Как работает сотовая связь

Радиосвязь без всяких сот придумали задолго до телефонов в кармане, и она упиралась в одно: радиочастот мало. Один мощный передатчик на весь город занимает свою частоту целиком, и сколько бы человек ни хотели говорить одновременно, их будет столько же, сколько выделено частот, - десятки, а не миллионы. Сотовая связь решает именно эту задачу. Территорию режут на маленькие участки, ставят в каждом слабый передатчик и одни и те же частоты используют заново в участках, разнесённых достаточно далеко, чтобы они друг друга не слышали. Всё остальное - следствия этого решения.

Главная идея - переиспользование частот

Уменьшите мощность передатчика в сто раз, и он перестанет быть слышен дальше пары километров. Это выглядит ухудшением, но именно оно даёт ёмкость: за пределами этой пары километров ту же частоту можно занять снова, ничему не мешая.

Территорию покрывают решёткой участков, каждый со своим передатчиком, и раздают частоты так, чтобы соседние участки работали на разных, а совпадающие лежали через несколько участков друг от друга. Разнос называется коэффициентом переиспользования, и от него напрямую зависит, сколько абонентов сеть обслужит: чем меньше сота, тем чаще повторяется набор частот и тем больше разговоров помещается на той же полосе.

Отсюда парадокс, который часто удивляет. В деревне одна вышка накрывает десятки километров, в центре города вышки стоят через сотни метров - и это не потому, что в городе сигнал хуже, а потому, что в городе нужна ёмкость. Дробление сот и есть основной способ её нарастить.

Что стоит на вышке

Базовая станция - это радиопередатчики с приёмниками, антенны и канал связи с остальной сетью, обычно оптический.

Антенны почти никогда не круговые. Их делают направленными и вешают по три, разворачивая на сто двадцать градусов, - вышка при этом обслуживает не одну соту, а три сектора, каждый со своим набором частот. Это утраивает ёмкость на той же мачте.

Наклон антенн подбирают так, чтобы луч упирался в землю на расчётном удалении. Задерите его выше - и станция начнёт мешать соседним, работающим на тех же частотах; опустите ниже - появятся дыры покрытия. Настройка этих углов и мощностей и есть основная работа по планированию сети.

Сама станция ничего не решает о звонках. Она передаёт данные дальше, в ядро сети, где хранится база абонентов, ведётся учёт и происходит соединение с другими сетями и с телефонной сетью общего пользования.

Как телефон находит сеть и доказывает, что он свой

Включённый телефон сначала слушает. Каждая станция непрерывно передаёт служебный маячок с идентификатором сети и параметрами доступа; телефон сканирует диапазоны, выбирает самый уверенно принимаемый и обращается к нему.

Дальше начинается взаимная проверка, и устроена она так, чтобы секрет не пошёл в эфир. В сим-карте зашит ключ, известный только ей и сети; из карты его нельзя прочитать, карта умеет только считать с ним. Сеть присылает случайное число, карта выполняет над ним криптографическое преобразование с этим ключом и возвращает результат. Сеть делает то же самое у себя и сравнивает. Совпало - абонент свой, ключ при этом ни разу не передавался. Из того же числа обе стороны выводят сеансовый ключ и дальше шифруют им радиоканал.

Симметрично телефон проверяет сеть: без этого возможна подмена, когда чужой передатчик притворяется вышкой оператора. В ранних поколениях такая проверка отсутствовала, и это была реальная дыра, закрытая позже.

Пройдя проверку, телефон регистрируется. Сеть запоминает не конкретную соту, а группу сот, в которой абонент находится. Когда приходит вызов, станции этой группы одновременно выкликают телефон в эфир, и он отзывается. Такая схема экономит батарею: телефон сообщает о себе не при каждом переходе между вышками, а только при выходе из группы.

Как один канал делят тысячи абонентов

На соту приходится ограниченная полоса частот, а говорящих много. Способов уплотнить их придумано несколько, и поколения связи отличаются в основном именно этим.

Простейший - раздать каждому свою узкую полосу. Ёмкость при этом равна числу полос и растёт плохо.

Следующий шаг - поделить ещё и время: одна полоса нарезается на повторяющиеся кадры, каждому абоненту достаётся свой короткий промежуток в каждом кадре. Телефон включает передатчик на доли миллисекунды, молчит остальное время и снова включается. Голос при этом уже оцифрован и сжат речевым кодеком до единиц или десятков килобит в секунду, поэтому в короткие промежутки он помещается без потери разборчивости.

Третий способ - развести абонентов не по частотам и не по времени, а по кодам: все говорят одновременно на общей полосе, но каждый размечает свой сигнал уникальной псевдослучайной последовательностью, а приёмник вылавливает нужный, сопоставляя его с известным кодом.

Современные сети используют четвёртый подход. Полосу делят на множество узких поднесущих и раздают абонентам пачки поднесущих вместе с временными промежутками, гибко подстраивая нарезку под то, кому сейчас нужно больше. Это позволяет обслуживать в одной соте очень разные потребности одновременно: одному нужен видеопоток, другому короткое сообщение.

Что происходит, когда абонент едет

Соты маленькие, а люди двигаются, поэтому разговор постоянно приходится передавать от одной станции к другой.

Телефон во время сеанса не только работает с текущей станцией, но и постоянно измеряет уровень соседних, отчитываясь о результатах. Сеть, видя, что соседняя станция принимается лучше, готовит переход: договаривается с ней о ресурсах и командует телефону перестроиться. Всё это занимает доли секунды, и в разговоре не слышно.

Отсюда типичные сбои связи в движении. Обрыв на границе покрытия - это чаще всего неудавшаяся передача обслуживания, а не отсутствие сигнала как такового. И отсюда же повышенный расход батареи в поезде или машине: телефон непрерывно измеряет, отчитывается и перестраивается.

Почему в поле связь ловит за десятки километров, а в подвале нет

Дальность определяется двумя разными вещами - физикой распространения и устройством протокола.

Физика: радиоволна ослабевает с расстоянием и вдобавок гасится препятствиями, причём тем сильнее, чем короче волна. Низкие диапазоны, около сотен мегагерц, огибают рельеф и проходят сквозь стены заметно лучше; высокие, в единицы гигагерц, несут больше данных, но останавливаются железобетоном и даже листвой. Поэтому сети строят на нескольких диапазонах сразу: нижние дают покрытие, верхние - скорость.

Протокол ставит второй предел. Сигнал от дальнего абонента приходит на станцию позже, чем от ближнего, и, чтобы не наложиться на чужой временной промежуток, телефон обязан начать передачу чуть раньше. Величину этого упреждения станция сообщает телефону, но она не бесконечна: в классических сетях она ограничивает соту примерно тридцатью пятью километрами независимо от мощности. Дальше сигнал ещё слышен, но встроиться в расписание уже невозможно.

Почему в плохой зоне садится батарея

Телефон и станция непрерывно торгуются о мощности. Передавать сильнее, чем нужно, вредно: лишний сигнал становится помехой для соседних сот, работающих на тех же частотах. Поэтому сеть постоянно командует телефону снизить мощность до минимума, при котором приём ещё уверенный, и делает это сотни раз в секунду.

В уверенной зоне телефон излучает доли ватта, а нередко и намного меньше. На краю покрытия он выкручивает передатчик на максимум и держит его там - отсюда и разряд, и нагрев. Пиковая мощность у телефонов лежит в пределах от долей ватта до пары ватт в старых стандартах, и почти всё время реальная мощность заметно ниже потолка.

Тот же механизм объясняет, почему густая сеть маленьких сот не только ёмче, но и экономнее для абонента: чем ближе станция, тем тише может говорить телефон.

Почему звонок - это давно передача данных

Голос в сети не передаётся как звук. Микрофон оцифровывает его, кодек выбрасывает всё, что человеческое ухо не различит, и оставляет поток в несколько килобит в секунду; на приёмной стороне из этого потока речь синтезируют обратно. Именно поэтому голос в сотовой сети звучит характерно, а посторонние шумы иногда превращаются в странные призвуки: кодек настроен на речь и на всём остальном ошибается.

В современных сетях отдельного голосового канала уже нет вовсе. Разговор идёт такими же пакетами, как веб-страница, просто с приоритетом: сеть гарантирует им малую задержку. Отсюда и возможность передавать более широкую полосу частот, чем в старой телефонии, и звук становится ощутимо ближе к живому.

Из этого же вытекает разгрузка: там, где есть беспроводная сеть в помещении, телефон охотно уводит и данные, и разговоры в неё, освобождая соту. Как устроена эта вторая сеть, мы разбираем отдельно - как работает вайфай. А точное общее время, без которого станции не смогли бы синхронно нарезать кадры, они обычно берут из спутниковой навигации.

Откуда всё это взялось

Мобильная телефония существовала и до сот: в середине XX века в крупных городах работали системы с одним мощным передатчиком, где абонентов было несколько сотен на город, соединение заказывали через оператора, а очередь на подключение растягивалась на годы. Ограничение было принципиальным, наращивать мощность бессмысленно.

Сотовый принцип сформулировали в конце 1940-х годов, но реализовать его тогда было нечем: переключение абонента между станциями требует быстрых вычислений в реальном времени, а вычислительной техники нужного уровня не существовало. Первые коммерческие сотовые сети появились на рубеже 1970-80-х годов, сначала в Японии и Скандинавии.

Дальше сменились поколения. Первое было аналоговым, без шифрования и с крупными аппаратами. Второе перевело голос в цифру, добавило сим-карту, шифрование и короткие сообщения. Третье впервые сделало передачу данных полноценной услугой. Четвёртое отказалось от отдельного голосового канала и построило всю сеть на пакетах. Пятое добавило высокие диапазоны с широкими полосами и научилось направлять луч антенны точно на абонента вместо равномерного освещения сектора. Базовая идея за все эти десятилетия не изменилась ни разу: маленькие соты и переиспользование частот.