Сотовая связь

В сотовых системах обслуживаемая территория делится на ячейки — их форма зависит от рельефа местности и условий распространения радиосигнала, но традиционно рассматриваются в виде шестиугольников, квадратов или окружностей (чаще всего — правильные шестиугольники). Каждой ячейке выделяется набор частот (f₁—f₆), соответствующих радиобазовым станциям. Одна и та же группа частот может использоваться и в других ячейках, однако не в соседних — чтобы избежать взаимных помех.

Рост пропускной способности в сетях сотового типа по сравнению с системами на одном передатчике возможен благодаря коммутационным системам мобильной связи, разработанным Амосом Джоэлом (Bell Labs)^[5]. Это позволяет нескольким абонентам одновременно использовать одну частоту в пределах зоны действия вышки с этим каналом; сеть автоматически распределяет вызовы между базовыми станциями. Аналогичные частоты можно многоразово применять в удалённых друг от друга ячейках. Для предотвращения помех между ячейками, использующими одну частоту, между ними должен быть буфер — минимум одна промежуточная ячейка (для систем с FDMA).

Простейший пример — диспетчерская таксомоторной службы: каждая радиостанция имеет переключатель каналов и выбирает частоту исходя из близости к той или иной вышке. Если сигнал пропал — водитель вручную включает другой канал. Общение ведётся поочерёдно, только по приглашению оператора; это пример TDMA.

Идея построения стандартной сети сотовой связи впервые была изложена 11 декабря 1947 года инженером Bell Labs Дугласом Х. Рингом (англ. Douglas H. Ring) в записке, посвящённой разработке телефонной системы для AT&T^[6].

Первая коммерческая сотовая сеть первого поколения (1G) была развернута в Японии компанией Nippon Telegraph and Telephone (NTT) в 1979 году, сначала в Токио. Массовое внедрение задержалось — первоначальной целью были исследования, а не получение прибыли^[7]. В 1981 году в Швеции и Норвегии была запущена сеть Nordic Mobile Telephone (NMT) — первая, покрывшая всю страну, позже расширилась на Финляндию и Данию. Оператором выступила государственная шведская компания Televerket (Швеция)^[7].

В сентябре 1981 года шведский предприниматель Ян Стенбек (англ. Jan Stenbeck) открыл компанию Comvik, впервые бросившую вызов монополии государственного телефонного оператора на рынке ЕС^[8]. По некоторым данным, Comvik первой в Европе запустила коммерческую автоматическую сеть раньше Televerket (октябрь 1981); после ряда конфликтов власти легализовали её работу, выдав лицензию^[9].

Технологии сотовой связи интенсивно разрабатывались в США с 1947 года — компания Bell System разворачивала опытные сети в Чикаго и Далласе, но запуск коммерческих услуг задержался до 1983 года, пока подразделение Illinois Bell не получило разрешение^[10].

В 1990 году компания Millicom заключила партнёрство с Comvik, создав Millicom International Cellular и начав внедрение 1G-сетей в Африке (Гана, бренд Mobitel, в 2006 году — переименование в Tigo)^[11].

В начале 1990-х годов началась массовая цифровизация сетей: МОП-транзисторы, появившиеся между 1955–1960 годами на Bell Labs^{[12][13][14][15][16]} (в вариациях LDMOS, RF CMOS и др.), внедрялись в схемы усилителей и радиомодулей^[17], что поспособствовало переходу отрасли на цифровые протоколы^[18]. Первый коммерческий цифровой стандарт (2G) запущен в 1991 году, что открыло конкуренцию между операторами и потеснило аналоговые сети.

Для различения сигналов от множества передатчиков применяются методы многоканального доступа — FDMA (используется в аналоговых и D-AMPS системах), TDMA (стандарт GSM) и CDMA (впервые применено для PCS, затем как основа 3G)^[2].

В FDMA каждому звонку назначается пара частот для передачи данных (одна на приём, другая на передачу), обеспечивая дуплексный режим. Для разговоров в системах AMPS выделялось до 666 пар каналов (по 333 на "A" и "B" операторов), позже расширено до 416 на оператора, но предельное количество вызовов всегда ограничено числом доступных радиоканалов.

В TDMA у каждого вызова свои временные окна для передачи-приёма в рамках общей несущей; для передачи используют цифровое кодирование и временное хранение-задержку сигнала, что может вносить некоторую, но допустимую для слуха задержку.

Идея CDMA основана на технологии спектрального расширения (военного происхождения), где разные разговоры кодируются уникальными кодами PN на широкополосном канале без разделения по времени или частотам. Такой режим требует сложной обработки сигналов, но лёг в основу большинства протоколов 3G.

Также применяются более современные методы мультиплексирования — MIMO (разновидность антенного разнообразия) и активное формирование луча, повышающее пространственную плотность каналов. Современный MIMO позволяет обслуживать намного большее число абонентов на одной вышке, чем традиционные варианты AMPS. Модуляция с увеличенным числом бит на символ (QAM) даёт большее число пользователей на мегагерц и выше скорость.

Ключевая особенность сотовой сети — возможность многократного использования одних и тех же частот (frequency reuse) для расширения покрытия и увеличения ёмкости. Соседние ячейки должны работать на разных частотах, но удалённые — на одних и тех же, если мощность сигнала не слишком велика^[2].

Ограничения reuse задают расстояние повтора и коэффициент повтора. Расстояние повтора D вычисляется:

${\displaystyle D=R{\sqrt {3N}}}$,

где R — радиус ячейки, N — число ячеек в кластере. Радиус ячеек бывает от 1 до 30 км, покрытия могут частично перекрываться.^[19].

Коэффициент повтора — это частота повторения одних и тех же частот внутри сети: равен 1/K, где K — число несовместимых ячеек в кластере. Стандартные значения: 1/3, 1/4, 1/7, 1/9, 1/12 (или соответственно 3, 4, 7, 9, 12 в других обозначениях)^[20].

Если на одной базовой станции размещается N секторных антенн (как правило, 3), то покрываемая область делится на сектора, и паттерн reuse записывается как N/K. Примеры паттернов: 3/7 (AMPS), 6/4 (NAMPS), 3/4 (GSM).

Если общий спектр B, то каждая ячейка использует часть полосы — B/K, а каждый сектор — B/NK.

В CDMA-системах благодаря спектральному расширению reuse-фактор может быть равен 1, то есть соседи в сети используют одни и те же частоты, а различаются по коду сигнала.

Современные стандарты (LTE и др. на базе OFDMA) тоже применяют reuse-фактор 1, но имеют развитые механизмы по координации ресурсов и ограничению межъячеечных помех (ICIC — inter-cell interference coordination)^[21].

Вышки сотовой связи часто используют направленные антенны для усиления сигнала в нужных направлениях (например, в зонах высокого трафика). В США FCC ограничивает мощность всенаправленных антенн вышек 100 ваттами, а для вышек с секторным покрытием разрешает мощность до 500 ватт эквивалентной излучения^[22].

Изначально вышки располагались в центре ячеек и были всенаправленными. Позже была предложена схема расположения пунктов передачи сигнала на стыке трёх шестиугольников: каждая вышка имеет три сектора с антеннами, охватывающими по 120°, каждая работает на своей частоте. Переназначение частот и секторальность повышают надёжность приёма сигнала^[23]. Номера каналов повторяются кратно числу секторов. В зоны с высоким спросом крупные ячейки разбивают на более мелкие^[24].

Секторальные антенны применяются также для усиления связи вдоль трасс, внутри спортивных комплексов и крупных зданий^[22].

В любой сотовой системе реализуется широковещание — механизм информирования сразу нескольких абонентов. Наиболее распространённое применение — организация передачи сообщений для установления индивидуального соединения между абонентом и базовой станцией (paging). Используются три процедуры: последовательная, параллельная и избирательная передача.

К примеру, в системах GSM, UMTS для оптимизации поиска сигнал передаётся не всем ячейкам, а только в выделенной группе (Location Area, или Routing Area — для передачи данных; в LTE — Tracking Area). Оповещения могут использоваться для передачи информации (пейджеры, CDMA, SMS, в UMTS — оптимизация задержек).

В 4G/LTE протокол оповещения (paging) инициируется MME при необходимости передачи данных пользователю (UE). Его типы: базовый, SGs_CS, SGs_PS и QCI 1–9.

В простых аналоговых системах водитель переключает канал вручную при переходе между зонами приёма. В сотовых сетях при переходе устройства из одной ячейки в другую частота и канал меняются автоматически — без разрыва соединения и участия оператора; этот процесс называется хендовер или handoff. Новая базовая станция назначает свободный канал — мобильное устройство автоматически переключается.

Протоколы и детали перехода между сотами различаются по стандартам (см. ниже).

Типовой пример сотовой сети — сеть мобильной (сотовой) телефонии, где мобильный телефон осуществляет соединение через ячеечную базовую станцию. Связь обеспечивается по радиоканалу.

Современные мобильные сети используют ячейки, поскольку радиочастотный ресурс ограничен и распределяется между вызовами программно. Мощность передатчиков сравнительно невелика, что позволяет многократно использовать диапазон с минимальными помехами.

Оператор мобильной связи проектирует сеть с учётом баланса покрытия и ёмкости: крупные регионы делятся на маленькие зоны (ячейки) с целью обеспечить надёжную связь и поддержать большое количество одновременно работающих устройств. Все базовые станции связаны с телефонными коммутаторами, а те — с общедоступной телефонной сетью.

В городах радиус одной ячейки — до 0,8 км; в сельских районах он может достигать 8 км и более. При хороших условиях сигнал может приниматься даже в 40 км от вышки, а для базовых сервисов — до 80 км (при плохом пропуске снижается число одновременных вызовов).

Почти все мобильные телефоны используют сотовые технологии: GSM, CDMA, AMPS (аналог). Термин «сотовый телефон» часто выступает синонимом мобильного; только спутниковый телефон работает напрямую с космическим аппаратом.

Цифровые стандарты мобильной связи включают: GSM, GPRS, cdmaOne, CDMA2000, EV-DO, EDGE, UMTS, DECT, D-AMPS (IS-136/TDMA), iDEN. В Европе и многих странах принят GSM, тогда как в США долгое время существовало несколько несовместимых протоколов^[25].

Простая схема включает:

• Сеть радиобазовых станций (base station subsystem)
• Систему коммутации для голосовых вызовов и SMS
• Сеть GPRS для мобильных данных
• Коммутируемая телефонная сеть общего пользования — выход в общедоступную сеть

Эта архитектура лежит в основе сети GSM. Сеть осуществляет управление мобильностью, регистрацию, установку вызова и хендовер.

Телефон связывается с сетью через RBS (Radio Base Station) на границе ячейки — далее с MSC. MSC соединяется с общественной сетью. Канал от телефона к RBS — uplink, обратно — downlink.

В сетях применяются различные схемы мультиплексирования: FDMA, TDMA, CDMA, SDMA.

Малые ячейки (англ. Small cells) — зоны покрытия меньшего радиуса, чем обычные базы:

• Микроячейка: до 2 км
• Пико-ячейка: до 200 м
• Фемтоячейка: около 10 м
• Аттоячейка: 1–4 м

При перемещении абонента между ячейками (во время вызова) устройство ищет новый канал и переходит на него без потери связи; сеть синхронизирует изменения.

В CDMA несколько телефонов используют один радиоканал, а разделение достигается за счёт кодирования. При движении по сети телефон одновременно подключается к нескольким секторам (soft handoff).

В IS-95 (CDMA) и старых аналоговых системах (например, NMT) непосредственно тестировать канал в процессе перехода невозможно — используются пилотные маяки и иные методы, переход сопровождается кратковременной потерей связи и возможным возвратом на прежний канал.

При отсутствии активного соединения устройство может самостоятельно перейти в зону другой ячейки и сообщить об этом базовой станции.

Частота определяет радиус покрытия: низкие частоты (450 МГц, NMT) лучше подходят для сельских районов, GSM 900 — для слабо застроенных городов, GSM 1800 (1,8 ГГц) — ограничивается стенами зданий, UMTS (2,1 ГГц) — близко к GSM 1800.

Чем выше частота, тем меньше зона покрытия, но выше пропускная способность — малые ячейки можно размещать очень близко друг к другу.

Зона покрытия ячейки также зависит от помех (особенно в CDMA-сетях): при росте фона передатчик увеличивает мощность, но при превышении порога связи канал становится нерабочим (эффект «дыхания ячейки»).

Оценку покрытия можно получить по картам операторов и независимых сервисов (например, OpenSignal, CellMapper).

Ретрансляторы применяются для расширения зоны покрытия — от потребительских до промышленных решений.

Пример зависимости зоны одной ячейки CDMA2000 от частоты:^[26]