21-22 июня. Программа мероприятий в Бресте

Как работает мобильная связь и далеко ли «бьет» базовая станция? Просто о сложном

24.03.2024 20:58
Общество

Как работает мобильная связь и далеко ли «бьет» базовая станция? Просто о сложном

Есть в жизни такие технологии, которые популярны настолько, что их относят к разряду «всегда были с нами», хотя им не так много лет. Мобильная связь как раз из этой оперы, но ее отличие от привычного телевидения в том, что даже хардкорные абоненты иногда не до конца понимают, как все это работает (с телевизором как-то все проще). Onliner вместе с МТС расскажем понятным языком о скрытых и таинственных процессах в недрах операторов связи и о том, чем отличается базовая станция от вышки. Устраиваем большую «распаковку»!

Сложно сказать, с чего начинается любое предприятие, однако наверняка есть ключевые элементы. В нашем случае — это сотрудники компании, инфраструктура, которая требуется для оказания услуг, и технологии. Значительная часть работы скрыта от глаз. Мы, например, знаем, что есть «техподдержка», которая занимается вопросами абонентов, но как насчет «внутренней техподдержки», отвечающей на вопросы, которые сложнее, чем «Как пополнить баланс?».

Наша встреча, кстати, проходила на одном из этажей в головном офисе МТС. Здесь размещаются не очень понятные для обычного человека подразделения: управление радиоподсистемы, управление ядра сети и управление той самой «внутренней техподдержки», которое, среди прочего, мониторит сеть, собирает информацию об ошибках, авариях и помогает с техническими вопросами всем остальным. Павел Ушаров, начальник управления радиоподсистемы компании МТС, раскрыл некоторые тонкости работы сети.

Из чего состоит базовая станция

Как работает мобильная связь и далеко ли «бьет» базовая станция? Просто о сложном

Приемом и передачей сигнала занимается базовая станция, это один из основных узлов сети. Она состоит из антенны, радиомодуля и системного модуля. Высота размещения антенны влияет на зону покрытия базовой станции: чем выше, тем больше зона (но влияет и частотный диапазон).

В непосредственной близости от антенны размещаются радиомодули — это делается для обеспечения минимального затухания сигнала (антенны подключаются высокочастотными коаксиальными джамп-кабелями). Радиомодуль по оптическому кабелю подключается к системному модулю, который обычно размещают в аппаратной внизу для удобства обслуживания базовой станции, специалистам лишний раз не приходится подниматься на высоту.

Радиомодуль предназначен для приема, передачи, обработки и преобразования радиосигналов, а также их усиления.

Системный модуль базовой станции — ее мозг и сердце. Он управляет БС, синхронизирует ее с другими элементами сети, обрабатывает данные от радиомодуля и отправляет их через транспортную сеть к ядру сети.

Антенна базовой станции осуществляет прием и передачу радиосигнала, а также за счет физических и конструктивных свойств усиливает его и формирует область передачи в пространстве. Антенны бывают совмещенного диапазона: в одну можно подключать несколько стандартов (2G, 3G, 4G). Но бывают и отдельные — все зависит от конфигурации и технического решения. Также существуют и многолучевые антенны, которые направляют сигналы по разным секторам.

«На одной вышке могут быть расположены от одного до шести секторов, стандартно у нас 3—4 сектора, бывает и больше. Использование многосекторных базовых станций позволяет увеличить емкость для предоставления сервиса большему количеству абонентов. Построенные ранее базовые станции можно модернизировать, добавляя дополнительные сектора», — пояснил Павел.

Как работает мобильная связь и далеко ли «бьет» базовая станция? Просто о сложном

По его словам, такая модернизация позволяет в ряде случаев обойти некоторые подводные камни. Например, отказаться от строительства новой базовой станции: это и дорого, и не всегда есть возможность, подобрать место для ее размещения, особенно в городе. «Можно добавить сектор и более узкими лучами обеспечить покрытие, это решение хорошо себя зарекомендовало», — поясняет специалист.

Что такое вышка (сотовой связи)?

«Мне это словосочетание режет слух, — смеется Павел. — Вышка — народное слово. Правильно называть антенно-мачтовым сооружением».

И вот какие «вышки» бывают. Например, бывают металлические башни высотой от 40 до 70 метров. Башни встречаются разные: трехногие, четырехногие, с площадкой обслуживания или без. Есть железобетонные столбы: если для металлической башни нужен участок до 300 квадратных метров, то для столба — до 10 квадратных метров. Столбы чаще устанавливаются на застроенных территориях и в городах, в Минске их очень много.

Есть мачты. Они устанавливаются на крышах зданий, но могут ставиться и на земле — с растяжками на нескольких уровнях в зависимости от высоты, что придает конструкции дополнительную устойчивость и страхует от опрокидывания.

На крышах домов и другие конструкции встречаются: если кровля плоская, а высота обеспечивается достаточная за счет этажности, ставятся триподы — конструкции, похожие на штатив. Используются и столбы освещения, поскольку не везде есть возможность построить «свой» железобетонный.

Как работает мобильная связь и далеко ли «бьет» базовая станция? Просто о сложном

Как работает мобильная связь и далеко ли «бьет» базовая станция? Просто о сложном

Как работает мобильная связь и далеко ли «бьет» базовая станция? Просто о сложном

Как работает мобильная связь и далеко ли «бьет» базовая станция? Просто о сложном

Есть индор-объекты (наш собеседник показывает на фото один из вариантов, а затем указывает на белый конус на потолке).

Владельцев шапочек из фольги спешим успокоить: такие антенны (как и все остальные, прошедшие обязательную сертификацию) работают в соответствии с санитарными нормами, мощность у них минимальная — у смартфона рядом с вашим ухом она выше.

А вот в метро «вышек» не бывает: в перегонах проложен излучающий кабель (он же фидер), на станциях подвешивают компактные антенны.

Встречаются и другие варианты размещения оборудования — все, как говорилось выше, зависит от условий и требований.

Далеко ли «бьет» базовая станция? И что влияет на дальность

Зависит от высоты размещения антенны, от мощности самой базовой станции, от коэффициента усиления антенны, от диапазона рабочих частот (чем он ниже, тем дальше распространение радиоволн). Поэтому в высокочастотных диапазонах 3G 2100 МГц, в 4G 2600 МГц или планируемом 5G 3500 МГц «дальность» связи меньше.

А в 2G есть технологическое ограничение: максимальная дальность связи в этом стандарте составляет 35 км.

«Но фактически расстояний более 35 км, наверное, нигде и нет, поскольку базовые станции строятся чаще», — отметил Павел.

Закономерно влияет рельеф и густая растительность. Влияет погода и даже наличие так называемой подстилающей поверхности (Павел рассказал о том, как базовая станция на берегу Заславского водохранилища «била» по водной глади на десятки километров, хоть от нее такого и не ждали).

«Другой пример: недалеко от моей дачи демонтировали базовую станцию, до момента строительства новой разместили передвижную БС с относительно низкой высотой подвеса антенны — 16 метров (было 55 метров). Осенью и зимой связь была устойчивая. Пришла весна, распустились листья — изменились условия распространения радиоволны, сигнал ухудшился. Сейчас для увеличения скоростей использую роутер и антенну, обеспечивающую усиление 3G/4G-сигнала».

Как работает мобильная связь и далеко ли «бьет» базовая станция? Просто о сложном

«Не забываем и про абонентский трафик: когда абоненты начинают качать, они могут создавать интерференцию по обратному каналу, да и по аплинку мешают друг другу, снижая радиус. Очень много вопросов к самостоятельно выбранному и купленному усилительному оборудованию. Часто покупают такое (неясного происхождения и качества. — Прим. Onlíner), которое самоусилением начинает процесс положительной обратной связи и просто шумит на всю округу», — вступил в разговор Алексей Алдошин, ведущий инженер-системотехник телекоммуникационных сетей МТС.

Как работает мобильная связь и далеко ли «бьет» базовая станция? Просто о сложном

Своими действиями такие абоненты себя и выдают: от других поступают жалобы, потом в дело может включиться служба ГП «БелГИЭ», которая контролирует излучения средств связи и может выдать предписание на отключение неисправного оборудования.

Что касается использования мобильного интернета в местах массового скопления абонентов наподобие дачных застроек и пляжей у водоемов, здесь работает простой принцип: абоненты съезжаются, вся мощность предоставляется ближайшим к базовой станции абонентам, а те, кто находится на краю сот, получают оставшийся ресурс. При этом голосовая связь в приоритете, поэтому даже в этих случаях и на краю сот абоненты могут совершать звонки.

Современное оборудование стало сложнее?

«Что-то усложняется, что-то упрощается. Во времена запуска 2G один шкаф с оборудованием (базовая станция «все в одном») был в несколько раз больше современного, причем он был набит модулями и весил столько, что, чтобы поднять его, требовалось четыре человека.

Теперь оборудование стало компактное, его масса и габариты уменьшились. Что касается технологий передачи данных, тут, наверное, все усложнилось: аппаратная часть — из-за применения новых подходов, в том числе к обработке сигналов, появления новых стандартов. Да и компоновка (начинка) базовой станции теперь более сложная.

А вот архитектура сети, если взять в целом, отчасти упрощается, начиная со стандарта 4G. К примеру, для 3G используются контроллеры базовых станций, которые управляют ими. В 4G контроллеров нет, базовые станции общаются с пакетным ядром непосредственно через транспортную сеть», — пояснил Павел.

«С приходом 3G и 4G упростилось и частотно-территориальное планирование сети. Если в 2G приходилось каждый частотный канал подбирать, чтобы они не влияли друг на друга, то теперь используются скремблинг-коды, а их очень много (по сравнению с 2G, можно сказать, никаких ограничений)», — добавил Алексей.

Еще из нового — технология Massive MIMO, которая нашла популярность в 5G, хотя активно ее применять начали еще в LTE. В одной антенне, в одном радиомодуле, может быть установлено более 64 передатчиков, которые передают информацию параллельными потоками, за счет чего достигаются более высокие скорости. Если простым языком, антенна состоит из множества излучателей, формирующих луч в направлении потребителей трафика: получается, что доступные ресурсы направляются туда, где необходимо, а не «веером».

Как идет звонок от абонента к абоненту?

Все просто: вы набираете номер, и кто-то поднимает трубку. Хотя нет, чуть сложнее.

Как пояснили специалисты, архитектура сети сотовой связи подразумевает три сегмента: это радиоподсистема, ядро сети и транспортная сеть.

В состав радиоподсистемы входят собственно базовые станции, контроллеры и пользовательские устройства (телефоны, смартфоны и другие девайсы с «симками»).

Ядро сети состоит из голосового ядра и пакетного: первое отвечает за голосовой трафик, второе — за пакетный (дата). Кроме того, ядро сети включает набор функциональных узлов, но мы не будем вдаваться в технические тонкости настолько, главное — все это отвечает за обработку и коммутацию соединений.

Транспортная сеть — это волоконно-оптические и радиорелейные линии связи.

Опишем один вариант соединения: абонент звонит другому.

После набора номера и нажатия кнопки вызова телефон посылает базовой станции сигнал на запрос соединения. Базовая станция определяет радиоусловия, в которых находится абонент, и выделяет ему наилучшую соту, частотный диапазон или стандарт, где лучше установить голосовое соединение. Затем устанавливается радиосоединение и сигнал поступает в ядро сети (в данном случае — голосовое).

После проверки SIM-карты на разрешение выполнения звонка центральный коммутатор (в нем прописано множество направлений, куда могут совершаться звонки: телефонная сеть общего пользования, другие операторы сотовой сети, международная сеть и пр.) осуществляет поиск вызываемого абонента.

Параллельно центр аутентификации производит шифрование соединения и защищает канал от вторжения злоумышленника. Если вызываемый абонент находится в сети, то осуществляется поиск его местоположения и происходит отправка сигнала на необходимую базовую станцию. После того как абонент найден, ему направляется уведомление о поступающем звонке. Если абонент снимает трубку, устанавливается сквозное соединение между обеими сторонами, по которому и происходит разговор. Потом остается положить трубку.

Бывает, сигнал пропал. Основная причина: абонент покинул зону действия сигнала базовой станции (есть белые пятна). И остаются варианты с поломанным телефоном, сбойным ПО или вышедшей из строя «симкой».

Искусственный интеллект пригодился?

Куда сейчас без ChatGPT и искусственного интеллекта. Правда, традиционно возникает конфликт терминов: что есть ИИ, а что есть «обычный» анализ бигдаты.

«Пока сложно говорить по поводу искусственного интеллекта и нейросетей. Применить их для распределения нагрузки с учетом каких-то алгоритмов можно. Например, куда направить антенны заблаговременно — перед тем, как абонентский трафик переместится. Но это, скорее, работа с бигдатой, чем искусственный интеллект: мы прогнозируем исходя из данных, которые уже знаем», — добавил Алексей.

Как работает мобильная связь и далеко ли «бьет» базовая станция? Просто о сложном

Он также упомянул платформу SON (Self-Organizing Network), которая предназначена для планирования сетей сотовой связи и которая чем-то похожа на ИИ:

«SON автоматически назначает соседские отношения между секторами. То есть инженеру уже не нужно разбираться, смотря на карте, где находятся ближайшие соты для планирования переходов между ними. Сейчас достаточно прописать конфигурацию в сеть, а SON автоматически измерит расстояния на карте, узнает лучшие соотношения и пропишет соты уже без участия человека. Достаточно только задать алгоритм: сколько этих соседей должно быть, в каких направлениях между 2G и 3G и в обратную сторону. А дальше за несколько итераций SON создаст идеальное состояние».

Помимо всего прочего, эти алгоритмы также позволяют добиться снижения мощности при отсутствии нагрузки. «Зачем нагревать воздух, когда можно снизить потребление передатчика с 20 Ватт до 2 Ватт в ночное время, а когда трафик возрастет — увеличить до разрешенной мощности», — пояснил Алексей.

SON может менять и оптимальные углы наклона на базовых станциях, однако этого пока ей не разрешают: система предлагает, а инженер смотрит и решает. Причина в том, что изменение азимутов и углов означает получение новых разрешений, перерасчет санитарных норм. Поэтому эти настройки применяются пока только под присмотром инженера.

Есть и другие автоматизированные модули для работы с сетью: проверка статистики, выдача рекомендаций, обработка ошибок и сообщений об авариях, появлении иных событий.

Когда 6G?

В 2023 году продолжается разработка требований к стандарту 6G. Что от него ждут? Бесшовной архитектуры, возможности развертывания связи там, где 4G и 5G не дотягиваются, путем интеграции со спутниковой связью. Для этого будут использовать орбитальные группировки на низкой околоземной орбите — это позволит обеспечить минимальную задержку (сейчас, если связаться через спутник, например, на геостационарной орбите, задержка будет более 1—2 секунд).

Как работает мобильная связь и далеко ли «бьет» базовая станция? Просто о сложном

Есть вопросы, которые предстоит решить. Например, понадобятся устройства, способные работать с новым поколением сети. Диапазоны частот будут сверхвысокие: 60 ГГц, 100 ГГц и выше. При этом, как говорилось ранее, чем больше частота, тем меньше радиус обслуживания — значит, нужно устанавливать передатчики повсеместно.

Вероятно, будет микс из 5G и 6G, а может, и каких-то других технологий, предполагает эксперт.

Интересной особенностью 6G к 2030 году, когда ожидается коммерческий запуск сетей нового поколения, могут стать RIS — Reconfigurable Intelligent Surfaces (дословно: «перенастраиваемые умные поверхности»). Простым языком: это «умные» отражающие поверхности, позволяющие передавать сигнал дальше (как в примере с озером выше). В 6G будет заложена и технология виртуального mMIMO — вопрос будет решаться на программном уровне.

Но, как это бывает, новые технологии вольются в нашу жизнь незаметно: то, что сегодня кажется фантастическим будущим, тогда будет выглядеть так же привычно, как смартфоны, производительность которых сегодня в разы выше, чем у суперкомпьютеров прошлого.