a început să funcționeze un sistem cu 12 canale în banda de 450 MHz. Ambele sisteme erau simplex și foloseau comutare manuală. Sistemele automate duplex au început să funcționeze în 1964 (150 MHz) și, respectiv, 1969 (450 MHz).

În URSS În 1957, inginerul de la Moscova L.I Kupriyanovich a creat un prototip de radiotelefon mobil duplex automat LK-1 și o stație de bază pentru acesta. Radiotelefonul mobil cântărea aproximativ trei kilograme și avea o rază de acțiune de 20-30 km. În 1958, Kupriyanovich a creat modele îmbunătățite ale dispozitivului, cântărind 0,5 kg și dimensiunea unei cutii de țigări. În anii 60, Hristo Bochvarov și-a demonstrat prototipul de radiotelefon mobil de buzunar în Bulgaria. În cadrul expoziției Interorgtekhnika-66, Bulgaria prezintă un kit pentru organizarea comunicațiilor mobile locale de la telefoanele mobile de buzunar RAT-0.5 și ATRT-0.5 și o stație de bază RATC-10, care asigură conexiune pentru 10 abonați.

La sfârșitul anilor 50, în URSS a început dezvoltarea sistemului de radiotelefonie auto Altai, care a fost pus în funcțiune în 1963. Sistemul Altai a funcționat inițial la o frecvență de 150 MHz. În 1970, sistemul Altai a funcționat în 30 de orașe din URSS și i-a fost alocată gama de 330 MHz.

În mod similar, cu diferențe naturale și la scară mai mică, situația s-a dezvoltat și în alte țări. Astfel, în Norvegia, radioul telefonic public a fost folosit pentru comunicațiile mobile maritime din 1931; în 1955 în ţară existau 27 de posturi de radio de coastă. Comunicațiile mobile terestre au început să se dezvolte după al Doilea Război Mondial sub formă de rețele private, comutate manual. Astfel, până în 1970, comunicațiile radio prin telefonie mobilă, pe de o parte, deveniseră deja destul de răspândite, dar, pe de altă parte, în mod clar nu puteau face pasul cu nevoile în creștere rapidă, cu un număr limitat de canale în benzi de frecvență strict definite. S-a găsit o soluție sub forma unui sistem de comunicare celulară, care a făcut posibilă creșterea dramatică a capacității prin reutilizarea frecvențelor într-un sistem cu structură celulară.

Desigur, așa cum se întâmplă de obicei în viață, anumite elemente ale sistemului de comunicații celulare au existat înainte. În special, o aparență de sistem celular a fost folosită în 1949 în Detroit (SUA) de către un serviciu de expediere cu taxiuri - cu reutilizarea frecvențelor în diferite celule atunci când utilizatorii schimbau manual canalele în locații predeterminate. Cu toate acestea, arhitectura sistemului care este astăzi cunoscut sub numele de sistem de comunicații celulare a fost conturată doar într-un raport tehnic al Bell System, înaintat Comisiei Federale de Comunicații din SUA în decembrie 1971. Și din acel moment, dezvoltarea comunicațiilor celulare însuși a început, care a devenit cu adevărat triumfător în 1985 g., în ultimii zece ani și ceva.

În 1974, Comisia Federală de Comunicații din SUA a decis să aloce o bandă de frecvență de 40 MHz în banda de 800 MHz pentru comunicațiile celulare; în 1986 i s-au adăugat încă 10 MHz în același interval. În 1978, la Chicago au început testele primului sistem experimental de comunicații celulare pentru 2 mii de abonați. Prin urmare, 1978 poate fi considerat anul începutului utilizării practice a comunicațiilor celulare. Primul sistem comercial automat de telefonie celulară a fost introdus și la Chicago în octombrie 1983 de către American Telephone and Telegraph (AT&T). În Canada, comunicațiile celulare sunt folosite din 1978, în Japonia - din 1979, în țările scandinave (Danemarca, Norvegia, Suedia, Finlanda) - din 1981, în Spania și Anglia - din 1982. Din iulie 1997, comunicațiile celulare funcționau în peste 140 de țări de pe toate continentele, care deservesc peste 150 de milioane de abonați.

Prima rețea celulară de succes comercial a fost rețeaua finlandeză Autoradiopuhelin (ARP). Acest nume este tradus în rusă ca „radiotelefon auto”. Lansat în oraș, a atins o acoperire de 100% a teritoriului Finlandei în. Dimensiunea celulei era de aproximativ 30 km, iar în oraș erau peste 30 de mii de abonați. A funcționat la o frecvență de 150 MHz.

Principiul de funcționare al comunicației celulare

Componentele principale ale unei rețele celulare sunt telefoanele mobile și stații de bază. Stațiile de bază sunt de obicei situate pe acoperișurile clădirilor și turnurilor. Când este pornit, telefonul mobil ascultă undele, găsind un semnal de la stația de bază. Telefonul trimite apoi codul său unic de identificare către stație. Telefonul și postul mențin contact radio constant, schimbând periodic pachete. Comunicarea între telefon și stație se poate face printr-un protocol analog (NMT-450) sau digital (DAMPS, GSM, engleză). predea).

Rețelele celulare pot consta din stații de bază de diferite standarde, ceea ce permite optimizarea funcționării rețelei și îmbunătățirea acoperirii acesteia.

Rețelele celulare ale diferiților operatori sunt conectate între ele, precum și la rețeaua de telefonie fixă. Acest lucru permite abonaților unui operator să efectueze apeluri către abonații altui operator, de la telefoane mobile la linii fixe și de la linii fixe la telefoane mobile.

Operatorii din diferite țări pot încheia acorduri de roaming. Datorită unor astfel de acorduri, un abonat, aflat în străinătate, poate efectua și primi apeluri prin rețeaua altui operator (deși la tarife mai mari).

Comunicații celulare în Rusia

În Rusia, comunicațiile celulare au început să fie introduse în 1990, utilizarea comercială a început pe 9 septembrie 1991, când prima rețea celulară din Rusia a fost lansată la Sankt Petersburg de către Delta Telecom (care operează în standardul NMT-450) și prima rețea simbolică. telefon mobil de către primarul din Sankt Petersburg Anatoly Sobchak. Până în iulie 1997, numărul total de abonați din Rusia era de aproximativ 300 de mii. Începând cu 2007, principalele protocoale de comunicații celulare utilizate în Rusia sunt GSM-900 și GSM-1800. În plus, funcționează și UMTS. În special, primul fragment al unei rețele a acestui standard din Rusia a fost pus în funcțiune pe 2 octombrie 2007 la Sankt Petersburg de către MegaFon. În regiunea Sverdlovsk, continuă să fie utilizată rețeaua de comunicații celulare a standardului DAMPS, deținută de compania MOTIV Cellular Communications.

În Rusia, în decembrie 2008, existau 187,8 milioane de utilizatori de telefonie mobilă (pe baza numărului de carduri SIM vândute). Nivelul de penetrare celulară (număr de carduri SIM la 100 de locuitori) la această dată a fost astfel de 129,4%. În regiuni, cu excepția Moscovei, nivelul de penetrare a depășit 119,7%.

Cota de piață a celor mai mari operatori de telefonie mobilă din decembrie 2008 era: 34,4% pentru MTS, 25,4% pentru VimpelCom și 23,0% pentru MegaFon.

În decembrie 2007, numărul utilizatorilor de telefonie mobilă din Rusia a crescut la 172,87 milioane de abonați, la Moscova - la 29,9, la Sankt Petersburg - la 9,7 milioane Nivelul de penetrare în Rusia - până la 119,1%, Moscova - 176%, Sankt Petersburg. - 153%. Cota de piață a celor mai mari operatori de telefonie mobilă din decembrie 2007 era: MTS 30,9%, VimpelCom 29,2%, MegaFon 19,9%, alți operatori 20%.

Conform datelor companiei britanice de cercetare Informa Telecoms & Media pentru 2006, costul mediu al unui minut de comunicare celulară pentru un consumator din Rusia a fost de 0,05 USD - acesta este cel mai mic dintre țările G8.

Compania IDC, pe baza unui studiu al pieței de comunicații celulare din Rusia, a concluzionat că în 2005 durata totală a apelurilor pe un telefon mobil de către rezidenții Federației Ruse a ajuns la 155 de miliarde de minute și au fost trimise 15 miliarde de mesaje text.

Potrivit unui studiu realizat de J"son & Partners, numărul de carduri SIM înregistrate în Rusia la sfârșitul lunii noiembrie 2008 a ajuns la 183,8 milioane.

Vezi si

Surse

Legături

• Site de informare despre generații și standarde de comunicații celulare.
• Comunicații celulare în Rusia 2002-2007, statistici oficiale

Standarde moderne de comunicare celulară

Orice comunicare radio care permite abonatului să o folosească fără a fi legat de o anumită locație: celulară, paginare, folosind radiotelefoane, extensii radio, walkie-talkie etc. se numește mobil. celular- un tip de comunicare mobilă organizată după principiul celulelor sau celulelor (celule), prin amplasarea staţiilor de bază (Baza emisie-receptie), care acoperă o zonă locală.

Principiul construirii sistemelor celulare este următorul: în aria de acoperire a rețelei, sunt instalate un număr de stații de emisie-recepție staționare (stații de bază) de putere relativ scăzută, fiecare dintre acestea având o zonă de acoperire mică (de obicei câțiva kilometri). În același timp, zonele de acoperire ale stațiilor învecinate se suprapun oarecum între ele pentru a se asigura că un abonat se poate muta dintr-o zonă în alta fără a pierde conexiunea. Pentru ca o astfel de suprapunere să fie posibilă, stațiile învecinate trebuie să utilizeze frecvențe de operare diferite. Pentru a acoperi complet o zonă dată, sunt necesare cel puțin trei frecvențe diferite, astfel încât stațiile dispuse într-un triunghi să poată avea zone de serviciu suprapuse. A patra stație poate utiliza din nou una dintre aceste trei frecvențe, deoarece se învecinează doar cu două zone. Cu această abordare, forma zonei de acoperire a fiecărei stații de bază este un hexagon, iar locația acestor zone repetă exact structura unui fagure, care dă numele sistemelor de comunicații cu un principiu de construcție similar.

Totalitatea teritoriilor locale este zonă servicii operator. Nivelul semnalului într-o anumită locație depinde de apropierea de stația de bază, teren, clădiri, interferențe industriale și alți factori. Semnalul de la stația de bază este transmis către intrerupatorși este prelucrat de acesta.

Echipamentul unui sistem de comunicații celulare include stații de bază și un centru de comutare conectat prin cablu dedicat sau canale de releu radio, așa cum se arată în Fig. 7.2.

Orez. 7.2.

Un centru de comunicații este o centrală telefonică automată a unui sistem de comunicații celulare care asigură toate funcțiile de gestionare a rețelei: monitorizarea abonaților mobili, organizarea predării acestora, schimbarea canalelor de lucru într-o celulă atunci când apar interferențe, conectarea unui abonat la un abonat dintr-o rețea telefonică obișnuită.

Stația de bază este un transceiver multicanal care funcționează în modul de recepție și transmisie a semnalului și servește ca un fel de interfață între un telefon mobil și un centru de comunicații mobil.

Numărul de canale ale stației de bază este de obicei un multiplu de opt: 8, 16, 32. Unul dintre canale este canalul de control sau de apelare, deoarece pe acesta se stabilește conexiunea la apelarea unui abonat al rețelei mobile, dar conversația apare după trecerea la un alt canal care este în prezent liber. Ideea însăși a unei rețele de comunicații mobile celulare este că, fără a părăsi încă aria de acoperire a unei stații de bază, telefonul și proprietarul său cad în aria de acoperire a următoarei și așa mai departe până la exterior. granița întregii zone de acoperire a rețelei. În același timp, comunicațiile celulare nu implică neapărat mobilitate: astăzi, așa-numitele „comunicații celulare pe linie fixă” devin din ce în ce mai răspândite în întreaga lume. Această soluție se dovedește adesea a fi rentabilă - nu este nevoie de instalarea costisitoare a cablurilor telefonice și o stație de bază puternică este suficientă pentru a furniza telefoane unui întreg cartier. Antenele stației de bază sunt instalate în oraș la o înălțime de 15-100 m față de suprafața solului pe clădirile existente (publice, clădiri industriale, clădiri rezidențiale, coșuri), iar în afara orașului - pe catarge înalte.

Sistemul de comunicații celulare funcționează conform următorului algoritm.

În modul de așteptare (hook on), dispozitivul de recepție radiotelefon scanează în mod constant fie toate canalele sistemului, fie numai pe cele de control.

Pentru a apela abonatul corespunzător, toate stațiile de bază ale sistemului de comunicații transmit un semnal de apel prin canale de control.

La primirea acestui semnal, telefonul mobil al abonatului apelat răspunde prin intermediul unuia dintre canalele de control gratuite.

Stațiile de bază care au primit semnalul de răspuns transmit informații despre parametrii acestuia către centrul de comunicații, care, la rândul său, comută conversația la stația de bază unde este înregistrat nivelul maxim de semnal al telefonului mobil al abonatului apelat.

Numărul de abonați din fiecare celulă nu este constant, deoarece aceștia sunt amestecați de la celulă la celulă. La trecerea graniței dintre celule, abonatul este comutat automat la serviciu într-o altă celulă.

Primul sistem de comunicații celulare, constând dintr-un transmițător cu șase canale, a fost creat în orașul nord-american St. Louis încă din 1946. Introducerea activă a comunicațiilor celulare a început mult mai târziu. Primele sisteme comerciale au apărut în America în 1979 și au devenit naționale abia în anii 1980. De exemplu, în 1981, a apărut primul sistem internațional în Europa, unind Norvegia, Danemarca, Suedia și Finlanda.

Ca urmare, la începutul anilor 1980. În Europa, existau deja peste douăzeci de rețele analogice incompatibile diferite. Incompatibilitatea standardelor a împiedicat răspândirea telefoniei celulare și a îngreunat viața atât operatorilor, cât și abonaților. Era imposibil, de exemplu, să se efectueze roaming automat atunci când se trece din aria de acoperire a unei rețele în aria de acoperire a alteia. Iar dispozitivele abonaților, telefoanele mobile în sine, erau departe de a fi universale. Pentru fiecare tip de comunicare celulară a fost necesar să se dezvolte echipamente unice.

Standardele care existau la acel moment sunt clasificate ca standarde de prima generatie (1G - prima generatie). Acestea sunt standarde celulare analogice. Exemple dintre acestea sunt sistemul scandinav NMT, TACS englez și AMPS american. Unul dintre cele mai durabile standarde ale primei generații a fost standardul digital D-AMPS (Serviciul de telefonie mobilă avansată digitală), care a fost popular în Rusia pentru o perioadă lungă de timp, precum și versiunea sa analogică AMPS.

Pentru a adopta un singur standard, a fost creat în 1982 un grup special numit Group Special Mobile (GSM), care includea reprezentanți ai 24 de țări din Europa de Vest. Dezvoltatorii noului sistem au crezut în mod rezonabil că metodele digitale de comprimare și codificare a informațiilor vor extinde în mod semnificativ utilizarea comunicațiilor celulare, vor oferi o calitate mai bună și vor oferi utilizatorilor servicii fără precedent. Sistemul digital Mannesmann, introdus în 1991 în Germania, a fost adoptat ca standard.

Astfel, la mijlocul anului 1991, a început exploatarea comercială a primei rețele din acest standard. Astăzi GSM este cel mai răspândit sistem de comunicații celulare din lume, iar numele său reprezintă altceva - Global System for Mobile telecommunications. GSM este de departe cel mai comun standard de comunicare. Potrivit asociației GSMA, acest standard reprezintă 82% din piața globală de comunicații mobile. GSMA include în prezent operatori din peste 210 de țări și teritorii. GSM aparține rețelelor de a doua generație (2 Generaţie).

Comunicațiile celulare GSM utilizează frecvențe radio de 900, 1800 sau 1900 MHz. Există, de asemenea, multi-bandă (dublă bandă, multi-bandă) telefoane capabile să funcționeze în benzile 900/1 800 MHz, 850/1 900 MHz, 900/1 800/1 900 MHz.

Comparativ cu standardele analogice, GSM are o serie de avantaje. Principala este utilizarea transmițătoarelor de putere redusă în dispozitivele abonaților și stațiile de bază. Acest lucru reduce costul echipamentului în sine, dar nu afectează calitatea comunicării. În plus, transferul de informații în formă digitală facilitează asigurarea unui grad ridicat de confidențialitate a negocierilor și a unei game largi de funcții de serviciu.

Tehnologia GSM este de fapt un întreg „buchet” de tehnologii complexe. Prima dintre ele este tehnologia de digitizare și codificare audio. Deoarece aceste operațiuni necesită resurse de calcul considerabile, fiecare telefon mobil, chiar și cel mai ieftin, are un procesor specializat destul de puternic. Procesorul implementează și tehnologia de egalizare multicanal. Faptul este că în intervalul de 900 MHz și mai sus, semnalul radio este ușor reflectat de pereții clădirilor și alte obstacole. Drept urmare, telefonul primește multe semnale care diferă ca fază, din care îl selectează pe cel necesar și ignoră restul.

O altă caracteristică interesantă a GSM este transmisia intermitentă. Când tăcem, telefonul oprește transmițătorul. De îndată ce începem să vorbim, se aprinde. Acest mecanism vă permite să minimizați consumul de energie al telefonului mobil.

Toate telefoanele mobile, în funcție de puterea transmițătoarelor radio încorporate, sunt împărțite în mai multe clase. Cele mai populare modele au o putere de până la 0,8 W. Dar, de obicei, atunci când stația de bază este situată lângă dispozitivul abonatului (și „celulele” GSM din orașele mari sunt amplasate suficient de dens pentru a evita zonele „moarte” între clădiri), puterea maximă a transmițătorului telefonului nu este necesară pentru a menține un conexiune stabilă. Pentru a regla puterea, se folosește un mecanism pentru a analiza numărul de erori în timpul transmisiei și recepției. Pe baza acestuia, puterea de transmisie a stației de bază și a telefonului este redusă la un nivel în care calitatea comunicației este destul de stabilă.

Din punctul de vedere al unui abonat obișnuit, sistemul de transmitere a unui semnal de la o stație de bază la alta, alocarea canalelor de comunicație etc. pare mult mai complex.

Toți operatorii de telefonie mobilă GSM, pe lângă transmiterea mesajelor vocale, oferă un set standard de servicii de transmisie de date: CSD, GPRS, EDGE, WAP.

CSD (Circuit Switched Data sau GSM Data) este o tehnologie standard de transmisie a datelor cu comutare de circuite în rețeaua GSM. Pentru a utiliza serviciile CSD, trebuie să aveți un telefon mobil compatibil CSD. În același timp, marea majoritate a telefoanelor mobile acceptă tehnologia CSD.

Avantajele CSD:

• rata de transfer constantă a datelor - 9,6 kbit/s;
• cea mai extinsă zonă de acoperire CSD, care corespunde zonei de acoperire GSM;
• taxa pentru serviciile CSD nu depinde de volumul datelor transmise și primite;
• conexiune CSD stabilă.

Caracteristicile CSD:

• când se utilizează CSD, informațiile sunt transmise pe un canal radio dedicat alocat conexiunii CSD;
• CSD este compatibil cu toate cele mai comune protocoale de transfer de date analogice și digitale.

Pentru a accesa Internetul direct de pe telefonul mobil, conectați serviciul WAP ( Protocolul de aplicație fără fir).În același timp, nu aveți nevoie de un computer pentru a lucra pe Internet, tot ce aveți nevoie este un telefon mobil care acceptă WAP. Multe site-uri de Internet au propriile versiuni WAP, optimizate special pentru accesul de pe telefoanele mobile. Utilizarea acestui serviciu va fi discutată mai detaliat mai jos.

Pentru accesul la Internet de mare viteză, se folosesc de obicei tehnologiile GPRS sau EDGE. GPRS ( Serviciul radio general de pachete) este o tehnologie de transmisie de date sub formă de pachete care vă permite să utilizați un telefon mobil pentru a primi și transmite informații la viteze mai mari în comparație cu canalul vocal standard GSM (9,6 kbit/s). Viteza maximă în GPRS este de 171,2 kbit/s. Puteți accesa Internetul de pe telefonul mobil utilizând tehnologia WAP, fie cu sau fără GPRS. MARGINE (. Rate de date îmbunătățite pentru GSM Evolution) este o continuare logică a GPRS, oferind viteze mai mari de transfer de date - până la 384 kbit/s. EDGE oferă utilizatorului aceleași servicii ca și GPRS. Tehnologia EDGE nu necesită setări suplimentare în zona de acoperire, telefonul mobil o va selecta automat.

Și din nou, ceva material educațional general. De data aceasta vom vorbi despre stațiile de bază. Să ne uităm la diferite aspecte tehnice ale plasării, designului și razei lor și, de asemenea, să ne uităm în interiorul unității de antenă în sine.

Stații de bază. Informații generale

Așa arată antenele celulare instalate pe acoperișurile clădirilor. Aceste antene sunt un element al unei stații de bază (BS) și în mod specific un dispozitiv pentru recepția și transmiterea unui semnal radio de la un abonat la altul și apoi printr-un amplificator către controlerul stației de bază și alte dispozitive. Fiind cea mai vizibilă parte a BS, acestea sunt instalate pe stâlpi de antenă, acoperișuri ale clădirilor rezidențiale și industriale și chiar pe coșuri. Astăzi puteți găsi mai multe opțiuni exotice pentru instalarea lor, în Rusia sunt deja instalate pe stâlpi de iluminat, iar în Egipt sunt chiar „deghizate” în palmieri.

Conectarea stației de bază la rețeaua operatorului de telecomunicații se poate face prin comunicație prin releu radio, astfel încât lângă antenele „dreptunghiulare” ale unităților BS puteți vedea o antenă de releu radio:

Odată cu trecerea la standarde mai moderne ale generațiilor a patra și a cincea, pentru a îndeplini cerințele acestora, stațiile vor trebui conectate exclusiv prin fibră optică. În modelele moderne BS, fibra optică devine un mediu integral pentru transmiterea informațiilor chiar și între noduri și blocuri ale BS în sine. De exemplu, figura de mai jos arată designul unei stații de bază moderne, unde cablul de fibră optică este utilizat pentru a transmite date de la antena RRU (unități controlate de la distanță) la stația de bază în sine (indicată în portocaliu).

Echipamentul stației de bază este amplasat în spații nerezidențiale ale clădirii sau instalat în containere specializate (atașate de pereți sau stâlpi), deoarece echipamentele moderne sunt destul de compacte și se pot încadra cu ușurință în unitatea de sistem a unui computer server. Adesea, modulul radio este instalat lângă unitatea de antenă, acest lucru ajută la reducerea pierderilor și disiparea puterii transmise către antenă. Așa arată cele trei module radio instalate ale echipamentului stației de bază Flexi Multiradio, montate direct pe catarg:

Zona de deservire a stației de bază

Pentru început, trebuie menționat că există diferite tipuri de stații de bază: macro, micro, pico și femtocelule. Să începem cu mici. Și, pe scurt, o femtocelulă nu este o stație de bază. Este mai degrabă un punct de acces. Acest echipament este destinat inițial unui utilizator de acasă sau de birou, iar proprietarul unui astfel de echipament este o entitate privată sau juridică. o altă persoană decât operatorul. Principala diferență între astfel de echipamente este că are o configurație complet automată, de la evaluarea parametrilor radio până la conectarea la rețeaua operatorului. Femtocell are dimensiunile unui router de acasă:

O picocelulă este un BS de putere redusă deținut de un operator și care utilizează IP/Ethernet ca rețea de transport. Instalat de obicei în locuri unde există o posibilă concentrare locală de utilizatori. Dispozitivul este comparabil ca dimensiune cu un laptop mic:

O microcelulă este o versiune aproximativă a implementării unei stații de bază într-o formă compactă, foarte comună în rețelele de operator. Se distinge de o stație de bază „mare” printr-o capacitate redusă susținută de abonat și o putere de radiație mai mică. Greutatea, de regulă, este de până la 50 kg, iar raza de acoperire radio este de până la 5 km. Această soluție este utilizată acolo unde nu sunt necesare capacități mari de rețea și putere sau acolo unde nu este posibilă instalarea unei stații mari:

Și, în sfârșit, o macrocelulă este o stație de bază standard pe baza căreia sunt construite rețelele mobile. Se caracterizează prin puteri de ordinul a 50 W și o rază de acoperire de până la 100 km (în limită). Greutatea suportului poate ajunge la 300 kg.

Aria de acoperire a fiecărui BS depinde de înălțimea secțiunii antenei, de teren și de numărul de obstacole pe drumul către abonat. La instalarea unei stații de bază, raza de acoperire nu este întotdeauna în prim-plan. Pe măsură ce baza de abonați crește, debitul maxim al BS poate să nu fie suficient, caz în care mesajul „rețea ocupată” apare pe ecranul telefonului. Apoi, în timp, operatorul din această zonă poate reduce în mod deliberat raza de acțiune a stației de bază și poate instala mai multe stații suplimentare în zonele cu cea mai mare sarcină.

Când trebuie să creșteți capacitatea rețelei și să reduceți sarcina pe stațiile de bază individuale, atunci microcelulele vin în ajutor. Într-un megaoraș, aria de acoperire radio a unei microcelule poate fi de numai 500 de metri.

Într-un mediu de oraș, destul de ciudat, există locuri în care operatorul trebuie să conecteze local o zonă cu mult trafic (zone de stație de metrou, străzi mari centrale etc.). În acest caz, se folosesc microcelule și picocelule de putere redusă, ale căror unități de antenă pot fi amplasate pe clădiri joase și pe stâlpi de iluminat stradal. Când se pune problema organizării unei acoperiri radio de înaltă calitate în interiorul clădirilor închise (centre comerciale și de afaceri, hipermarketuri etc.), atunci stațiile de bază picocell vin în ajutor.

În afara orașelor, gama de funcționare a stațiilor de bază individuale iese în prim-plan, astfel încât instalarea fiecărei stații de bază departe de oraș devine o întreprindere din ce în ce mai costisitoare din cauza necesității de a construi linii electrice, drumuri și turnuri în condiții climatice și tehnologice dificile. . Pentru a crește aria de acoperire, este recomandabil să instalați BS pe catarge mai înalte, să utilizați emițători cu sector direcțional și frecvențe inferioare care sunt mai puțin susceptibile la atenuare.

Deci, de exemplu, în banda de 1800 MHz, raza de acțiune a BS nu depășește 6-7 kilometri, iar în cazul utilizării benzii de 900 MHz, aria de acoperire poate ajunge la 32 de kilometri, toate celelalte fiind egale.

Antene pentru stații de bază. Să aruncăm o privire înăuntru

În comunicațiile celulare, cel mai des sunt utilizate antene cu panouri sectoriale, care au un model de radiație cu o lățime de 120, 90, 60 și 30 de grade. În consecință, pentru a organiza comunicarea în toate direcțiile (de la 0 la 360), 3 (lățimea modelului 120 grade) sau 6 (lățimea modelului 60 grade) pot fi necesare unități de antenă. Un exemplu de organizare a acoperirii uniforme în toate direcțiile este prezentat în figura de mai jos:

Iar mai jos este o vedere a modelelor tipice de radiații pe o scară logaritmică.

Majoritatea antenelor stațiilor de bază sunt în bandă largă, permițând funcționarea în una, două sau trei benzi de frecvență. Începând cu rețelele UMTS, spre deosebire de GSM, antenele stației de bază sunt capabile să modifice aria de acoperire radio în funcție de sarcina rețelei. Una dintre cele mai eficiente metode de control al puterii radiate este controlul unghiului antenei, în acest fel aria de iradiere a modelului de radiație se modifică.

Antenele pot avea un unghi de înclinare fix sau pot fi reglate de la distanță folosind un software special situat în unitatea de control BS și schimbătoare de fază încorporate. Există și soluții care vă permit să schimbați zona de serviciu din sistemul general de gestionare a rețelei de date. În acest fel, este posibilă reglarea zonei de serviciu a întregului sector al stației de bază.

Antenele stației de bază utilizează atât controlul mecanic, cât și electric al modelului. Controlul mecanic este mai ușor de implementat, dar duce adesea la denaturarea modelului de radiație datorită influenței pieselor structurale. Majoritatea antenelor BS au un sistem electric de reglare a unghiului de înclinare.

O unitate de antenă modernă este un grup de elemente radiante ale unei rețele de antene. Distanța dintre elementele matricei este selectată astfel încât să se obțină cel mai scăzut nivel al lobilor laterali ai diagramei de radiație. Cele mai comune lungimi ale antenei de panou sunt de la 0,7 la 2,6 metri (pentru panourile de antenă cu mai multe benzi). Câștigul variază de la 12 la 20 dBi.

Figura de mai jos (stânga) arată designul unuia dintre cele mai comune (dar deja învechite) panouri de antenă.

Aici, emițătorii panoului de antenă sunt vibratoare electrice simetrice cu jumătate de undă deasupra ecranului conductor, situate la un unghi de 45 de grade. Acest design vă permite să creați o diagramă cu o lățime a lobului principal de 65 sau 90 de grade. În acest design, sunt produse unități de antenă duală și chiar tri-bandă (deși destul de mari). De exemplu, un panou de antenă tri-bandă de acest design (900, 1800, 2100 MHz) diferă de unul cu o singură bandă, fiind aproximativ de două ori mai mare ca dimensiune și greutate, ceea ce, desigur, îl face dificil de întreținut.

O tehnologie de fabricație alternativă pentru astfel de antene presupune realizarea radiatoarelor de antene în bandă (plăci metalice în formă de pătrat), în figura de mai sus din dreapta.

Și iată o altă opțiune, atunci când vibratoarele magnetice cu slot de jumătate de undă sunt folosite ca radiator. Linia de alimentare, sloturile și ecranul sunt realizate pe o singură placă de circuit imprimat cu folie cu două fețe din fibră de sticlă:

Ținând cont de realitățile moderne ale dezvoltării tehnologiilor wireless, stațiile de bază trebuie să suporte rețele 2G, 3G și LTE. Și dacă unitățile de control ale stațiilor de bază ale rețelelor de diferite generații pot fi plasate într-un singur dulap de comutație fără a crește dimensiunea totală, atunci apar dificultăți semnificative cu partea de antenă.

De exemplu, în panourile de antenă cu mai multe benzi numărul de linii de conectare coaxiale ajunge la 100 de metri! O astfel de lungime semnificativă a cablului și numărul de conexiuni lipite duce inevitabil la pierderi de linie și la o scădere a câștigului:

Pentru a reduce pierderile electrice și a reduce punctele de lipire, se realizează adesea linii microstrip, acest lucru face posibilă crearea dipolilor și a sistemului de alimentare pentru întreaga antenă folosind o singură tehnologie imprimată. Această tehnologie este ușor de fabricat și asigură o repetabilitate ridicată a caracteristicilor antenei în timpul producției în serie.

Antene multibanda

Odată cu dezvoltarea rețelelor de comunicații de generația a treia și a patra, este necesară modernizarea părții de antenă atât a stațiilor de bază, cât și a telefoanelor mobile. Antenele trebuie să funcționeze în benzi suplimentare noi care depășesc 2,2 GHz. Mai mult, lucrul în două și chiar trei intervale trebuie efectuate simultan. Ca urmare, partea de antenă include circuite electromecanice destul de complexe, care trebuie să asigure buna funcționare în condiții climatice dificile.

Ca exemplu, luați în considerare proiectarea emițătorilor unei antene cu bandă duală a unei stații de bază de comunicații celulare Powerwave care operează în intervalele 824-960 MHz și 1710-2170 MHz. Aspectul său este prezentat în figura de mai jos:

Acest iradiator cu bandă dublă este format din două plăci metalice. Cel mai mare operează în intervalul inferior de 900 MHz deasupra ei este o placă cu un emițător cu slot mai mic. Ambele antene sunt excitate de emițători slot și au astfel o singură linie de alimentare.

Dacă antene dipol sunt folosite ca emițători, atunci este necesar să instalați un dipol separat pentru fiecare gamă de undă. Dipolii individuali trebuie să aibă propria linie de alimentare, ceea ce, desigur, reduce fiabilitatea generală a sistemului și crește consumul de energie. Un exemplu de astfel de design este antena Kathrein pentru aceeași gamă de frecvență așa cum sa discutat mai sus:

Astfel, dipolii pentru gama de frecvență inferioară sunt, parcă, în interiorul dipolilor din gama superioară.

Pentru a implementa moduri de operare cu trei (sau mai multe) benzi, antenele multistrat tipărite au cea mai mare eficacitate tehnologică. În astfel de antene, fiecare strat nou funcționează într-un interval de frecvență destul de îngust. Acest design „cu mai multe etaje” este realizat din antene imprimate cu emițători individuali, fiecare antenă este reglată la frecvențe individuale în domeniul de operare. Designul este ilustrat în figura de mai jos:

Ca și în orice alte antene cu mai multe elemente, în acest design există interacțiune între elementele care funcționează în diferite game de frecvență. Desigur, această interacțiune afectează directivitatea și potrivirea antenelor, dar această interacțiune poate fi eliminată prin metodele utilizate în antenele phased array (phased array antenne). De exemplu, una dintre cele mai eficiente metode este modificarea parametrilor de proiectare ai elementelor prin deplasarea dispozitivului excitant, precum și modificarea dimensiunilor alimentului în sine și a grosimii stratului de separare dielectric.

Un punct important este că toate tehnologiile wireless moderne sunt în bandă largă, iar lățimea de bandă a frecvenței de operare este de cel puțin 0,2 GHz. Antenele bazate pe structuri complementare, un exemplu tipic al cărora sunt antenele „papion”, au o bandă largă de frecvență de operare. Coordonarea unei astfel de antene cu linia de transmisie se realizează prin selectarea punctului de excitare și optimizarea configurației acestuia. Pentru a extinde banda de frecvență de funcționare, prin acord, „fluturele” este suplimentat cu o impedanță de intrare capacitivă.

Modelarea și calculul unor astfel de antene se realizează în pachete software specializate CAD. Programele moderne vă permit să simulați o antenă într-o carcasă translucidă în prezența influenței diferitelor elemente structurale ale sistemului de antenă și, prin urmare, vă permit să efectuați o analiză inginerească destul de precisă.

Proiectarea unei antene multi-bandă se realizează în etape. În primul rând, o antenă tipărită cu microbandă cu o lățime de bandă largă este calculată și proiectată pentru fiecare domeniu de frecvență de operare separat. În continuare, se combină antenele tipărite de diferite game (suprapunându-se) și se examinează funcționarea lor comună, eliminând, dacă este posibil, cauzele influenței reciproce.

O antenă tip fluture de bandă largă poate fi folosită cu succes ca bază pentru o antenă tipărită tri-bandă. Figura de mai jos prezintă patru opțiuni de configurare diferite.

Modelele de antenă de mai sus diferă în ceea ce privește forma elementului reactiv, care este utilizat pentru a extinde banda de frecvență de operare prin acord. Fiecare strat al unei astfel de antene tri-bandă este un emițător microbandă de dimensiuni geometrice specificate. Cu cât frecvențele sunt mai mici, cu atât dimensiunea relativă a unui astfel de emițător este mai mare. Fiecare strat al plăcii de circuit imprimat este separat de celălalt printr-un dielectric. Designul de mai sus poate funcționa în banda GSM 1900 (1850-1990 MHz) - acceptă stratul inferior; WiMAX (2,5 - 2,69 GHz) - primește stratul de mijloc; WiMAX (3,3 - 3,5 GHz) - primește stratul superior. Acest design al sistemului de antenă va face posibilă primirea și transmiterea semnalelor radio fără utilizarea de echipamente active suplimentare, fără a crește astfel dimensiunile totale ale unității de antenă.

Și în concluzie, puțin despre pericolele BS

Uneori, stațiile de bază ale operatorilor celulari sunt instalate direct pe acoperișurile clădirilor rezidențiale, ceea ce demoralizează de fapt unii dintre locuitorii acestora. Proprietarii de apartamente nu mai au pisici, iar părul gri începe să apară mai repede pe capul bunicii. Între timp, locuitorii acestei case nu primesc aproape niciun câmp electromagnetic de la stația de bază instalată, deoarece stația de bază nu radiază „în jos”. Și, apropo, standardele SaNPiN pentru radiațiile electromagnetice din Federația Rusă sunt cu un ordin de mărime mai mici decât în ​​țările occidentale „dezvoltate”, și, prin urmare, stațiile de bază din oraș nu funcționează niciodată la capacitate maximă. Astfel, nu este rău de la BS, decât dacă faci plajă pe acoperiș la câțiva metri distanță de ei. Adesea, o duzină de puncte de acces instalate în apartamentele rezidenților, precum și cuptoarele cu microunde și telefoanele mobile (apasate la cap) au un impact mult mai mare asupra ta decât o stație de bază instalată la 100 de metri în afara clădirii.

conexiune mobilă- aceasta este comunicarea radio între abonați, locația unuia sau mai multor dintre acestea se modifică. Un tip de comunicare mobilă este comunicarea celulară.

celular- unul dintre tipurile de comunicații radio, care se bazează pe o rețea celulară. Caracteristica cheie: Suprafața totală de acoperire este împărțită în celule determinate de zonele de acoperire stații de bază. Celulele se suprapun și formează împreună o rețea. Pe o suprafață ideală, aria de acoperire a unei stații de bază este un cerc, astfel încât rețeaua formată din ele arată ca celule cu celule hexagonale.

Principiul de funcționare al comunicației celulare

Deci, mai întâi, să vedem cum se efectuează un apel pe un telefon mobil. Imediat ce utilizatorul formează un număr, receptorul (HS - Hand Set) începe să caute cea mai apropiată stație de bază (BS - Base Station) - transceiver-ul, echipamentul de control și comunicație care alcătuiește rețeaua. Este format dintr-un controler al stației de bază (BSC - Base Station Controller) și mai multe repetoare (BTS - Base Transceiver Station). Stațiile de bază sunt controlate de un centru de comutare mobil (MSC - Mobile Service Center). Datorită structurii celulare, repetoarele acoperă zona cu o zonă de recepție fiabilă pe unul sau mai multe canale radio cu un canal de serviciu suplimentar prin care are loc sincronizarea. Mai exact, protocolul de schimb între dispozitiv și stația de bază este convenit prin analogie cu procedura de sincronizare a modemului (handshacking), în timpul căreia dispozitivele convin asupra vitezei de transmisie, canalului etc. Când dispozitivul mobil găsește o stație de bază și are loc sincronizarea, controlerul stației de bază formează o legătură full-duplex la centrul de comutare mobil prin intermediul rețelei fixe. Centrul transmite informații despre terminalul mobil către patru registre: Registrul Stratului Vizitator (VLR), Stratul Registrului Home (HRL) și Registrul Abonatului sau Autentificarea (AUC și registrul de identificare a echipamentului (EIR - Registrul de identificare a echipamentului). Aceste informații sunt unice și se află în cutia de plastic pentru abonament. Telecard sau modul microelectronic (SIM - Subscriber Identity Module), care este folosit pentru a verifica eligibilitatea și tarifarea abonatului. Spre deosebire de telefoanele fixe, pentru utilizarea cărora ești taxat în funcție de sarcina (numărul de canale ocupate) care vine printr-o linie fixă ​​de abonat, taxa pentru utilizarea comunicațiilor mobile nu se percepe de la telefonul pe care îl folosești, ci de pe cartela SIM. , care poate fi introdus în orice aparat.

Cardul nu este altceva decât un cip flash obișnuit, realizat folosind tehnologia smart (SmartVoltage) și având interfața externă necesară. Poate fi folosit în orice dispozitiv, iar principalul lucru este că tensiunea de funcționare se potrivește: versiunile timpurii foloseau o interfață de 5,5 V, în timp ce cardurile moderne au de obicei 3,3 V. Informațiile sunt stocate în standardul unui identificator internațional unic de abonat (IMSI - International Mobile Subscriber Identification), ceea ce elimină posibilitatea „dublelor” - chiar dacă codul cardului este selectat accidental, sistemul va exclude automat SIM-ul fals și nu va trebui să plătiți ulterior apelurile altor persoane. La dezvoltarea standardului de protocol de comunicare celulară, acest punct a fost inițial luat în considerare, iar acum fiecare abonat are propriul său număr de identificare unic și unic din lume, codificat în timpul transmisiei cu o cheie de 64 de biți. În plus, prin analogie cu scramblerele concepute pentru a cripta/decripta conversațiile în telefonia analogică, codarea pe 56 de biți este utilizată în comunicațiile celulare.

Pe baza acestor date, se formează ideea sistemului despre utilizatorul mobil (locația acestuia, starea în rețea etc.) și are loc conexiunea. Dacă în timpul unei conversații un utilizator mobil se mută din zona de acoperire a unui repetor în zona de acoperire a altuia, sau chiar între zonele de acoperire ale diferitelor controlere, conexiunea nu este întreruptă sau deteriorată, deoarece sistemul selectează automat stație de bază cu care conexiunea este mai bună. În funcție de încărcarea canalului, telefonul selectează între o rețea de 900 și 1800 MHz, iar comutarea este posibilă chiar și în timpul unei conversații, complet neobservată de difuzor.

Un apel de la o rețea de telefonie obișnuită către un utilizator mobil se efectuează în ordine inversă: mai întâi, locația și starea abonatului sunt determinate pe baza datelor actualizate constant din registre, apoi conexiunea și comunicarea sunt menținute.

Sistemele de comunicații radio mobile sunt construite conform unei scheme punct-multipunct, deoarece abonatul poate fi localizat în orice punct al celulei controlate de stația de bază. În cel mai simplu caz de transmisie circulară, puterea unui semnal radio în spațiul liber scade teoretic invers proporțional cu pătratul distanței. Cu toate acestea, în practică, semnalul se atenuează mult mai repede - în cel mai bun caz, proporțional cu cubul distanței, deoarece energia semnalului poate fi absorbită sau redusă de diferite obstacole fizice, iar natura unor astfel de procese depinde puternic de frecvența de transmisie. . Când puterea scade cu un ordin de mărime, aria acoperită a celulei scade cu două ordine de mărime.

"FIZIOLOGIE"

Cele mai importante motive pentru creșterea atenuării semnalului sunt zonele de umbră create de clădiri sau cote naturale din zonă. Studiile privind condițiile de utilizare a comunicațiilor radio mobile în orașe au arătat că, chiar și la distanțe foarte apropiate, zonele de umbră asigură o atenuare de până la 20 dB. O altă cauză importantă a atenuării este frunzișul copacilor. De exemplu, la o frecvență de 836 MHz vara, când copacii sunt acoperiți cu frunze, nivelul semnalului recepționat este cu aproximativ 10 dB mai scăzut decât în ​​același loc iarna, când nu sunt frunze. Decolorarea semnalelor din zonele de umbră este uneori numită lentă în ceea ce privește condițiile pentru recepția lor în mișcare la traversarea unei astfel de zone.

Un fenomen important care trebuie luat în considerare la crearea sistemelor de comunicații radio mobile celulare este reflectarea undelor radio și, în consecință, propagarea lor pe mai multe căi. Pe de o parte, acest fenomen este util, deoarece permite undelor radio să se îndoaie în jurul obstacolelor și să se propagă în spatele clădirilor, în garaje subterane și tuneluri. Dar, pe de altă parte, propagarea pe mai multe căi dă naștere unor probleme atât de dificile pentru comunicațiile radio, cum ar fi întârzierea extinsă a semnalului, decolorarea Rayleigh și agravarea efectului Doppler.

Întinderea întârzierii semnalului are loc datorită faptului că un semnal care trece de-a lungul mai multor căi independente de lungimi diferite este primit de mai multe ori. Prin urmare, un impuls repetat poate depăși intervalul de timp alocat și poate distorsiona următorul caracter. Distorsiunea cauzată de întârzierea extinsă se numește interferență intersimbol. La distanțe scurte, întârzierea extinsă nu este periculoasă, dar dacă celula este înconjurată de munți, întârzierea se poate extinde pentru multe microsecunde (uneori 50-100 μs).

Decolorarea Rayleigh este cauzată de fazele aleatorii cu care sosesc semnalele reflectate. Dacă, de exemplu, semnalele directe și reflectate sunt recepționate în antifază (cu o schimbare de fază de 180°), atunci semnalul total poate fi atenuat aproape la zero. Fading-ul Rayleigh pentru un anumit transmițător și o anumită frecvență este ceva asemănător „căderilor” de amplitudine care au adâncimi diferite și sunt distribuite aleatoriu. În acest caz, cu un receptor staționar, decolorarea poate fi evitată prin simpla mișcare a antenei. Când un vehicul se mișcă, mii de astfel de „scăderi” au loc în fiecare secundă, motiv pentru care estomparea rezultată se numește rapidă.

Efectul Doppler se manifestă atunci când receptorul se mișcă în raport cu transmițătorul și constă într-o modificare a frecvenței oscilației recepționate. Așa cum pasul unui tren sau mașină în mișcare pare puțin mai mare pentru un observator staționar pe măsură ce vehiculul se apropie și ușor mai scăzut pe măsură ce se îndepărtează, frecvența unei transmisii radio se schimbă pe măsură ce transceiver-ul se mișcă. Mai mult, cu propagarea semnalului cu mai multe căi, razele individuale pot produce o schimbare de frecvență într-o direcție sau alta în același timp. Ca urmare, datorită efectului Doppler, se obține modularea aleatorie a frecvenței semnalului transmis, la fel cum are loc modularea aleatorie a amplitudinii din cauza decolorării Rayleigh. Astfel, în general, propagarea pe mai multe căi creează mari dificultăți în organizarea comunicațiilor celulare, în special pentru abonații de telefonie mobilă, ceea ce este asociat cu estomparea lentă și rapidă a amplitudinii semnalului într-un receptor în mișcare. Aceste dificultăți au fost depășite cu ajutorul tehnologiei digitale, care a făcut posibilă crearea de noi metode de codare, modulare și egalizare a caracteristicilor canalului.

"ANATOMIE"

Transmiterea datelor se realizează prin canale radio. Rețeaua GSM operează în benzile de frecvență de 900 sau 1800 MHz. Mai precis, de exemplu, în cazul luării în considerare a benzii de 900 MHz, unitatea mobilă de abonat transmite pe una dintre frecvențele situate în intervalul 890-915 MHz și primește pe o frecvență situată în intervalul 935-960 MHz. Pentru alte frecvențe principiul este același, doar caracteristicile numerice se modifică.

Prin analogie cu canalele prin satelit, direcția de transmisie de la dispozitivul de abonat la stația de bază este numită în sus (Rise), iar direcția de la stația de bază la dispozitivul de abonat este numită în jos (cădere). Într-un canal duplex format din direcții de transmisie în amonte și în aval, frecvențele care diferă exact cu 45 MHz sunt utilizate pentru fiecare dintre aceste direcții. În fiecare dintre intervalele de frecvență de mai sus, sunt create 124 de canale radio (124 pentru recepție și 124 pentru transmiterea datelor, distanțate la 45 MHz) cu o lățime de 200 kHz fiecare. Acestor canale li se atribuie numere (N) de la 0 la 123. Apoi, frecvențele direcțiilor amonte (F R) și aval (F F) ale fiecărui canal pot fi calculate folosind formulele: F R (N) = 890+0,2N (MHz) , F F (N) = F R (N) + 45 (MHz).

Fiecare stație de bază poate fi prevăzută cu de la una la 16 frecvențe, iar numărul de frecvențe și puterea de transmisie sunt determinate în funcție de condițiile locale și de sarcină.

În fiecare dintre canalele de frecvență, căruia i se atribuie un număr (N) și care ocupă o bandă de 200 kHz, sunt organizate opt canale de diviziune în timp (canale de timp cu numere de la 0 la 7), sau opt intervale de canale.

Sistemul de divizare a frecvenței (FDMA) vă permite să obțineți 8 canale de 25 kHz, care, la rândul lor, sunt împărțite conform principiului sistemului de divizare în timp (TDMA) în alte 8 canale. GSM utilizează modulația GMSK și frecvența purtătorului se modifică de 217 ori pe secundă pentru a compensa posibila degradare a calității.

Când un abonat primește un canal, i se alocă nu numai un canal de frecvență, ci și unul dintre sloturile de canal specifice și trebuie să transmită într-un interval de timp strict alocat, fără a depăși acesta - altfel vor fi create interferențe pe alte canale. În conformitate cu cele de mai sus, emițătorul funcționează sub formă de impulsuri individuale, care apar într-un interval de canal strict desemnat: durata intervalului de canal este de 577 μs, iar durata întregului ciclu este de 4616 μs. Alocarea către abonat a doar unuia dintre cele opt intervale de canale permite ca procesul de transmisie și recepție să fie împărțit în timp prin deplasarea intervalelor de canale alocate emițătorilor dispozitivului mobil și stației de bază. Stația de bază (BS) transmite întotdeauna trei intervale de timp înainte de unitatea mobilă (HS).

Cerințele pentru caracteristicile unui impuls standard sunt descrise sub forma unui model normativ de modificări ale puterii radiației în timp. Procesele de pornire și oprire a pulsului, care sunt însoțite de o modificare a puterii cu 70 dB, trebuie să se încadreze într-o perioadă de timp de numai 28 μs, iar timpul de lucru în care se transmit 147 de biți binari este de 542,8 μs. Valorile puterii de transmisie indicate în tabelul anterior se referă în mod specific la puterea impulsului. Puterea medie a emițătorului se dovedește a fi de opt ori mai mică, deoarece emițătorul nu radiază 7/8 din timp.

Să luăm în considerare formatul unui puls standard normal. Arată că nu toți biții transportă informații utile: aici, în mijlocul pulsului, există o secvență de antrenament de 26 de biți binari pentru a proteja semnalul de interferența cu mai multe căi. Aceasta este una dintre cele opt secvențe speciale, ușor de recunoscut, în care biții recepționați sunt poziționați corect în timp. O astfel de secvență este îngrădită cu pointeri pe un singur bit (PB - Point Bit), iar pe ambele părți ale acestei secvențe de antrenament există informații codificate utile sub forma a două blocuri de 57 de biți binari, îngrădite, la rândul lor, cu biți de limită ( BB - Border Bit) - 3 biți pe fiecare parte. Astfel, un impuls transportă 148 de biți de date, care ocupă un interval de timp de 546,12 µs. La acest timp se adaugă o perioadă egală cu 30,44 μs de timp de protecție (ST - Shield Time), timp în care emițătorul este „silențios”. Din punct de vedere al duratei, această perioadă corespunde timpului de transmisie de 8,25 biți, dar nu are loc nicio transmisie în acest moment.

Secvența de impulsuri formează un canal de transmisie fizic, care este caracterizat de un număr de frecvență și un număr de interval de canal de timp. Pe baza acestei secvențe de impulsuri se organizează o serie întreagă de canale logice, care diferă prin funcțiile lor. Pe lângă canalele care transmit informații utile, există și o serie de canale care transmit semnale de control. Implementarea unor astfel de canale și funcționarea lor necesită un management precis, care este implementat prin software.

Comunicarea se numește mobilă dacă sursa de informații sau destinatarul acesteia (sau ambele) se deplasează în spațiu. Comunicația radio a fost mobilă încă de la început. Mai sus, în al treilea capitol, se arată că primele posturi de radio au fost destinate comunicării cu obiecte în mișcare — nave. La urma urmei, unul dintre primele dispozitive de comunicație radio A.S. Popov a fost instalat pe cuirasatul Amiral Apraksin. Și datorită comunicării radio cu el, în iarna anilor 1899–1900, a fost posibil să salveze această navă, pierdută în gheața Mării Baltice. Cu toate acestea, în acei ani, această „comunicație mobilă” necesita dispozitive radio voluminoase, care nu au contribuit la dezvoltarea comunicațiilor radio individuale atât de necesare nici în Forțele Armate, ca să nu mai vorbim de clienții privați.

Pe 17 iunie 1946, în St. Louis, SUA, liderul afacerii de telefonie AT&T și Southwestern Bell au lansat prima rețea de radiotelefonie pentru clienții privați. Baza elementară a echipamentului era dispozitivele electronice cu tuburi, astfel încât echipamentul era foarte voluminos și era destinat doar instalării în mașini. Greutatea echipamentului fără surse de alimentare a fost de 40 kg. În ciuda acestui fapt, popularitatea comunicațiilor mobile a început să crească rapid. Acest lucru a creat o nouă problemă, mai serioasă decât indicatorii de greutate și dimensiune. O creștere a numărului de radiouri, cu o resursă de frecvență limitată, a dus la interferențe reciproce puternice pentru posturile de radio care operează pe canale apropiate ca frecvență, ceea ce a deteriorat semnificativ calitatea comunicației. Pentru a elimina interferența reciprocă la frecvențele care se repetă, a fost necesar să se asigure o distanță minimă de o sută de kilometri în spațiu între două grupuri de sisteme radio. De aceea, comunicațiile mobile au fost folosite în principal pentru nevoile serviciilor speciale. Pentru implementarea în masă, a fost necesar să se schimbe nu numai indicatorii de greutate și dimensiune, ci și principiul însuși al organizării comunicării.

După cum sa menționat mai sus, în 1947, a fost inventat un tranzistor care îndeplinește funcțiile tuburilor vidate, dar are o dimensiune semnificativ mai mică. Apariția tranzistorilor a fost de mare importanță pentru dezvoltarea în continuare a comunicațiilor radiotelefonice. Înlocuirea tuburilor de vid cu tranzistori a creat premisele pentru introducerea pe scară largă a telefoanelor mobile. Principalul factor limitativ a fost principiul organizării comunicării, care ar elimina sau cel puțin reduce influența interferențelor reciproce.

Studiile domeniului undelor ultrascurte, efectuate în anii 40 ai secolului trecut, au relevat principalul său avantaj față de undele scurte - gamă largă, adică capacitate mare de frecvență și principalul dezavantaj - absorbția puternică a undelor radio de către mediul de propagare. Undele radio din acest interval nu sunt capabile să se îndoaie în jurul suprafeței pământului, astfel încât raza de comunicare a fost asigurată doar pe linia de vedere și, în funcție de puterea emițătorului, a fost asigurat un maxim de 40 km. Acest dezavantaj s-a transformat curând într-un avantaj, care a dat impuls introducerii active în masă a comunicațiilor prin telefon celular.

În 1947, un angajat al companiei americane Bell Laboratories D. Ring a propus o nouă idee de organizare a comunicațiilor. Acesta a constat în împărțirea spațiului (teritoriul) în zone mici - celule (sau celule) cu o rază de 1–5 kilometri și separarea comunicațiilor radio într-o singură celulă (prin repetarea rațională a frecvențelor de comunicare utilizate) de comunicațiile dintre celule. Repetarea frecvenței a redus semnificativ problemele de utilizare a resurselor de frecvență. Acest lucru a făcut posibilă utilizarea acelorași frecvențe în celule diferite distribuite în spațiu. În centrul fiecărei celule s-a propus amplasarea unei stații radio de recepție și transmisie de bază, care să asigure comunicații radio în interiorul celulei cu toți abonații. Mărimea celulei a fost determinată de raza maximă de comunicare a dispozitivului radiotelefonic cu stația de bază. Acest interval maxim se numește raza celulei. În timpul unei conversații, radiotelefonul celular este conectat la stația de bază printr-un canal radio prin care este transmisă conversația telefonică. Fiecare abonat trebuie să aibă propria sa stație de microradio - un „telefon mobil” - o combinație între un telefon, un transceiver și un mini-computer. Abonații comunică între ei prin stații de bază, care sunt conectate între ele și la rețeaua publică de telefonie.

Pentru a asigura o comunicare neîntreruptă atunci când un abonat se deplasează dintr-o zonă în alta, a fost necesar să se utilizeze controlul computerizat asupra semnalului telefonic emis de abonat. Controlul computerului a făcut posibilă comutarea unui telefon mobil de la un transmițător intermediar la altul în doar o miime de secundă. Totul se întâmplă atât de repede încât abonatul pur și simplu nu-l observă. Astfel, partea centrală a sistemului de comunicații mobile sunt computerele. Găsesc un abonat situat în oricare dintre celule și îl conectează la rețeaua de telefonie. Când un abonat se mută de la o celulă (celulă) la alta, computerele par să transfere abonatul de la o stație de bază la alta și conectează abonatul rețelei celulare „străine” la rețeaua „lor”. Acest lucru se întâmplă în momentul în care abonatul „străin” se află în zona de acoperire a noii stații de bază. Astfel, se realizează roaming (care în engleză înseamnă „rătăcire” sau „rătăcire”).

După cum sa menționat mai sus, principiile comunicațiilor mobile moderne au fost o realizare deja la sfârșitul anilor '40. Cu toate acestea, în acele vremuri, tehnologia informatică era încă la un asemenea nivel încât utilizarea sa comercială în sistemele de comunicații telefonice era dificilă. Prin urmare, utilizarea practică a comunicațiilor celulare a devenit posibilă numai după inventarea microprocesoarelor și a cipurilor semiconductoare integrate.

Primul telefon mobil, un prototip al unui dispozitiv modern, a fost proiectat de Martin Cooper (Motorola, SUA).

În 1973, la New York, deasupra unei clădiri de 50 de etaje, Motorola a instalat sub conducerea sa prima stație de bază de comunicații celulare din lume. Acesta ar putea deservi nu mai mult de 30 de abonați și îi poate conecta la linii fixe.

Pe 3 aprilie 1973, Martin Cooper a sunat șeful său și a spus următoarele cuvinte: „Imaginați-vă, Joel, că vă sun de pe primul telefon mobil din lume. O am în mâini și merg pe o stradă din New York.”

Telefonul de la care suna Martin se numea Dyna-Tac. Dimensiunile sale erau de 225x125x375 mm, iar greutatea sa nu depășește 1,15 kg, ceea ce este însă mult mai mic decât dispozitivele de 30 de kilograme de la sfârșitul anilor patruzeci. Folosind dispozitivul, a fost posibil să efectuați apeluri și să primiți semnale și să negociați cu abonatul. Acest telefon avea 12 taste, dintre care 10 digitale pentru formarea numărului abonatului, iar celelalte două asigurau începerea unei conversații și întrerupeau apelul. Bateriile Dyna-Tac au permis timp de convorbire aproximativ o jumătate de oră și au necesitat 10 ore pentru încărcare.

Deși o mare parte a dezvoltării a avut loc în Statele Unite, prima rețea celulară comercială a fost lansată în mai 1978 în Bahrain. Două celule cu 20 de canale în banda de 400 MHz au deservit 250 de abonați.

Puțin mai târziu, comunicațiile celulare și-au început marșul triumfal în întreaga lume. Tot mai multe țări și-au dat seama de beneficiile și comoditatea pe care le-ar putea aduce. Cu toate acestea, lipsa unui standard internațional unificat pentru utilizarea intervalului de frecvență a dus în cele din urmă la faptul că proprietarul unui telefon mobil, trecând dintr-un stat în altul, nu putea folosi telefonul mobil.

Pentru a elimina acest principal neajuns, de la sfârșitul anilor șaptezeci, Suedia, Finlanda, Islanda, Danemarca și Norvegia au început cercetări comune pentru a dezvolta un standard unic. Rezultatul cercetării a fost standardul de comunicații NMT-450 (Nordic Mobile Telephone), care trebuia să funcționeze în intervalul de 450 MHz. Acest standard a început să fie utilizat pentru prima dată în 1981 în Arabia Saudită și doar o lună mai târziu în Europa. Diverse variante ale NMT-450 au fost adoptate în Austria, Elveția, Olanda, Belgia, Asia de Sud-Est și Orientul Mijlociu.

În 1983, la Chicago a fost lansată o rețea a standardului AMPS (Advanced Mobile Phone Service), care a fost dezvoltată de Bell Laboratories. În 1985, în Anglia, a fost adoptat standardul TACS (Total Access Communications System), care era o variație a AMPS american. Doi ani mai târziu, din cauza creșterii semnificative a numărului de abonați, a fost adoptat standardul HTACS (Enhanced TACS), adăugând noi frecvențe și corectând parțial deficiențele predecesorului său. Franța s-a separat de toți ceilalți și a început să folosească propriul său standard Radiocom-2000 în 1985.

Următorul standard a fost NMT-900, folosind frecvențe din gama de 900 MHz. Noua versiune a intrat în uz în 1986. A permis creșterea numărului de abonați și îmbunătățirea stabilității sistemului.

Cu toate acestea, toate aceste standarde sunt analogice și aparțin primei generații de sisteme de comunicații celulare. Ei folosesc o metodă analogică de transmitere a informațiilor folosind modulația de frecvență (FM) sau de fază (FM) - ca în stațiile de radio convenționale. Această metodă prezintă o serie de dezavantaje semnificative, principalele fiind capacitatea de a asculta conversațiile altor abonați și incapacitatea de a combate decolorarea semnalului atunci când abonatul se mișcă, precum și sub influența terenului și clădirilor. Benzile de frecvență supraîncărcate au cauzat interferențe în timpul conversațiilor. Prin urmare, până la sfârșitul anilor 1980, a început crearea celei de-a doua generații de sisteme de comunicații celulare, bazate pe metode de procesare a semnalului digital.

Anterior, în 1982, Conferința Europeană a Administrațiilor Poștale și Telecomunicațiilor (CEPT), care reunește 26 de țări, a decis să creeze un grup special Groupe Special Mobile. Scopul său a fost să dezvolte un standard european unic pentru comunicațiile celulare digitale. Noul standard de comunicare a fost dezvoltat pe parcursul a opt ani și a fost anunțat pentru prima dată abia în 1990 - apoi au fost propuse specificațiile standard. Grupul special a decis inițial să folosească banda de 900 MHz ca un singur standard, iar apoi, ținând cont de perspectivele de dezvoltare a comunicațiilor celulare în Europa și în întreaga lume, s-a decis alocarea benzii de 1800 MHz pentru noul standard. .

Noul standard se numește GSM – Global System for Mobile Communications. GSM 1800 MHz se mai numește și DCS-1800 (Digital Cellular System 1800). Standardul GSM este un standard de comunicații celulare digitale. Implementează divizarea în timp a canalelor (TDMA - time division multiple access, criptarea mesajelor, codificarea blocurilor, precum și modularea GMSK) (Gauss Minimum Shift Keying).

Prima țară care a lansat rețeaua GSM este Finlanda, care a lansat acest standard în exploatare comercială în 1992. În anul următor, prima rețea DCS-1800 One-2-One a intrat în funcțiune în Marea Britanie. Din acest moment începe răspândirea globală a standardului GSM în întreaga lume.

Următorul pas după GSM este standardul CDMA, care oferă comunicații mai rapide și mai fiabile prin utilizarea canalelor de divizare a codului. Acest standard a început să apară în Statele Unite în 1990. În 1993, CDMA (sau IS-95) a început să fie utilizat în intervalul de frecvență de 800 MHz în Statele Unite. În același timp, rețeaua DCS-1800 One-2-One a început să funcționeze în Anglia.

În general, existau multe standarde de comunicare, iar la mijlocul anilor nouăzeci, majoritatea țărilor civilizate treceau fără probleme la specificațiile digitale. Dacă rețelele de prima generație au permis transmiterea doar a vocii, atunci a doua generație de sisteme de comunicații celulare, care este GSM, permite furnizarea altor servicii non-voice. Pe lângă serviciul SMS, primele telefoane GSM au făcut posibilă transmiterea altor date non-voice. În acest scop, a fost dezvoltat un protocol de transfer de date, denumit CSD (Circuit Switched Data - transfer de date peste linii comutate). Cu toate acestea, acest standard avea caracteristici foarte modeste - rata maximă de transfer de date a fost de numai 9600 de biți pe secundă și apoi numai în condițiile unei comunicări stabile. Cu toate acestea, astfel de viteze erau destul de suficiente pentru transmiterea unui mesaj fax.

Dezvoltarea rapidă a Internetului la sfârșitul anilor 90 a dus la faptul că mulți utilizatori de telefonie mobilă doreau să-și folosească telefoanele ca modemuri, iar vitezele existente nu erau în mod clar suficiente pentru aceasta.
Pentru a satisface cumva nevoile clienților lor de acces la Internet, inginerii inventează protocolul WAP. WAP este o abreviere pentru Wireless Application Protocol, care se traduce prin Wireless Application Protocol. În principiu, WAP poate fi numită o versiune simplificată a protocolului standard de Internet HTTP, adaptată doar la resursele limitate ale telefoanelor mobile, precum dimensiunile mici ale afișajului, performanța scăzută a procesoarelor de telefonie și ratele scăzute de transfer de date în rețelele mobile. Cu toate acestea, acest protocol nu permitea vizualizarea paginilor standard de Internet, acestea trebuiau scrise în WML, care a fost adaptat pentru telefoane mobile. Drept urmare, deși abonații rețelelor celulare au primit acces la Internet, acesta s-a dovedit a fi foarte „dezbrăcat” și neinteresant. În plus, pentru a accesa site-urile WAP s-a folosit același canal de comunicare ca și pentru transmisia vocală, adică în timp ce încărcați sau vizualizați o pagină, canalul de comunicare este ocupat și din contul dvs. personal sunt debitați aceiași bani ca în timpul conversației. . Drept urmare, o tehnologie destul de interesantă a fost practic îngropată de ceva timp și a fost folosită foarte rar de abonații rețelelor celulare ale diverșilor operatori.
Producătorii de echipamente celulare au fost nevoiți să caute urgent modalități de a crește vitezele de transfer de date și, ca urmare, a luat naștere tehnologia HSCSD (High-Speed ​​​​Circuit Switched Data), care a furnizat viteze destul de acceptabile de până la 43 de kilobiți pe secundă. Această tehnologie a fost populară în rândul unui anumit cerc de utilizatori. Dar totuși, această tehnologie nu a pierdut principalul dezavantaj al predecesorului său - datele erau încă transmise prin canalul vocal. Dezvoltatorii au trebuit din nou să se angajeze în cercetări minuțioase. Eforturile inginerilor nu au fost în zadar și destul de recent a apărut o tehnologie numită GPRS (General Packed Radio Services) - acest nume poate fi tradus ca un sistem de transmisie de date radio prin pachete. Această tehnologie folosește principiul separării canalelor pentru transmisia de voce și date. Ca urmare, abonatul nu plătește pentru durata conexiunii, ci doar pentru cantitatea de date transmise și primite. În plus, GPRS are un alt avantaj față de tehnologiile anterioare de date mobile - în timpul unei conexiuni GPRS, telefonul este încă capabil să primească apeluri și mesaje SMS. În acest moment, modelele moderne de telefoane de pe piață pun în pauză conexiunea GPRS la efectuarea unei conversații, care se reia automat când conversația se termină. Astfel de dispozitive sunt clasificate ca terminale GPRS de clasă B. Este planificat să producă terminale de clasă A care vă vor permite să descărcați simultan date și să conducă o conversație cu interlocutorul. Există, de asemenea, dispozitive speciale care sunt concepute doar pentru transmisia de date și se numesc modemuri GPRS sau terminale de clasă C Teoretic, GPRS este capabil să transmită date la o viteză de 115 kilobiți pe secundă, dar în acest moment majoritatea operatorilor de telecomunicații oferă un. canal de comunicare care vă permite să atingeți această viteză de până la 48 de kilobiți pe secundă. Acest lucru se datorează în primul rând echipamentului operatorilor înșiși și, drept consecință, lipsei de pe piață a telefoanelor mobile care să suporte viteze mai mari.

Odată cu apariția GPRS, protocolul WAP a fost din nou amintit, deoarece acum, prin noua tehnologie, accesul la pagini WAP de volum mic devine de multe ori mai ieftin decât în ​​zilele CSD și HSCSD. Mai mult, mulți operatori de telecomunicații oferă acces nelimitat la resursele rețelei WAP pentru o mică taxă lunară de abonament.
Odată cu apariția GPRS, rețelele celulare au încetat să mai fie numite rețele de a doua generație - 2G. În prezent ne aflăm în era 2.5G. Serviciile non-voice devin din ce în ce mai populare pe măsură ce telefonul mobil, computerul și internetul se unesc. Dezvoltatorii și operatorii ne oferă din ce în ce mai multe servicii suplimentare diferite.
Astfel, folosind capacitățile GPRS, a fost creat un nou format de transmisie a mesajelor, care s-a numit MMS (Multimedia Messaging Service), care, spre deosebire de SMS, vă permite să trimiteți nu doar text, ci și diverse informații multimedia de pe un telefon mobil, pt. de exemplu, înregistrări audio, fotografii și chiar clipuri video. Mai mult, un mesaj MMS poate fi transferat fie pe un alt telefon care acceptă acest format, fie către un cont de e-mail.
Puterea tot mai mare a procesoarelor de telefon vă permite acum să descărcați și să rulați diverse programe pe el. Limbajul Java2ME este cel mai des folosit pentru a le scrie. Proprietarii majorității telefoanelor moderne nu au acum nicio dificultăți să se conecteze la site-ul web al dezvoltatorilor de aplicații Java2ME și să descarce, de exemplu, un joc nou sau alt program necesar pe telefonul lor. De asemenea, nimeni nu va fi surprins de capacitatea de a conecta telefonul la un computer personal pentru a, folosind un software special, cel mai adesea furnizat împreună cu telefonul, să salveze sau să editeze o agendă sau un organizator pe un PC; în timp ce sunteți pe drum, folosind o combinație de telefon mobil + laptop, accesați Internetul complet și vizualizați-vă e-mailul. Cu toate acestea, nevoile noastre sunt în continuă creștere, volumul informațiilor transmise crește aproape zilnic. Și din ce în ce mai multe solicitări sunt puse pe telefoanele mobile, drept urmare resursele tehnologiilor actuale devin insuficiente pentru a satisface cerințele noastre tot mai mari.

Tocmai pentru a rezolva aceste solicitări sunt concepute rețelele 3G de generația a treia destul de recent create, în care transmisia de date domină asupra serviciilor de voce. 3G nu este un standard de comunicare, ci o denumire generală pentru toate rețelele celulare de mare viteză care vor crește și se dezvoltă deja dincolo de cele existente. Ratele uriașe de transfer de date vă permit să transferați imagini video de înaltă calitate direct pe telefon și să mențineți o conexiune constantă la Internet și rețelele locale. Utilizarea unor sisteme de securitate noi, îmbunătățite, face posibilă astăzi utilizarea unui telefon pentru diferite tranzacții financiare - un telefon mobil este destul de capabil să înlocuiască un card de credit.

Este destul de natural ca rețelele de generația a treia să nu devină etapa finală în dezvoltarea comunicațiilor celulare - așa cum se spune, progresul este inexorabil. Integrarea continuă a diferitelor tipuri de comunicații (celulare, satelit, televiziune etc.), apariția dispozitivelor hibride care includ un telefon mobil, PDA și o cameră video vor duce cu siguranță la apariția rețelelor 4G și 5G. Și chiar și scriitorii de science fiction din ziua de azi este puțin probabil să poată spune cum se va termina această dezvoltare evolutivă.

La nivel global, aproximativ 2 miliarde de telefoane mobile sunt utilizate în prezent, dintre care peste două treimi sunt conectate la standardul GSM. Al doilea cel mai popular este CDMA, în timp ce restul reprezintă standarde specifice utilizate în principal în Asia. Acum, în țările dezvoltate există o situație de „saturație”, când cererea încetează să crească.