Ликбез №2. Покрытие, индор-аутдор и прочие малопонятные термины

Привет.

Это второй текст из рубрики «Ликбез». Как и первый, он написан двумя авторами – Сергеем Потресовым и Эльдаром Муртазиным. Обсуждение к первому тексту было интересным, а также он важен для понимания того, что мы будем обсуждать сегодня, поэтому рекомендую прочитать его, если вы этого еще не сделали.

Ликбез №1. Как организована связь у операторов и что на нее влияет

Давным-давно, когда сотовая связь только начиналась, вопросы обеспечения покрытия решались сравнительно просто: поставить антенну повыше, определить дальность приёма сигнала и дальше размещать базовые станции так, чтобы покрываемые «пятна» друг на друга накладывались. О ёмкости сети (количестве одновременно разговаривающих) и ограниченности частотного ресурса тогда вряд ли сильно задумывались. Связь была безумно дорогая, абонентов было мало, и основной задачей было «накрыть сотовым зонтиком» максимальную территорию с минимально возможными затратами на оборудование.

В начале эпохи цифровых стандартов вопрос ёмкости решался естественным образом. В GSM емкость сети в несколько раз больше, в том числе за счёт временнОго разделения, каждый канал могут использовать 8 одновременно разговаривающих. Первые сети GSM работали в диапазоне 900 МГц, и сравнительно небольшого числа базовых станций хватало для обеспечения как емкости, так и покрытия даже в городах.

С ростом числа пользователей во всём мире начали строить двухдиапазонные сети GSM 900 и GSM 1800. Дальность действия базовых станций GSM 1800 намного меньше, зато емкость больше, такие «гибридные» сети прекрасно адаптировались к самым разным условиям. В городах строили кластеры базовых станций GSM 1800 в районах с большим количеством абонентов, при перемещении пользователя между кластерами он «перехватывался» сетью GSM 900, въехав в зону покрытия GSM 1800, телефон переключался в 1800, освобождая канал 900 МГц для других. «Дальнобойный» GSM 900 обеспечивал хорошее покрытие, а GSM 1800 – требуемую емкость. С ростом числа абонентов крупные города практически полностью закрывали станциями GSM 1800, в сельской местности хватало GSM 900.

Дальше — больше. В смысле, больше абонентов в бизнес-центрах, на предприятиях, в местах плотной застройки и т. п. Появились микросоты для отдельных зданий и даже пикосоты для помещений, например, конференц-залов. Решались проблемы индора как по «пробиваемости» стен, так и по требуемой емкости в условиях большого скопления абонентов. Вся эта многослойная сетевая инфраструктура городится из-за ограниченного частотного ресурса. Маломощные базовые станции могут работать близко друг к другу на одних и тех же частотах без помех и интерференций, обслуживая большое число пользователей одновременно. Собственно, даже на улицах крупных городов пришлось идти тем же путём: увеличивать число станций GSM 1800 с одновременным уменьшением их мощности для того, чтобы обслужить большее число абонентов. Теперь вопрос упирается в частоты, которых всем операторам катастрофически не хватает в крупных городах, из-за этого тратятся сумасшедшие деньги на строительство нескольких базовых станций там, где для обеспечения покрытия хватило бы одной.

«Третий лишний», замечание в тему

Хотя в данном случае «лишним» был четвёртый. Речь об отсутствии лицензий на частоты GSM у Ростелекома/Tele2. Регулярно читал возмущённые обсуждения того, что нехорошие люди просто не пускают хорошего оператора в Москву, ведь в других регионах прекрасно уживаются вместе четыре и даже пять операторов одновременно. Проблема была именно в GSM-частотах, которых хватало для работы пяти операторов в сравнительно небольших городах и оказалось мало даже для троих в мегаполисе, сотни базовых станций работают не столько для покрытия, сколько ради получения требуемой емкости сети. Если бы отобрали полосы частот у трёх операторов для выделения их четвёртому, то «просевшие» ёмкости действующих сетей потребовали бы миллиардных затрат на дополнительные базовые станции.

Но нет худа без добра. Сейчас Tele2 построил в Москве сети 3G/4G, и в отсутствие «дальнобойных» частот 900 МГц в компании вынуждены были сразу ставить много базовых станций 3G 2100 МГц. В итоге сеть в столице получилась плотная и с хорошим запасом по ёмкости. Хуже с покрытием Подмосковья, в малонаселенных местах строительство сети в этом диапазоне обходится неоправданно дорого.

Про покрытие

Возвращаемся к общим вопросам покрытия. В сетях 3G работает такое же сочетание диапазонов, как и в GSM. Сравнительно высокочастотные станции 2100 МГц дают нужную ёмкость в плотной застройке и в местах скопления людей, станции в диапазоне 900 МГц покрывают большие площади. А в городе «пробивают» толстые стены и обслуживают тех, кто оказался между зонами покрытия базовых станций 3G 2100 МГц. Также худо-бедно, но решается вопрос «мёртвой зоны» на юге Москвы и прилегающей территории Подмосковья, где полосы частот 3G 2100 МГц «большой тройки» пересекаются с частотами, на которых работает оборудование военных. Поэтому в этой зоне 3G у «большой тройки» в диапазоне 2100 МГц запрещён вообще либо разрешён местами с очень большими ограничениями по мощности. Живущие в тех краях обходятся медленным (обычно) 3G 900 МГц или теперь уже сетями LTE.

Кстати, об LTE. Аналогично основная нагрузка приходится на высокочастотный Band 7 (2600 МГц), а пока еще не очень распространенные сети Band 20 (800 МГц) хороши для покрытия больших площадей и связи в глубине зданий. Также всё больше запускается сетей LTE в диапазоне 1800 МГц на частотах, которые операторы частично «изымают» для этого из своего набора частот для GSM.

Формально получается, что чем больше стандартов поддерживает ваш оператор, тем больше вероятность того, что вы не останетесь без связи. Например, если у вашего оператора только 3G/4G связь, то велика вероятность терять голосовые звонки в помещениях, куда «не добивает» ближайшая базовая станция. Проверить это можно исключительно опытным путем, но чем больше стандартов есть у оператора, чем больше частот он использует, тем лучше.

Пара слов про оборудование, а конкретно телефоны, которые вы используете. В телефонах зачастую заявляется поддержка целого зоопарка стандартов, обычное описание выглядит так – GSM 850/900/1800/1900, 3G 900/2100, 4G LTE FDD, и дальше идет перечисление диапазонов или, как их еще называют, band’ов. Например, если в сети МегаФон есть поддержка LTE Advanced, то ваш смартфон или планшет также должны поддерживать эту технологию и эти частоты, иначе вы не получите никакой выгоды и большей скорости передачи данных. Обычно, большая часть устройств, продаваемых в России, поддерживает локальные частоты в полной мере, но «серые» аппараты могут предназначаться для других рынков, и там возможны любые сюрпризы. Самые неприятные из них – это отсутствие широко распространенного диапазона 20 для LTE, который используется в России, но не распространен в Азии. То есть, вы получите устройство, которое будет работать заведомо медленнее. Следует помнить, что передача данных всегда зависит как от оператора, так и от телефона, то есть устройства, в котором реализованы все эти стандарты.

Частотный ресурс невосполним, и операторы всегда боролись за него, получение лицензий на связь четвертого поколения (4G, LTE, 4G+ или LTE Advanced) в России обернулось острой конкуренцией. Так, в МегаФон за счет покупки ООО “Скартел” (торговая марка Yota) смогли получить максимальный набор частот для сетей 4G, в то время как другие операторы остались ни с чем. Получается, что у МегаФон емкость сетей 4G больше, чем у конкурентов, и при этом сеть управляется из одного центра. И агрегация собственных частот – это одна из причин, почему в МегаФон показывают рекордные скорости передачи данных, другие операторы тоже хотели бы так, но у них нет частотного ресурса. В МТС и Билайн быстро нашли выход, стали разделять свою инфраструктуру, использовать ее совместно. Это частично позволило избежать проблемы недостатка собственных частот, но все равно не дает выйти на тот же уровень, что у МегаФон. Теоретически, при аукционах на частоты для сетей 5G основная борьба развернется за то, кто и сколько этих частот сможет купить.

Наличие в одной сети всех стандартов связи от «старого» 2G до 4G+ дает возможность обслуживать одновременно очень разных абонентов. Например, это может быть бабушка или курьер с кнопочным телефоном для 2G, различные охранные системы или «умный» дом, построенный на управлении по SMS-каналу, что, как ни странно, остается самым надежным способом и сегодня, а также сверхсовременные устройства, дающие максимальную скорость в 4G+. Если вы точно знаете, что у вас никогда не возникнет потребности в 2G, то можете не думать об этом. Но попав в подвал, где ваши соседи будут получать звонки и SMS, вспомните, что 2G вовсе не так бесполезен и не так устарел, как кажется.

Чем больше в вашем телефоне поддерживаемых стандартов и чем больше их у вашего оператора, тем надежнее в большинстве случаев связь, особенно это касается мобильного интернета. Если нет 4G, то телефон предоставит вам 3G-соединение.

Про «дыхание» сот в 3G

Известный феномен, когда с увеличением нагрузки на сеть 3G размеры сот (площадь покрытия) уменьшаются. Вспомнился рассказ Ирвина Джекобса (Irwin M. Jacobs), тогдашнего председателя совета директоров Qualcomm. Познакомился с ним в Челябинске в далеком 1996 или 1997 году, точно не помню. Тогда Ирвин приезжал на первый в России запуск сети CDMA (is95) на оборудовании Qualcomm. Увлечённый, талантливый человек и отличный рассказчик, за пять минут «на пальцах» объяснил основные принципы стандартов сотовой связи, в которой я тогда очень мало чего понимал. Попробую изложить по памяти.

Если говорить об аналоговой сети, например, AMPS, то можно представить себе фрагмент сети как зал (принадлежащая оператору полоса частот), поделённый перегородками на комнаты. Двое заходят и общаются, разговор закончили — выходят и освобождают комнату для следующей пары. Если свободных комнат не оказалось, то желающие поговорить ждут снаружи.

В цифровой сети GSM/TDMA всё иначе. Самих комнаток больше, и в каждую комнату запускают сразу несколько пар собеседников, которые общаются по очереди. Например, первой паре «принадлежат» первые 10 секунд каждой минуты, третьей паре — интервал с 21-й по 30-ю секунды каждой минуты и так далее (временнОе разделение каналов). Качество общения хуже, зато не собираются толпы ожидающих перед закрытыми дверями.

В цифровой сети CDMA устроено интереснее. Сносим все перегородки и запускаем собеседников в общий зал. Фокус в том, что каждая пара разговаривает на своём языке, который все остальные не знают (кодовое разделение). Слышат-то всех, но языки чужие, и для разговаривающей пары это фоновый шум. Однако если одновременно разговаривающих становится много, то собеседники на разных концах зала перестают друг друга слышать, шум начинает мешать. Чем больше одновременно разговаривающих, тем меньше площадь зала, в пределах которой пары могут общаться.

Очень, очень примитивизированная идея, но с того разговора в Челябинске для меня понятия «временнОе разделение» и «кодовое разделение» перестали быть абстрактными и непонятными терминами. А челябинская сеть CDMA, кажется, была первой сетью этого стандарта в стране, хоть и насчитывала всего две базовые станции и сколько-то тысяч стационарных телефонов, которые этими станциями обслуживались. Вообще, в российской истории сотовой связи много интересной экзотики. Например, Билайн когда-то запустил в Москве вполне работоспособную сеть GSM только на частотах 1800 МГц. Во времена, когда частота 900 МГц считалась основной для сетей GSM.

Времена меняются, каждый оператор строит комбинированные сети, где оборудование разных поколений работает бок о бок, предоставляя нам с вами качественную связь. Надеюсь, после этого ликбеза у вас возникло понимание того, как устроена связь и почему важно, чтобы оператор поддерживал не только самые последние стандарты, но и «старые», а также имел большой частотный спектр. От этого зависит то, где и как вы сможете говорить по телефону.

И последнее, о чем надо сказать. Качество покрытия сети зависит не только от плотности установки базовых станций и их стандарта, но и от того, как они управляются, какими каналами связи они соединены, сколько абонентов есть на сети. В следующем материале мы затронем эти вопросы и рассмотрим их подробно.

Ссылки по теме

Ликбез №1. Как организована связь у операторов и что на нее влияет

Эльдар Муртазин ([email protected])

Сергей Потресов ([email protected])

Опубликовано — 30 марта 2016 г.

Поделиться:

Мы в социальных сетях: