Помнится, в школьные годы многие задавались вопросом: «а зачем мне изучать основы физики или математического анализа, если в жизни мне это не пригодится?». Тогда казалось, что во взрослую жизнь можно идти, зная лишь простейшие математические операции (чтобы не ошибиться в магазине с продуктами). Но развитие технологий привело к тому, что рядовым пользователям в руки попали довольно мощные и сложные инструменты. Взять хотя бы мобильную связь. Чтобы грамотно выбирать оператора, понимать, почему где-то мобильная связь есть, а где-то ее нет, приходится вспоминать не только школьные учебники, но и вещи, выходящие далеко за их рамки.

Чтобы не блуждать по специализированной литературе, мы подготовили небольшой ликбез о частотах мобильной сети, который поможет сориентироваться.




Из школьного курса физики мы помним, что беспроводная связь — это передача данных с помощью электромагнитных волн радиодиапазона.

Немного теории беспроводной передачи данных

Данные (аналоговые или цифровые) «закладываются» в волну при помощи модуляции — процесса, при котором определенные параметры сигнала высокой частоты (несущего) изменяются с низкой частотой. Именно модуляция дает возможность использовать для передачи различной информации весь радиодиапазон, не ограничиваясь лишь частотами, соответствующими нашему голосу.

Модуляция аналогового сигнала

В процессе модуляции варьировать можно частоту, фазу или амплитуду колебаний, соответственно, для аналогового сигнала выделяют частотную, амплитудную и фазовую модуляцию. Они могут использоваться в чистом виде или в сочетании друг с другом для обеспечения большей помехозащищенности при передачи сигнала.
 

Рис. 1. Пример: амплитудная модуляция
 
При передаче аналогового сообщения передатчик использует модуляцию, чтобы «заложить» полезный сигнал в несущую частоту, и передает ее при помощи антенны приемнику. Последний проделывает обратную процедуру — демодуляцию — выделяя изначальный сигнал.
 
Модуляция меняет спектр передаваемого сигнала — с одной единственной частоты он расширяется, а степень и характер этих изменений зависят от типа модуляции. Таким образом, для передачи полезного сигнала без потерь необходима целая полоса частот, ширина которой в простейшем случае модуляции гармоническим сигналом грубо определяется двойной частотой модулирующего сигнала (см. рис. 2).
 

Рис. 2. Простейший пример: высокочастотная несущая модулируется низкочастотным гармоническим сигналом. В спектре суммарного сигнала появляются дополнительные частоты
 

Рис. 3. Спектр при частотной модуляции гармоническим сигналом
 
Существуют способы сжатия полосы спектра, необходимой для передачи информации, за счет более хитрых способов модуляции.

Модуляция цифрового сигнала

Для передачи цифрового сигнала — последовательности 0 и 1 — могут использоваться как указанные выше варианты модуляции в чистом виде, так и более сложные цифровые схемы.
 

Рис. 4. Амплитудная, частотная и фазовая модуляции дискретного сигнала
 
К ним можно отнести схемы, при которых дискретный сигнал проходит предварительную обработку перед модуляцией для сжатия итоговой спектральной полосы, требующейся для передачи сигнала с минимальными потерями. Хороший пример — используемая в стандарте GSM гаусcовская частотная модуляция с минимальным частотным сдвигом (Gaussian Minimum Shift Keying — GMSK) — разновидность частотной модуляции. Она сокращает спектральную полосу и допускает использование нелинейных усилителей, которые лучше подходят для маленького мобильного аппарата с ограниченной емкостью батареи. Помимо GSM, GMSK-модуляция используется в автоматической идентификационной системе на флоте, в Bluetooth, GPRS, EDGE, CDPD и других приложениях.
 
В сетях LTE используются иные варианты модуляции — OFDM и SC-FDMA, отличающиеся лучшей устойчивостью к помехам. Ранее эти схемы просто не могли быть реализованы из-за дороговизны требуемых вычислительных мощностей.

Радиодиапазон

До сих пор мы говорили о беспроводной передаче данных в отрыве от реальных частот. Теперь разберемся с радиодиапазоном. С точки зрения физики границы этого диапазона условны — к нему относятся электромагнитные волны с частотой от нескольких герц до десятков гигагерц.
 

Рис. 8. Положение радиодиапазона на шкале ЭМИ
 
В зависимости от частоты, электромагнитные волны по-разному рассеиваются и отражаются препятствиями. С учетом этого внутри упомянутого отрезка частот выделены диапазоны под различные нужды: радио, телевидение, военные и гражданские фиксированные службы, авиация, морское сообщение и т.п. К примеру, для связи с подводным флотом используются волны, способные проникать в глубь воды (длина волны — десятки километров, глубина проникновения — порядка десятков метров), а для космической связи выбран диапазон миллиметровых волн, проникающих через ионосферу Земли.
 
Упомянутые поддиапазоны сначала «резервировались» под определенные задачи инженерами, а затем их выделенный статус подтверждался международными соглашениями, учитывающими возможность распространения тех или иных сигналов за пределы географических границ (трансграничное согласование частотных присвоений — это тема отдельного долгого разговора). В ходе глобализации определилась и еще одна цель согласованного выделения частот — импорт и экспорт оборудования связи для своего сегмента.
 

Рис. 9. Радиодиапазон
 
С частью радиодиапазона рядовой пользователь не сталкивается ни разу в жизни, но есть определенные частоты, которыми он пользуется чуть ли не ежедневно, например:

• радиодиапазон, закрепленный за FM-станциями (FM — отсылка к частотной модуляции, принятой в диапазоне) — 87,5 — 108,0 МГц;
  
• «гражданский» или Си-Би (Citizen`s Band) диапазон 27 МГц (26,965—27,405 МГц) — известен радиолюбителям; диапазон активно использовался автомобилистами до повсеместного распространения мобильных телефонов;
  
• LPD — диапазон для маломощной пользовательской радиосвязи, в частности, пультов сигнализации, радионянь и прочих применений (тут выделено целых 3 диапазона: 403 — 410 МГц, 417 — 422 МГц и 433 — 447 МГц);
  
• эфирное телевидение (49,75 — 56,25 МГц для 1 частотного канала и т.п.);
  
• мобильная связь стандарта GSM, в частности, 890 — 915/935 — 960 МГц для GSM-900; 1710 — 1785/1805 — 1880 МГц для GSM-1800 (в других странах используются также GSM-450, GSM-850 и GSM-1900);
  
• 3G (UMTS: 1885 МГц — 2025 МГц для uplink и 2110 МГц — 2200 МГц для downlink);
  
• спутниковое телевидение (Ku-диапазон — 12-18 ГГц).
  

 
При выделении диапазона под определенные нужды оговаривается не только частота, но и другие параметры сигнала. Это необходимо, чтобы устройства, работающие в этом и соседних диапазонах, не мешали друг другу.

Законодательное регулирование

В России частотным регулированием (в части спектра, не переданной военным) занимается Государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ) — процесс регламентирует федеральный закон «О связи».
 
Для выделения частоты оператор подает заявку и ждет очередного заседания ГКРЧ. ГКРЧ принимает решение о выделении диапазона, но, если оно положительное, это еще не обещает запуска услуги. С этим решением, а также деталями планируемого строительства (точками размещения базовых станций, мощностями передатчиков и т.п.) оператор идет в ФГУП «ГРЧЦ», где проверяется совместимость стандарта связи, который предполагается использовать на данной частоте, с существующим и планируемым к использованию оборудованием соседних диапазонов. На этом этапе оператор может получить отказ, например, от военных. Процедура, к слову, платная, вне зависимости от результата.
 
Лишь после этого Федеральная служба по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций выдает разрешение. Если на частоту претендует несколько операторов, ресурс распределяется на конкурсной, а в последнее время — на аукционной основе.
 
Существует такая процедура, как расчистка частот — когда по заказу оператора военными или другими заинтересованными организациями высвобождается определенный диапазон частот. Но этот процесс никак не регламентирован — все держится на взаимной договоренности компаний.
 
Частотный диапазон может выделяться на ограниченный срок (10 лет) на всей территории страны или в отдельном регионе (поэтому у федерального оператора может быть разный набор лицензий в разных частях страны). По истечении срока, указанного в разрешении, документы переоформляются, если, конечно, нет причин отказа, например, диапазон запланирован под другую технологию.
 
Получая частоту, оператор берет на себя определенные обязательства: начать предоставлять услуги, под которые выделяется частота, в течение заранее оговоренного срока. Речь в данном случае идет не только о мобильной связи, но о беспроводных услугах вообще — трансляция телевидения, интернет. Если это условие не выполняется, оператор может лишиться диапазона.
 
Политика оплаты использования частот за время существования мобильной связи менялась несколько раз. Сначала операторы платили за каждый объект связи (базовую станцию), затем — за использование частот в отдельном регионе (условия выделения частоты при этом могли содержать пункт о выплате денежной компенсации предыдущему владельцу диапазона, как это было при выделении частот LTE на конкурсе 2012 года). А т.к. разрешения на разные участки спектра в разных регионах оформлялись не единовременно, условия оказались неодинаковыми для отдельных участников рынка, что выливалось в склоки и борьбу компаний между собой за ценный ресурс. В последние годы был принят ряд мер, уравнивающих права компаний на частоты. В частности, с 2015 года начались аукционы (это совершенно не означает, что теперь все частоты выделяются в рамках аукционов, но до 2015 года подобной практики не было), а в 2016 вышло обобщенное решение о распределении частот, уравнивающее условия использования частот (зону покрытия, допустимые технологии для отдельных участков спектра и т.п.).
 
Текущая «картина» распределения частот в Москве (на ноябрь 2016) представлена на рисунке ниже.

Рис. 10. Распределение частот в Москве
 
Лидерами по количеству частот под цифровую мобильную связь в России на данный момент являются МТС и Мегафон.

Диапазоны мобильной связи

Как видно из схемы, под гражданскую мобильную связь выделено довольно много отрезков частотного спектра где-то между 300 и 3000 МГц, которые поделены между действующими на данной территории операторами.

На разных частотах действуют работают разные стандарты связи — эта ситуация складывалась исторически, по мере развития и внедрения операторами новых поколений, выделения частот в ходе аукционов или конкурсов, высвобождения участков спектра из под устаревших технологий.

О поколениях мобильной связи
Стандарты современной мобильной связи описаны в спецификации 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project) — партнерства ведущих организаций в сфере стандартизации телекоммуникационных технологий. В названии партнерства речь идет о «третьем поколении» связи, но GSM обычно рассматривается в качестве 2 и 2.5 поколения (2G и 2.5G, соответственно). После завершения работы над спецификацией GSM, организация занялась разработкой 3G (UMTS), а затем pre-4G (LTE) и 4G (LTE-Advanced).
 

Рис. 11. Развитие мобильной связи
 
Повсеместно разработанные 3GPP стандарты не заменяют друг друга, а сосуществуют вместе, в рамках сетей одних операторов — новые технологии не одномоментно вытесняют старые.
 
Если рассматривать ситуацию в теории, то все указанные частотные отрезки могут использоваться под связь 4G: сети нового поколения разрабатывались так, чтобы максимально задействовать существующую инфраструктуру. С расчетом на это 3GPP классифицировали возможные диапазоны (bands), присвоив каждому порядковый номер и дав рекомендации по деталям организации передачи (в частности, по способу деления канала между абонентами). Общий список каналов можно найти здесь.
 
На практике некоторые участки спектра закреплены ГКРЧ за определенными технологиями, так что начать там предоставление услуг оператор не может (например, в диапазоне 2100 МГц должны предоставляться услуги 3G, хотя операторы с удовольствием отвели бы его под LTE). Для других же действует принцип технологической нейтральности, согласно которому оператор, владеющий частотой, может использовать ее не только для организации связи по стандарту GSM, но и для технологий следующих поколений (3G, 4G). В итоге у нас же на момент написания данной статьи для 4G используются лишь диапазоны 3 (1800 МГц), 7 (2600 МГц), 20 (800 МГц) и 38 (2600 МГц) в классификации 3GPP.

Учитывая разницу в характере распространения волн каждого из диапазонов в помещении и на открытом пространстве, а также различие в политике операторов относительно поддержки этих диапазонов, пользователям при выборе оборудования приходится превращаться в специалистов по частотному регулированию.
 
Наилучшим вариантом будет аппарат с поддержкой всех используемых у нас диапазонов. Но «минимально рекомендуемый» вариант — это поддержка диапазонов 3 и еще одного: 7 или 38 (в зависимости от оператора).
 
Если не учитывать диапазоны, можно остаться вообще без 4G, как это происходит с владельцами некоторых американских iPhone SE (а именно — модели A1662): в списке диапазонов LTE, поддерживаемых устройством, лишь 20-й как-то развивается в России, и то не во всех регионах (в моделях для международного рынка также присутствует диапазон 7, распространенный у нас, и 38 для TD-LTE).

Оптимизация использования частотного ресурса

Емкость — один из основных параметров операторской сети. Она характеризует техническую возможность по оказанию определенных услуг: чем выше емкость — тем большее число абонентов можно обслужить одновременно при прочих равных.

Общая емкость неизбежно зависит от ширины спектральной полосы (а также ее расположения в радиодиапазоне). Так что операторами востребованы технологии все более эффективного использования доступной спектральной полосы, реализуемые в каждом последующем поколении мобильной связи.
 
В 2G для повышения емкости (на фоне аналоговых стандартов и цифровой связи первого поколения) использовалось сочетание FDMA и TDMA. Во-первых, абонентские устройства были разделены по частотным каналам по принципу FDMA (Frequency Division Multiple Access — множественный доступ с частотным разделением каналов).
 

Рис. 13. TDMA и FDMA
 
Сети третьего поколения используют иной принцип разделения частотных каналов — кодовый или CDMA (Code Division Multiple Access), который позволяет повысить емкость сети при том же используемом частотном диапазоне, а заодно и обеспечить больший уровень безопасности.
В сетях LTE используется либо временное, либо частотное разделение каналов (TDD и FDD, соответственно), но реализованы они иначе, нежели в GSM (2G). TDD (TD-LTE) использует всю ширину спектральной полосы (от 1,4 до 20 МГц) для передачи данных в двух направлениях по очереди; при этом временные отрезки для передачи данных в каждом из направлений могут быть не равны. В FDD (FD-LTE) диапазон разделяется на 2 полосы в общем случае не равных полосы: для каждого из направлений передачи данных. Спецификация рекомендует применять либо FDD, либо TDD для каждого из предписанных для LTE диапазонов (http://en.wikipedia.org/wiki/LTE_frequency_bands#Frequency_bands_and_channel_bandwidths), поскольку метод TDD показал себя лучше на высоких частотах, а FDD, соответственно, на низких. Стоит отметить, что особенность стандарта LTE позволяет сравнительно недорого интегрировать поддержку обоих методов в одном устройстве, поэтому оборудование, поддерживающие и FDD, и TDD не редкость.

Дополнительно пропускная способность доступного спектра в LTE увеличивается за счет технологии многоантенной передачи MIMO (Multiple input-multiple output).

Глазами конечного абонента

Последний момент, о котором хотелось бы поговорить в этой статье — то, как выглядят услуги глазами конечных абонентов.
 
Скорость передачи данных для абонента неизбежно зависит от ширины спектральной полосы, отведенной для его потока информации. Если в поколениях 2G и 3G скорость была ограничена самим стандартом связи, то благодаря нововведениям 4G, скорость в большей степени определяется возможностями устройства.
 
В 4G (а точнее в LTE-Advanced, признанном Международным союзом электросвязи истинным стандартом 4G) появился механизм увеличения абонентской скорости — агрегация частот, в том числе из разных частотных диапазонов. В зависимости от характеристик устройство может задействовать до 4 полос по 20 МГц (в двух столицах на данный момент задействовать можно максимально 3 полосы у «Мегафона»). Для агрегации 4х несущих устройство должно относиться к категории 16 (CAT16). 4х4 MIMO совместно с агрегацией позволяет скачивать данные на таких устройствах со скоростью до 980 Мбит/с. 3 несущие агрегируют устройства категорий 9 и 12 (CAT9 со скростью до 450 Мбит/с и CAT12 с 600 Мбит/с, соответственно), а наиболее простые устройства CAT4 вовсе не агрегируют, достигая скорости не более 150 Мбит/с. Подробнее о непосредственно моделях, поддерживающих ту или иную скорость,здесь.

Работает ли заявленная теорией агрегация на практике в условиях реального радиоприема? В рамках тестов Мегафоном на оборудовании Huawei была продемонстрирована скорость в 1 Гбит/с. Для этого использовалась агрегация трех несущих.