Что такое сотовая связь Как работает сотовая связь – устройство и принцип работы

Первые проекты сотовой связи

Изобретение мобильного телефона стало важной технологической вехой, изменившей способ общения. Хотя у многих людей разработка мобильных телефонов ассоциируется с американскими компаниями, самый первый мобильный телефон был создан в Советском Союзе.

В 1958 году Воронежский научно-исследовательский институт связи (ВНИИС, ныне «Созвездие») разработал систему «Алтай» – первый в мире мобильный телефон. Система состояла из абонентских телефонов, базовых станций и антенных систем, которые обеспечивали устойчивую связь между абонентами. Она представляла собой полноценную телефонную связь, работающую как обычный телефон – сама находила свободный радиоканал, устанавливала соединение, передавала набранный телефонный номер и гарантированно соединяла абонентов.

При разработке системы «Алтай» советские инженеры столкнулись с рядом проблем. Одна базовая станция могла обслуживать только один мегаполис и имела всего 16 радиоканалов. Антенна, установленная на самой высокой точке местности, могла обеспечить связь только на десятки километров вокруг. Несмотря на эти трудности, к 1970 году система «Алтай» работала в тридцати городах Советского Союза, включая Москву и Ленинград.

Системой «Алтай» в основном пользовались советские партийные и хозяйственные руководители, которые использовали телефоны, установленные прямо в их служебных автомобилях. Успех системы заставил советских инженеров продолжать совершенствовать систему, в том числе расширить диапазон радиоканалов, сделать абонентские станции меньше по размеру и развернуть систему к Олимпийским играм 1980 года.

Стоит отметить, что американский прототип такого мобильного телефона был запущен через год после ввода в эксплуатацию советской мобильной системы, а его коммерческая эксплуатация началась в 1969 году. Поэтому можно утверждать, что СССР был лидером в развитии мобильной связи на заре развития этой технологии. Система «Алтай» была выдающимся достижением в истории технологии мобильных телефонов, которое проложило путь для будущих инноваций в мобильной связи.

Первые западные проекты сотовой связи были коммерческими. Одной из самых ранних инициатив была система Advanced Mobile Phone System (AMPS), которая была запущена в 1978 году компанией Bell Labs в США. AMPS была аналоговой системой, которая использовала множественный доступ с частотным разделением (FDMA) для разделения частотного спектра на отдельные каналы для нескольких пользователей. Эта технология позволяла одновременно использовать одну и ту же частоту несколькими пользователями в разных местах, что было большим прорывом для того времени.

В начале 1980-х годов в Скандинавии была разработана система Nordic Mobile Telephone (NMT), которая представляла собой цифровую систему, использующую множественный доступ с временным разделением (TDMA) для разделения частотного спектра на временные интервалы для нескольких пользователей. Это позволило увеличить емкость и улучшить качество звонков по сравнению с AMPS.

В 1983 году первая коммерческая сотовая сеть была запущена в США компанией Ameritech в Чикаго. Эта сеть использовала технологию AMPS и позволяла пользователям совершать телефонные звонки со своих автомобильных телефонов. В течение следующих нескольких лет сотовые сети были запущены в других странах, включая Японию, Великобританию и Германию.

Первая цифровая сотовая сеть была запущена в 1991 году в США компанией Sprint с использованием технологии множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA). CDMA позволила увеличить емкость и улучшить качество звонков по сравнению с AMPS и TDMA.

Принцип работы мобильной связи

Сотовая связь – это сложная система, обеспечивающая беспроводную связь между двумя или более мобильными устройствами на больших расстояниях с помощью радиоволн. Принцип работы сотовой связи - сеть ячеек, каждая из которых обслуживается базовой станцией.

Когда пользователь совершает звонок или отправляет сообщение, мобильное устройство посылает сигнал на ближайшую базовую станцию. Затем базовая станция направляет сигнал через ряд сотовых вышек и центров коммутации, пока он не достигнет места назначения. Сигнал передается в виде радиоволн, которые транслируются в определенном частотном диапазоне.

Сотовая сеть разделена на несколько частотных диапазонов, каждый диапазон также разделен на несколько каналов, каждый из которых способен одновременно передавать несколько вызовов или данных. Когда пользователь совершает звонок или отправляет сообщение, сигнал передается по одному из этих каналов.

Сотовая связь использует две основные технологии: множественный доступ с кодовым разделением (CDMA, считается устаревшей, но еще используется в США) и глобальная система мобильной связи (GSM). CDMA присваивает каждому вызову уникальный код, что позволяет одновременно передавать несколько вызовов по одному и тому же каналу. В GSM используется метод мультиплексирования с разделением времени, который делит каждый канал на несколько временных интервалов, что позволяет передавать несколько вызовов последовательно.

Помимо голосовых вызовов и сообщений, сеть мобильной связи также поддерживает передачу данных, таких как просмотр интернет-страниц, электронная почта и обмен мультимедийными сообщениями. Данные передаются с помощью различных технологий, включая General Packet Radio Service (GPRS), Enhanced Data rates for GSM Evolution (EDGE), Long-Term Evolution (LTE) и 5G.

Сотовая связь опирается на сложную сеть базовых станций, сотовых вышек, коммутационных центров и частотных диапазонов для обеспечения беспроводной связи на больших расстояниях.

Базовые станции

Базовая станция сотовой связи – это ключевой компонент сотовой сети, обеспечивающий беспроводную связь между мобильными устройствами и инфраструктурой. Она играет важнейшую роль в обеспечении беспроводной связи между мобильными устройствами и сотовой сетью.

Базовая станция сотовой связи обычно состоит из следующих компонентов:

· Приемопередатчик: приемопередатчик отвечает за передачу и прием радиосигналов от мобильных устройств. Он состоит из передатчика и приемника, которые способны передавать и принимать сигналы в определенном частотном диапазоне.

· Антенна: антенна используется для передачи и приема радиосигналов между базовой станцией и мобильными устройствами. Обычно она устанавливается на башне или крыше для обеспечения оптимального покрытия.

· Источник питания: для работы базовой станции требуется постоянное электропитание. Обычно она подключается к электросети или резервному источнику питания.

· Блок обработки базовой полосы: блок обработки базовой полосы отвечает за кодирование и декодирование цифровых сигналов, получаемых от мобильных устройств.

· Блок управления: блок управления управляет работой базовой станции и взаимодействует с другими компонентами сотовой сети.

Работа базовой станции сотовой связи включает в себя следующие этапы:

· Сканирование: базовая станция сканирует доступные радиоканалы для установления связи с мобильными устройствами.

· Аутентификация: базовая станция проверяет подлинность мобильных устройств, чтобы убедиться, что они авторизованы для доступа к сотовой сети.

· Передача: когда мобильные устройства переходят из одной соты в другую, базовая станция передает связь в следующую соту для обеспечения непрерывной связи.

· Кодирование и декодирование: базовая станция кодирует и декодирует цифровые сигналы, полученные от мобильных устройств, чтобы обеспечить целостность и безопасность связи.

· Управление сетью: базовая станция взаимодействует с другими компонентами сотовой сети для управления сетевым трафиком и обеспечения оптимальной производительности.

Аппараты сотовой связи

Сотовый телефон, также известный как мобильный телефон, – это сложное устройство, состоящее из нескольких модулей, работающих вместе для обеспечения связи, мультимедийных и интернет-возможностей. Вот основные модули типичного сотового телефона и принцип их работы:

· Процессор: это «мозг» телефона, отвечающий за управление и координацию всех его функций. Современные телефоны оснащены мощными процессорами, которые могут выполнять такие сложные задачи, как игры, редактирование видео и так далее.

· Память: память телефона включает в себя как ОЗУ (память с произвольным доступом), так и накопитель. Оперативная память используется для временного хранения данных и приложений, которые используются в данный момент, а долговременная память используется для хранения файлов, фотографий и приложений, установленных на телефоне.

· Дисплей: дисплейный модуль включает в себя экран, подсветку и сенсорный датчик. Экран обычно представляет собой ЖК- или OLED-панель, на которой отображаются изображения и текст, а сенсорный датчик позволяет пользователям взаимодействовать с телефоном, касаясь, проводя или нажимая на экран.

· Аккумулятор: модуль аккумулятора обеспечивает питание телефона, позволяя ему работать без подключения к сети. В современных телефонах используются литий-ионные аккумуляторы, которые обеспечивают высокую плотность энергии и длительное время автономной работы.

· Камера: большинство телефонов оснащены как минимум одним модулем камеры, который включает в себя объектив, сенсор и процессор изображения. Камера позволяет пользователям снимать фото и видео, а некоторые телефоны высокого класса даже оснащены несколькими камерами для лучшего качества изображения и более творческих возможностей.

· Модуль сотовой связи: модуль сотовой связи отвечает за подключение телефона к сотовой сети, позволяя пользователям совершать звонки и отправлять сообщения. Он включает в себя антенну, радиоприемник и модем, которые преобразуют цифровые данные в радиоволны, передаваемые по сети.

· Модули Wi-Fi и Bluetooth: эти модули позволяют телефону подключаться к другим устройствам и сетям с помощью технологии Wi-Fi или Bluetooth. Wi-Fi используется для высокоскоростной передачи данных и доступа в Интернет, а Bluetooth – для связи на коротких расстояниях с другими устройствами, такими как наушники, динамики и смарт-часы.

· Датчики: многие телефоны имеют несколько встроенных датчиков, включая акселерометр, гироскоп, компас и датчик приближения. Эти датчики предоставляют информацию об ориентации телефона, его движении и окружении, а также используются для включения таких функций, как автоповорот, GPS и фитнес-трекинг.

Поколения сотовой связи

Сотовые сети значительно эволюционировали с момента своего появления, начиная с первого поколения (2G) и заканчивая новейшими сетями пятого поколения (5G). Каждое поколение сотовых сетей приносило значительные улучшения в плане скорости, надежности и пропускной способности передачи данных.

Сотовые сети 2G

Второе поколение (2G) сотовых сетей представило цифровую сотовую связь в 1990-х годах, заменив аналоговую технологию сотовой связи первого поколения. В сетях 2G использовались технологии множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA) и множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA) для передачи голоса и данных. Основным преимуществом сетей 2G было то, что они более эффективно использовали радиочастотный спектр, позволяя большему количеству пользователей использовать один и тот же частотный диапазон.

Сотовые сети 3G

Третье поколение (3G) сотовых сетей появилось в начале 2000-х годов и принесло несколько улучшений по сравнению с сетями 2G. Сети 3G обеспечивали более высокую скорость передачи данных, позволяя предоставлять мультимедийные услуги, такие как видеоконференции, мобильное телевидение и высокоскоростной доступ в Интернет. Основной технологией, используемой в сетях 3G, является широкополосный множественный доступ с кодовым разделением (WCDMA), который обеспечивает более высокую скорость передачи данных, чем сети 2G. Сети 3G также внедрили новые меры безопасности для защиты пользовательских данных и конфиденциальности.

Сотовые сети 4G

Четвертое поколение (4G) сотовых сетей появилось в конце 2000-х годов и принесло значительные улучшения по сравнению с сетями 3G. Сети 4G обеспечили более высокую скорость передачи данных, меньшую задержку и большую пропускную способность по сравнению с сетями 3G, что сделало их подходящими для приложений с высокой пропускной способностью, таких как потоковое видео, онлайн-игры и виртуальная реальность. Основной технологией, используемой в сетях 4G, является Long-Term Evolution (LTE), которая обеспечивает пиковую скорость загрузки до 1 Гбит/с и скорость выгрузки до 500 Мбит/с. В сетях 4G также внедрены такие передовые функции, как передача голоса по технологии LTE (VoLTE) и агрегация несущих для увеличения пропускной способности сети.

Сотовые сети 5G

Пятое поколение (5G) сотовых сетей – это новейшая и самая передовая технология сотовой связи на сегодняшний день. Сети 5G обещают обеспечить чрезвычайно высокую скорость передачи данных, сверхнизкую задержку и огромную емкость, что позволит использовать их в таких новых областях, как самоуправляемые автомобили, удаленная хирургия и «умные» города. Основной технологией, используемой в сетях 5G, является новое радио (NR), которое использует частоты миллиметровых волн и технологию MIMO (множественный вход и множественный выход) для обеспечения пиковых скоростей загрузки до 20 Гбит/с и загрузки до 10 Гбит/с.

Перспективы

Одной из наиболее значимых перспектив для сотовых технологий является продолжающийся рост Интернета вещей (IoT). Под IoT понимается взаимосвязь устройств, объектов и систем, позволяющая им обмениваться данными и общаться друг с другом. Сотовая технология является важным фактором развития IoT, поскольку она обеспечивает надежную, безопасную и высокоскоростную передачу данных.

Еще одной важной перспективой для сотовых технологий является развитие сетей 6G. Хотя 5G все еще находится на стадии развертывания, исследователи и ученые уже работают над созданием следующего поколения сотовых технологий. Ожидается, что сети 6G обеспечат еще более высокую скорость передачи данных, более надежное соединение и меньшую задержку, чем 5G. Кроме того, ожидается, что сети 6G будут поддерживать новые приложения, такие как голографическая связь, виртуальная реальность и дистанционное управление автономными транспортными средствами.

Наконец, ожидается, что сотовые технологии сыграют решающую роль в преодолении цифрового разрыва. Доступ к высокоскоростному соединению данных становится все более важным не только для личного общения и развлечений, но и для доступа к важнейшим услугам, таким как здравоохранение, образование и государственные службы. Благодаря дальнейшему развертыванию сотовых сетей в сельских и малообслуживаемых районах, все больше людей будут иметь доступ к Интернету и преимуществам, которые он предоставляет.