Беспроводная связь. Конспект 1. История и принципы.

Новый курс для Академии я решил выбрать максимально близкий к моей специальности. Я много лет проработал в телекоммуникационных компаниях (пусть и не сотовых) и поэтому тема “беспроводная связь” (Wireless Communications for Everybody) мне должна быть понятна, со многими терминами я знаком из традиционной телефонии. Я буду рассказывать о сотовой связи для как можно более широкого круга читателей, поясняя и расширяя сказанное лекторами.

Данный курс читают учёные из Кореи. Вероятно, не надо говорить, сколь продвинута эта страна в передовых технологиях. Первый конспект рассказывает об общих принципах и истории возникновения сотовой связи. (половина первой недели курса)

Сотовая связь

У каждого из нас есть сотовые телефон. И в этом курсе лекторы описывают основные принципы работы этой аппаратуры. На смартфонах люди проводят время в играх, делятся своим видео, пересылают e-mail-ы, просто совершают звонки или обмениваются СМСками. Все эти возможности обеспечивают технологии мобильной (в России ещё называют подвижной) связи.

Насколько глубоко мы знаем технологию, на которой базируется работа сотовых телефонов? Думаю, большинство совсем ничего не знает. Полоса пропускания, соотношение сигнал/шум, сила принимаемого сигнала и т.д. и т.п. Все эти специальные термины, основные понятия сотовой связи, мало что говорят неискушенному читателю, но будут разобраны в дальнейших лекциях курса.

На самом деле большинство из этих параметров можно посмотреть даже на своём телефоне, для устройств марки Xiaomi, например, можно набрать следующий код: ##7262626##, у других производителей - другие команды. При этом действии показываются настройки связи данного устройства.

Помимо этого, существуют специальные программы с большим функционалом, показывающие и эти параметры в том числе, одна из распространённых: Network Cell Info Lite And LTE discovery.

Вот как выглядят параметры гаджета, показываемые в этом ПО:

Среди множества параметров выделим три основных:

Пропускная способность или полоса пропускание (англ. Bandwidth or BW)
Если устройство использует в данный момент сеть LTE (ещё называют 4G LTE), то параметр Bandwidth будет показывать 10 - 20 мегагерц.
Соответственно, чем больше полоса пропускания, тем больше данных за единицу времени может передавать гаджет.
Индикатор полосы частот (frequency band indicator)
Обычно это фиксированный сотовым оператором параметр, определяющий частоту на которой происходит взаимодействие в сети. При выборе значения “1” будут использоваться 2100 МГЦ, “13” - 700 Мгц и так далее.
Индикатор базовой станции (base station ID)
Каждая вышка сотовой связи, или базовая станция, имеет свой адрес в сети. Вот этот параметр и показывает, к какой вышке сейчас “привязано” устройство. Индикатор состоит из двух частей: Public Land Mobile Network (PLMN) или по-русски Сеть сотовой связи общего пользования, ССОП (по аналогии с ТФОП или ТСОП - телефонная сеть общего пользования). PLMN однозначно указывает на оператора сотовой связи, с базовой станцией которого сейчас “общается” мобильник (Мегафон, Билайн, МТС, Теле2 и т.д.). И вторая часть - Physical cell ID, индикатор физической соты (вышки).
Приведу список PLMN четвёрки крупных российских операторов:

С помощью вышеуказанных двух параметров можно в любой момент времени определить, к какой вышке подключен телефон. Но конечно, эти номера мало что скажут нам, обычным пользователям, их полный список есть только у операторов сотовой связи (и вероятно спецслужб). Хотя энтузиасты пытаются нарабатывать базу данных по вышкам, например тут: http://bsmaps.ru/

Передвигаясь по городу, вы будете оставаться в одной сети PLMN, но у вас будет меняться Physical cell ID - номер вышки. Однажды я помогал в поиске пропавшего человека и по знакомству обратился к технической службе одного из мобильных операторов. Как раз эту информацию они мне и смогли сообщить - к какой соте был подключен телефон пока не стал недоступным (пока не разрядился). Это ограничивало район поисков, но не слишком сильно - ведь радиус действия базовой станции

История. Сотовые сети первого поколения 1G

Давайте посмотрим немного назад, в историю сотовой связи.
В 1980-х годах появились первые прототипы будущей мобильной сети. Телефон был привязан к автомобилю, полной независимости абонентов ещё не было, это был прообраз, который можно назвать 1G - или первая генерация, первое поколение.

1G было спроектировано гигантом телекоммуникации AT&T в ещё в начале 1970-х и внедрено уже через десятилетие. Параллельно развились три стандарта 1G систем:

NMT (Nordic Mobile Telephony) родом из Северной Европы, Скандинавии. Этот стандарт существовал и в России ещё недавно.
TACS (Total Access Communication System) - в Великобритании и Японии.
AMPS (Advanced Mobile Phone System) существовал в Соединённых Штатах, Австралии и Южной Корее.

Эти три стандарта были несовместимы друг с другом и абоненты одной сети не могли пользоваться своими устройствами в другой. Общее число пользователей 1G составляло около 20 миллионов.

Ключевые понятия, основа этих систем:

сотовая структура;
частотная модуляция (analog FM);
множественный доступ с разделением каналов по частоте (FDMA - Frequency Division Multiple Access).

Самое важное новшество 1G - это сотовая структура, соты, изобретённая AT&T Bell Labs. Она остаётся актуальной и сейчас.

При звонке с одной точки мира в другую абонент присоеденён к ближайшей вышке сотовой связи, а при перемещении аппарат перенастраивается на следующую. Зона покрытия территории возле каждой вышки напоминает пчелиные соты, поэтому сеть и получила такое наименование.
В сетях 1G использовалась аналоговая передача данных с частотной модуляцией (FM). Аналогичная технология применяется и при трансляции современных радиостанций. Это не было прорывом, частотная модуляция использовалась в радиосвязи и до этого.

Множественный доступ с разделением каналов по частоте

Если абонент занимает некий канал связи, то он может говорить сколь угодно долго. Что делать, чтобы смог говорить второй, третий… двадцатый? Для решения этой проблемы и был придуман метод FDMA.

Каждому разговору одного абонента выделяется отдельная частота, таким образом несколько соединений не перекрывают друг друга, а существуют параллельно.

С системами 1G было много проблем - большой вес и габариты аппаратов, не было портативных аккумуляторов, способных обеспечить энергию достаточно долго. Именно поэтому чаще всего такие телефоны использовались в автомобилях. Помимо этого аналоговый сигнал был плохого качества, с шумами, соединения часто разрывались. Не было и шифрования разговоров, что было небезопасно во многих случаях. Но главный минус - это очень большая стоимость оборудования.

И понятное дело, кроме разговора, аналоговые сети не могли передавать другую информацию, даже простые СМС.

Подытоживая эту часть, можно сделать вот такую схему:

Курс мне пока что нравится. Тут я себя чувствую как рыба в воде (в отличие от предыдущих гуманитарных дисциплин). Лекторы последовательно и просто рассказывают тему, думаю и следующие материалы будут не хуже. После такого курса у его слушателей (надеюсь и у моих читателей) должно сложиться цельное представление о беспроводной связи и принципах её работы.

Конспект подготовлен для Академии Голоса @academy