Открыть сервис
Главная → Блог → Сотовая связь

Сотовая связь

Сотовая связь — это вид мобильной радиосвязи, в основе которого лежит сотовая структура зоны покрытия, обеспечивающая связь абонентским устройствам (мобильным телефонам, смартфонам, модемам) при их перемещении в пределах сети. Сеть состоит из множества территориальных ячеек («сот»), обслуживаемых базовыми станциями, которые взаимодействуют с коммутационным оборудованием и передают голосовой трафик и данные. Основными принципами сотовой связи являются повторное использование радиочастот в непересекающихся сотах и автоматическое переключение (хэндовер) активного соединения при переходе абонента из одной соты в другую.

История

Предпосылки и ранние разработки

Первые системы мобильной радиосвязи появились в 1940-х — 1950-х годах и представляли собой радиотелефоны, работающие в одной зоне покрытия мощной базовой станции. Такие системы имели ограниченную ёмкость и не могли обслуживать большое количество абонентов одновременно. Идея сотовой структуры как способа повышения ёмкости сети была предложена в 1947 году сотрудниками Bell Labs Дугласом Рингом и Рэем Янгом. Однако практическая реализация сдерживалась отсутствием доступной полупроводниковой элементной базы и систем автоматического управления.

Первое поколение (1G)

Первые коммерческие сотовые сети появились в конце 1970-х — начале 1980-х годов. В 1979 году в Японии компанией Nippon Telegraph and Telephone (NTT) была запущена первая в мире автоматическая сотовая сеть. В 1983 году в США начала работу сеть Advanced Mobile Phone System (AMPS). Эти системы относились к первому поколению (1G) и использовали аналоговую передачу голоса. Основными стандартами 1G стали AMPS (США), TACS (Великобритания) и NMT (Скандинавия). В СССР первая опытная зона сотовой связи стандарта NMT-450 была развёрнута в 1991 году в Москве компанией «Московская соговая связь» (позднее — «Билайн»).

Второе поколение (2G)

В 1991 году в Финляндии компанией Radiolinja была запущена первая коммерческая сеть стандарта GSM (Global System for Mobile Communications), ставшего мировым стандартом второго поколения (2G). GSM использовал цифровую передачу голоса и сигнализации, что позволило повысить качество связи, защиту от прослушивания и ёмкость сети. Важным нововведением стала поддержка службы коротких сообщений (SMS). В России первая сеть GSM была запущена в 1994 году (компания «Мобильные ТелеСистемы», МТС). Параллельно с GSM в США и некоторых других странах развивался стандарт CDMA (IS-95).

Третье поколение (3G)

Развитие мобильного интернета потребовало увеличения скорости передачи данных. Стандарты третьего поколения (3G), такие как UMTS (на базе WCDMA) и CDMA2000, были разработаны в конце 1990-х годов и начали коммерчески внедряться с 2001 года. 3G обеспечил скорости до 2 Мбит/с для неподвижных абонентов, что позволило использовать видеозвонки, мобильный доступ в интернет и передачу мультимедийных сообщений (MMS). В России сети 3G начали строиться с 2007 года.

Четвёртое поколение (4G)

Стандарт четвёртого поколения (4G), известный как LTE (Long Term Evolution), был разработан консорциумом 3GPP и начал коммерчески внедряться в 2009—2010 годах. LTE обеспечивает скорости передачи данных до 100 Мбит/с и выше, используя технологию OFDMA (множественный доступ с ортогональным частотным разделением). Сети 4G полностью ориентированы на пакетную передачу данных (IP-сети) и не поддерживают традиционную коммутацию каналов для голоса (голос передаётся через VoLTE). В России первая сеть LTE была запущена в 2012 году компанией Yota.

Пятое поколение (5G)

Пятое поколение (5G) начало внедряться в 2019 году. Оно основано на стандартах 3GPP Release 15 и 16 и обеспечивает сверхвысокие скорости (до 10 Гбит/с), сверхнизкие задержки (менее 1 мс) и возможность подключения огромного количества устройств (до 1 млн на квадратный километр). 5G использует три диапазона частот: низкий (sub-1 ГГц), средний (1-6 ГГц) и высокий (миллиметровые волны, 24-100 ГГц). В России коммерческие сети 5G начали разворачиваться в 2020-х годах, в основном в пилотных зонах.

Принцип работы и устройство

Сотовая структура

Основной элемент сети — сота (ячейка), зона покрытия одной базовой станции (БС). Каждая БС обслуживает абонентов в своей соте и взаимодействует с соседними БС. Для избежания помех соседние соты используют разные частоты. Частоты могут повторно использоваться в сотах, находящихся на достаточном расстоянии друг от друга. План частотного повторения (кластер) определяет, сколько сот образуют группу с неповторяющимися частотами (например, 3, 4, 7 или 12 сот).

Базовые станции

Базовая станция (BTS — Base Transceiver Station) состоит из приёмопередатчиков, антенн и контроллера. Она обеспечивает радиосвязь с мобильными устройствами в своей соте. БС могут быть макро- (большие вышки), микро- (здания, столбы) и фемто- (внутри помещений) сотами. Антенны БС обычно имеют направленный или секторный характер (3 сектора по 120°).

Коммутационное оборудование

Базовые станции подключаются к контроллерам базовых станций (BSC — Base Station Controller), которые управляют радиоресурсами и хэндовером. BSC, в свою очередь, соединяются с центром коммутации мобильной связи (MSC — Mobile Switching Center). MSC отвечает за установление и маршрутизацию вызовов, аутентификацию абонентов, тарификацию и взаимодействие с другими сетями (ТФОП, Интернет). В сетях 4G/5G функции коммутации выполняют пакетные ядра (EPC — Evolved Packet Core, 5GC — 5G Core).

Абонентское оборудование

Мобильное устройство (терминал) содержит приёмопередатчик, SIM-карту (Subscriber Identity Module) для идентификации абонента в сети, и программное обеспечение для управления соединением. При включении устройство сканирует доступные сети, выбирает наиболее подходящую (по уровню сигнала, оператору) и регистрируется в ней.

Хэндовер (передача обслуживания)

При перемещении абонента из одной соты в другую активное соединение автоматически переключается на новую базовую станцию без разрыва связи. Процесс хэндовера может быть «жёстким» (разрыв старого соединения до установления нового) или «мягким» (одновременное соединение с двумя БС, характерно для CDMA и некоторых версий 3G).

Классификация и стандарты

Поколения

Сотовая связь классифицируется по поколениям:

Частотные диапазоны

Сотовая связь использует различные частотные диапазоны, которые распределяются государственными регулирующими органами (в России — Государственная комиссия по радиочастотам). Основные диапазоны:

Применение и значение

Голосовая связь

Основное историческое назначение сотовой связи — обеспечение мобильной голосовой связи. В современных сетях голос передаётся по технологии VoLTE (Voice over LTE) или VoNR (Voice over New Radio) в 5G.

Передача данных

Сотовая связь является основным способом мобильного доступа в интернет. Используется для веб-сёрфинга, потокового видео, социальных сетей, мессенджеров, онлайн-игр.

M2M и IoT

Сети 2G, 4G и 5G активно используются для связи устройств в рамках концепций «Интернета вещей» (IoT) и «машина-машина» (M2M): умные счётчики, системы мониторинга транспорта, телемедицина, промышленная автоматизация.

Экстренная связь

Сотовая связь используется для вызова экстренных служб (112, 911, 101, 102, 103). Операторы обязаны обеспечивать возможность вызова экстренных служб даже при отсутствии денежных средств на счёте или при заблокированной SIM-карте.

Критика и проблемы

Излучение и здоровье

Влияние электромагнитного излучения базовых станций и мобильных телефонов на здоровье человека является предметом научных дискуссий. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) классифицировала радиочастотное излучение как «возможно канцерогенное для человека» (группа 2B). Нормы предельно допустимого уровня излучения (ПДУ) устанавливаются национальными санитарными правилами (в России — СанПиН).

Безопасность и конфиденциальность

Сотовые сети уязвимы для перехвата трафика (особенно в старых стандартах 2G), отслеживания местоположения абонента, атак типа «перехват SIM-карты» (SIM swapping). Современные стандарты (4G, 5G) включают механизмы шифрования и аутентификации (например, AKA — Authentication and Key Agreement).

Цифровое неравенство

Стоимость развёртывания сетей в удалённых и малонаселённых районах высока, что приводит к отсутствию или низкому качеству связи в сельской местности и на отдалённых территориях.

Зависимость от инфраструктуры

Работа сотовой сети критически зависит от электроснабжения базовых станций и транспортной сети. При массовых отключениях электроэнергии или повреждении инфраструктуры (например, при стихийных бедствиях) связь может быть нарушена.

Регулирование в России

В Российской Федерации деятельность операторов сотовой связи регулируется Федеральным законом «О связи» (№ 126-ФЗ) и подзаконными актами. Операторы обязаны:

Источники

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →

Похожие материалы