Проблемы мобильной связи: помехи, мертвые зоны и эволюция стандартов

Требования к надежности мобильных устройств. Мобильные телефоны по своей природе должны обладать повышенной прочностью и надежностью, поскольку постоянно подвергаются воздействию агрессивных внешних факторов. К ним относятся конденсирующаяся влага, механические вибрации и удары, а также резкие перепады температур. Хотя конструкция аппарата, используемые компоненты и схемы рассчитаны на длительную безотказную работу, различные ситуации могут негативно влиять на качество соединения. Как правило, подобные проблемы обусловлены, в первую очередь, нестабильностью радиоканала, устанавливаемого между мобильным телефоном и базовой станцией (Node B, eNodeB в более поздних стандартах).

Причины и природа обрывов связи. Перерывы (обрывы) связи во время разговора являются распространенной проблемой. Радиосигналы в диапазонах 800-900 МГц распространяются прямолинейно, но их распространение сопряжено с трудностями. Сигнал может ослабляться из-за поглощения его энергии парами воды в атмосфере, а также отражаться от препятствий, таких как стены зданий, холмы или горы. В результате на определенных участках мощность сигнала может упасть до уровня, при котором происходит его полная потеря. Схемы управления базовой станцией спроектированы так, чтобы кратковременные перерывы не воспринимались системой как завершение вызова (аналог положенной трубки). В большинстве случаев такие кратковременные прерывания расцениваются пользователем как досадная, но не критическая помеха.

Обрывы связи также характерны для удаленных районов зоны покрытия, где отсутствуют соседние базовые станции, необходимые для процедуры хэндовера (передачи обслуживания абонента между сотами). В такой ситуации движущийся абонент будет наблюдать постепенное ослабление сигнала, которое начинается с коротких пауз и заканчивается полным разрывом соединения. Единственным практическим способом борьбы с этой проблемой является изменение маршрута движения для восстановления устойчивого сигнала. Это явление напрямую связано с ограниченным радиусом действия отдельной сотовой ячейки.

Понятие и причины возникновения «мертвых зон». «Мертвые зоны» (Dead Zones) возникают по тем же причинам, что и кратковременные обрывы, но носят устойчивый характер. Их наличие типично для местности со сложным рельефом (горы, холмы), где естественные преграды полностью блокируют распространение радиоволн. В урбанистических условиях высотные здания создают искусственные «мертвые зоны», экранируя сигнал или вызывая сложные явления отражения. При этом радиосигнал многократно отражается от стен, и различные его компоненты, приходя на антенну приемника с разной временной задержкой, интерферируют друг с другом. Это широко распространенное явление известно как многолучевая интерференция (Multipath Interference).

Поскольку в «мертвой зоне» сигнал отсутствует продолжительное время, алгоритмы управления базовой станцией интерпретируют это как завершение вызова пользователем. В результате связь прерывается принудительно, в отличие от кратковременных обрывов, которые система пытается игнорировать. Борьба с «мертвыми зонами» требует инженерных решений, таких как установка дополнительных пикосот или фемтосот (маломощных базовых станций) внутри зданий и на сложных участках рельефа для локального улучшения покрытия.

Ограничения аналогового стандарта AMPS. Система AMPS (Advanced Mobile Phone System) являлась ведущим аналоговым стандартом первого поколения (1G), но обладала рядом существенных недостатков. К ее ключевым ограничениям относились: невысокая пропускная способность системы, ограниченность доступного частотного диапазона, что лимитировало число одновременных соединений, и отсутствие свободных частот для расширения. Кроме того, система была плохо приспособлена для передачи данных, обеспечивала минимальную защищенность разговоров от прослушивания и была высоко уязвима для мошенничества, такого как клонирование SIM-карт (в более позднем понимании) или перехват идентификаторов. Несмотря на эти недостатки, AMPS получила широкое распространение в США, странах Южной Америки, Китае и Австралии.

Эволюция аналоговых систем: переход к NAMPS. Развитием стандарта AMPS стала Узкополосная аналоговая система мобильной связи (NAMPS), относящаяся к условному второму поколению. Она была разработана конкретно для решения основной проблемы AMPS — низкой пропускной способности. Это было достигнуто за счет использования более узких голосовых каналов шириной 10 кГц (по сравнению с 30 кГц в AMPS) и внедрения цифровых сигналов управления. На практике это означало, что в частотном диапазоне, ранее занятом одним каналом AMPS, можно было разместить три канала NAMPS, что втрое увеличивало емкость сети без расширения полосы частот.

Развитие систем сотовой связи в мире. Исторически сложились значительные различия между системами сотовой связи, действовавшими в США и Европе. Европейские аналоговые системы работали в диапазоне 890-989 МГц с шириной канала 25 кГц. Аналоговый стандарт TACS (Total Access Communication System), основанный на AMPS, использовался в Великобритании, но был полностью вытеснен цифровыми технологиями, такими как GSM (Global System for Mobile Communications) и DCS-1800. В Канаде продолжала развиваться система в диапазоне 800 МГц, а аналогичное оборудование нашло применение в странах Ближнего и Дальнего Востока, демонстрируя фрагментированность рынка до глобального доминирования единых цифровых стандартов.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Шемякин А. Н., Прудыус А. С. и др.

Источник: Публикации представляет собой компиляцию из открытых источников, описывающих принципы работы ранних систем беспроводной связи (DECT, PACS, PHS). Устройство, монтаж и эксплуатация контактной сети и высоковольтных линий электропередачи

Публикации предназначены для подготовки и повышения квалификации специалистов, обслуживающих электроснабжение железных дорог, студентов и начинающих специалистов в области телекоммуникаций, радиотехники и электроники.