Фундамент мобильной связи заключается не только в совершении звонков, но и в извлечении максимальной пользы из конечного запаса радиоволн. В эпоху аналоговых систем 1-го поколения инженеры не могли рассчитывать на бесконечную полосу пропускания. Им приходилось полагаться на геометрический трюк: разбиение на ячейки (cell splitting).
Представьте себе город, разделенный на гексагональную сетку. Каждый гексагон является «ячейкой». Чтобы предотвратить интерференцию сигналов, соседние ячейки не могут использовать одни и те же частоты. Это привело к возникновению знаменитого «семиячеечного шаблона повторного использования». Оператор с широким выделенным спектром распределял эти частоты по семи различным группам. Каждая ячейка получала свой уникальный набор, гарантируя, что две соседние вышки не будут работать на одной и той же частоте.
Математика емкости 1G
Давайте посмотрим на цифры для типичного крупного оператора в крупном городе. Ему может быть выделено 832 радиочастоты. Это звучит как много, но нужно учитывать принцип работы системы.
Мобильные телефоны используют дуплексные каналы, что означает необходимость двух частот для одного вызова: одна для передачи, другая для приема. Кроме того, не все частоты предназначены для голоса. Некоторые зарезервированы для управляющих сигналов, обеспечивающих рукопожатие сети.
- Всего частот: 832
- Каналы управления: 42
- Частоты для голоса: 790
- Голосовых каналов на одного оператора: 395 (поскольку 790 / 2 = 395)
Теперь разделим эти 395 голосовых каналов на семь ячеек.
- Каналов на ячейку: ~56
В аналоговой системе 1-го поколения это означает, что одна базовая вышка может поддерживать примерно 56 одновременных разговоров. Если вы попытаетесь совершить вызов, когда все 56 линий заняты, вы услышите сигнал занятости. Никакой очереди. Никакого ожидания. Только статика.
Цифровые системы, такие как 2G, значительно изменили правила игры. Такие технологии, как TDMA (множественный доступ с разделением по времени), позволили одной частоте передавать в три раза больше данных. Разделяя время на слоты, одна частота могла поддерживать три разных вызова. Внезапно та же самая ячейка могла обслуживать около 168 одновременных пользователей. Прыжок в эффективности был колоссальным.
Почему важна низкая мощность
Вы можете задаться вопросом, почему мобильные телефоны не просто передают сигналы на высокой мощности, чтобы гарантировать соединение. На это есть две практические причины, обе из которых коренятся в физике и времени автономной работы.
Большинство ранних мобильных телефонов работали на мощности 0,6 ватта или 3 ватта. Для сравнения: стандартная гражданская радиостанция (CB) передает на 4 ватта. Вот почему вы можете слышать разговоры по CB на расстоянии нескольких кварталов, но сигнал вашего мобильного телефона редко выходит за пределы назначенной ему ячейки.
Эта низкая выходная мощность — это особенность, а не недостаток.
- Повторное использование частот: Поскольку сигнал слабый, он не распространяется далеко. Это позволяет ячейкам, находящимся на большем расстоянии друг от друга (например, фиолетовым ячейкам на стандартной гексагональной диаграмме), повторно использовать одни и те же 56 частот без интерференции. Именно это повторное использование позволяет сети масштабироваться. Без низкой мощности вам потребовались бы сотни уникальных блоков частот, что мгновенно истощило бы доступный спектр.
- Энергоэффективность: Портативные устройства работают от батарей. Передача на высокой мощности быстро их разряжает. Передатчики с низкой мощностью означали меньшие батареи, что означало меньшие размеры телефонов, что сделало «сотовый» телефон по-настоящему портативным.
Мозг операции
Сотовая модель требует инфраструктуры. В одном большом городе может быть сотни базовых станций (вышек), разбросанных по всей его территории. Но эти вышки не являются независимыми агентами. Они управляются центральным узлом, известным как Офис коммутации мобильных телефонов или MTSO.
MTSO обрабатывает все соединения с традиционной стационарной телефонной сетью и управляет каждой базовой станцией в регионе.
Представьте MTSO как диспетчера движения. Он решает, какая вышка будет обслуживать ваш звонок, управляет передачей (hand
