Netzwerkfrequenzen und Kapazität waren alles, was Sie fragen wollten.

    Ich erinnere mich, dass in den Schuljahren viele die Frage stellten: „Warum sollte ich die Grundlagen der Physik oder der mathematischen Analyse studieren, wenn dies für mich im Leben nicht nützlich ist?“. Dann schien es, als könntest du ins Erwachsenenalter gehen und nur die einfachsten mathematischen Operationen kennen (um im Supermarkt keinen Fehler zu machen). Aber die Entwicklung der Technologie hat dazu geführt, dass normale Benutzer sehr leistungsfähige und hochentwickelte Werkzeuge erhalten. Nehmen Sie zumindest die mobile Kommunikation. Um den Betreiber richtig zu wählen, um zu verstehen, warum es irgendwo mobile Kommunikation gibt, aber wo nicht, müssen Sie sich nicht nur an Schulbücher erinnern, sondern auch an Dinge, die weit über ihren Rahmen hinausgehen.

    Um nicht in der Fachliteratur herumzuwandern, haben wir ein kleines Bildungsprogramm zu den Frequenzen des Mobilfunknetzes zusammengestellt, das Ihnen bei der Orientierung hilft.




    Aus dem Schulphysikkurs wissen wir, dass drahtlose Kommunikation die Übertragung von Daten unter Verwendung elektromagnetischer Wellen der Funkreichweite ist.

    Ein bisschen drahtlose Datentheorie


    Daten (analog oder digital) werden mithilfe von Modulation in die Welle „eingebettet“ - ein Prozess, bei dem sich bestimmte Parameter eines Hochfrequenz- (Träger-) Signals mit einer niedrigen Frequenz ändern. Es ist die Modulation, die es ermöglicht, den gesamten Funkbereich für die Übertragung verschiedener Informationen zu nutzen, nicht nur für die Frequenzen, die unserer Stimme entsprechen.

    Analoge Modulation


    Während des Modulationsprozesses können Sie die Frequenz, Phase oder Amplitude der Oszillationen variieren. Bei einem analogen Signal werden Frequenz, Amplitude und Phasenmodulation isoliert. Sie können in reiner Form oder in Kombination miteinander verwendet werden, um eine höhere Störfestigkeit während der Signalübertragung zu erzielen.
     

    Abb. 1. Beispiel: Amplitudenmodulation
     
    Beim Senden einer analogen Nachricht „legt“ der Sender das Nutzsignal mittels Modulation in die Trägerfrequenz und sendet es mit einer Antenne an den Empfänger. Letzterer führt die umgekehrte Prozedur durch - Demodulation - Hervorheben des ursprünglichen Signals.
     
    Die Modulation ändert das Spektrum des übertragenen Signals - von einer einzelnen Frequenz aus, die sich ausdehnt, und der Grad und die Art dieser Änderungen hängen von der Art der Modulation ab. Damit ein Nutzsignal verlustfrei übertragen werden kann, wird ein ganzes Frequenzband benötigt, dessen Breite im einfachsten Fall der Modulation durch ein harmonisches Signal grob durch die doppelte Frequenz des Modulationssignals bestimmt wird (siehe Abb. 2).
     

    Abb. 2. Das einfachste Beispiel: Ein Hochfrequenzträger wird durch ein niederfrequentes Oberwellensignal moduliert. Zusätzliche Frequenzen erscheinen im Spektrum des Gesamtsignals
     

    Abb. 3. Spektrum zur Frequenzmodulation durch ein harmonisches Signal
     
    Es gibt Verfahren zum Komprimieren des für die Informationsübertragung erforderlichen Spektrumsbandes aufgrund ausgefeilterer Modulationsverfahren.

    Digitale Signalmodulation


    Zur Übertragung eines digitalen Signals - Sequenzen 0 und 1 - können sowohl die oben genannten reinen Modulationsoptionen als auch komplexere digitale Schaltungen verwendet werden.
     

    Abb. 4. Amplituden-, Frequenz- und Phasenmodulation eines diskreten Signals
     
    Diese umfassen Schemata, bei denen ein diskretes Signal vor der Modulation einer vorläufigen Verarbeitung unterzogen wird, um das gesamte Spektralband zu komprimieren, das erforderlich ist, um ein Signal mit minimalem Verlust zu übertragen. Ein gutes Beispiel ist das im GSM-Standard verwendete Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK), eine Art Frequenzmodulation. Es reduziert das Spektralband und ermöglicht die Verwendung von nichtlinearen Verstärkern, die besser für kleine Mobilgeräte mit begrenzter Akkukapazität geeignet sind. Zusätzlich zu GSM wird die GMSK-Modulation im automatischen Identifikationssystem der Marine, in Bluetooth, GPRS, EDGE, CDPD und anderen Anwendungen verwendet.
     
    Andere Modulationsoptionen werden in LTE-Netzen verwendet - OFDM und SC-FDMAgekennzeichnet durch eine bessere Störfestigkeit. Zuvor konnten diese Schemata aufgrund der hohen Kosten für die erforderliche Rechenleistung einfach nicht implementiert werden.

    Funkreichweite


    Bisher haben wir über drahtlose Datenübertragung isoliert von realen Frequenzen gesprochen. Kommen wir nun zur Funkreichweite. Aus physikalischer Sicht sind die Grenzen dieses Bereichs beliebig - dazu gehören elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz von mehreren Hertz bis mehreren zehn Gigahertz.
     

    Abb. 8. Position der Funkreichweite auf der EMP-Skala
     
    Abhängig von der Frequenz werden elektromagnetische Wellen unterschiedlich gestreut und von Hindernissen reflektiert. Vor diesem Hintergrund wurden innerhalb des genannten Frequenzbereichs Bereiche für verschiedene Bedürfnisse zugewiesen: Radio, Fernsehen, militärische und zivile Festdienste, Luftfahrt, Seekommunikation usw. Beispielsweise werden Wellen verwendet, die tief ins Wasser eindringen können (Wellenlänge - Zehn Kilometer, Eindringtiefe - Zehn Meter), um mit der U-Boot-Flotte zu kommunizieren, und eine Reihe von Millimeterwellen, die durch die Ionosphäre der Erde dringen, wird für die Weltraumkommunikation ausgewählt.
     
    Die genannten Teilbereiche wurden zunächst von Ingenieuren für bestimmte Aufgaben „reserviert“ und anschließend durch internationale Vereinbarungen, die die Möglichkeit der Ausbreitung bestimmter Signale über geografische Grenzen hinweg berücksichtigen, auf ihren Status hin bestätigt (die grenzüberschreitende Koordinierung von Frequenzzuteilungen ist ein Thema für ein gesondertes langes Gespräch). Im Zuge der Globalisierung wurde ein weiteres Ziel einer koordinierten Frequenzzuteilung festgelegt - der Import und Export von Kommunikationsgeräten für sein Segment.
     

    Abb. 9.
     
    Funkreichweite Der durchschnittliche Benutzer hat in seinem Leben noch keinen Teil der Funkreichweite erreicht. Es gibt jedoch bestimmte Frequenzen, die er fast täglich verwendet, zum Beispiel:
    • die den UKW-Sendern zugewiesene Funkreichweite (UKW - eine Referenz zur Frequenzmodulation, die im Bereich angewendet wird) - 87,5 - 108,0 MHz;
    • "Civilian" - oder CBS-Band (Citizen`s Band) von 27 MHz (26.965-27.405 MHz) - bekannt für Amateurfunk; Die Reichweite wurde von Autofahrern aktiv genutzt, bis Mobiltelefone allgegenwärtig wurden.
    • LPD - ein Bereich für Benutzerfunkkommunikation mit geringem Stromverbrauch, insbesondere für Alarmtafeln, Babyphone und andere Anwendungen (hier sind bis zu 3 Bänder zugeordnet: 403 - 410 MHz, 417 - 422 MHz und 433 - 447 MHz);
    • terrestrisches Fernsehen (49,75 - 56,25 MHz für 1 Frequenzkanal usw.);
    • Mobilfunk nach GSM-Standard, insbesondere 890 - 915/935 - 960 MHz für GSM-900; 1710 - 1785/1805 - 1880 MHz für GSM-1800 (in anderen Ländern werden auch GSM-450, GSM-850 und GSM-1900 verwendet);
    • 3G (UMTS: 1885 MHz - 2025 MHz für die Aufwärtsstrecke und 2110 MHz - 2200 MHz für die Abwärtsstrecke);
    • Satellitenfernsehen (Ku-Band - 12-18 GHz).

     
    Bei der Zuweisung eines Bereichs für bestimmte Anforderungen werden nicht nur die Frequenz, sondern auch andere Signalparameter angegeben. Dies ist erforderlich, damit Geräte, die in diesem und in benachbarten Bereichen betrieben werden, sich nicht gegenseitig stören.

    Gesetzliche Regelung


    In Russland befasst sich die staatliche Kommission für Funkfrequenzen (SCRF) mit der Frequenzregulierung (in dem Teil des Spektrums, der nicht an das Militär übertragen wird) - das Verfahren wird durch das Bundesgesetz über Kommunikation geregelt.
     
    Um die Frequenz zuzuweisen, reicht der Bediener einen Antrag ein und wartet auf die nächste SCRF-Besprechung. SCRF entscheidet über die Zuteilung der Reichweite, aber wenn dies positiv ist, verspricht dies nicht, den Dienst zu starten. Mit dieser Entscheidung sowie den Einzelheiten des geplanten Baus (Standorte der Basisstationen, Senderkapazitäten usw.) geht der Betreiber an das Landesunternehmen „GRCHC“, wo die Kompatibilität des Kommunikationsstandards, der auf dieser Frequenz verwendet werden soll, mit dem bestehenden und geplanten genutzt werden soll Ausrüstung benachbarter Bereiche. In diesem Stadium kann dem Betreiber beispielsweise das Militär verweigert werden. Das Verfahren wird übrigens unabhängig vom Ergebnis bezahlt.
     
    Erst danach erteilt der Bundesdienst für Kommunikationsaufsicht, Informationstechnologie und Massenkommunikation eine Genehmigung. Wenn mehrere Betreiber die Frequenz beanspruchen, wird die Ressource auf Wettbewerbsbasis und in jüngerer Zeit auf Auktionsbasis verteilt.
     
    Es gibt ein Verfahren wie die Frequenzfreigabe, bei dem auf Anordnung des Betreibers ein bestimmter Frequenzbereich von militärischen oder anderen interessierten Organisationen freigegeben wird. Dieser Prozess ist jedoch in keiner Weise geregelt - alles beruht auf dem gegenseitigen Einvernehmen der Unternehmen.
     
    Der Frequenzbereich kann für einen begrenzten Zeitraum (10 Jahre) im ganzen Land oder in einer bestimmten Region zugewiesen werden (daher kann der Bundesbetreiber in verschiedenen Teilen des Landes unterschiedliche Lizenzen haben). Nach dem in der Genehmigung angegebenen Zeitraum werden die Dokumente erneut ausgestellt, es sei denn, es gibt natürlich Gründe für die Ablehnung, zum Beispiel ist die Reichweite für eine andere Technologie geplant.
     
    Mit dem Empfang der Frequenz übernimmt der Betreiber bestimmte Verpflichtungen: Er muss damit beginnen, Dienste bereitzustellen, für die die Frequenz innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums vergeben wird. In diesem Fall geht es nicht nur um mobile Kommunikation, sondern um drahtlose Dienste im Allgemeinen - Fernsehen, Internet. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, kann der Bediener die Reichweite verlieren.
     
    Die Zahlungsweise für die Nutzung von Frequenzen über die gesamte Lebensdauer der Mobilkommunikation hat sich mehrfach geändert. Zuerst bezahlten die Betreiber für jede Kommunikationseinrichtung (Basisstation), dann - für die Nutzung von Frequenzen in einer separaten Region (die Bedingungen für die Zuteilung von Frequenzen könnten eine Klausel über die Zahlung einer Geldentschädigung an den Vorbesitzer der Reichweite enthalten, wie dies bei der Zuteilung von LTE-Frequenzen beim Wettbewerb 2012 der Fall war). Und seitdem Genehmigungen für verschiedene Teile des Spektrums in verschiedenen Regionen wurden nicht gleichzeitig erteilt, die Bedingungen für einzelne Marktteilnehmer waren nicht dieselben, was zu Streitigkeiten und einem Kampf zwischen Unternehmen um eine wertvolle Ressource führte. In den letzten Jahren wurde eine Reihe von Maßnahmen ergriffen, um die Rechte von Unternehmen an Frequenzen auszugleichen. Insbesondere begannen die Auktionen im Jahr 2015 (dies bedeutet jedoch nicht, dass jetzt alle Frequenzen im Rahmen von Auktionen vergeben werden,
     
    Das aktuelle „Bild“ der Häufigkeitsverteilung in Moskau (Stand November 2016) ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

    Abb. 10. Frequenzverteilung in Moskau
     
    Die derzeit führenden Frequenzen für die digitale Mobilkommunikation in Russland sind MTS und Megafon.

    Mobile Bereiche


    Wie Sie aus dem Diagramm ersehen können, sind ziemlich viele Segmente des Frequenzspektrums, die zwischen 300 und 3000 MHz liegen, für den zivilen Mobilfunk vorgesehen, der auf die in dem jeweiligen Gebiet tätigen Betreiber aufgeteilt ist.

    Unterschiedliche Kommunikationsstandards arbeiten mit unterschiedlichen Frequenzen - diese Situation hat sich in der Vergangenheit entwickelt, da Betreiber neue Generationen entwickelt und eingeführt, Frequenzen während Auktionen oder Wettbewerben zugeteilt und Teile des Spektrums von veralteten Technologien befreit haben.

    Über Generationen von Mobilkommunikation
    Standards der modernen Mobilkommunikation sind in der Spezifikation von 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project) beschrieben - einer Partnerschaft führender Organisationen auf dem Gebiet der Standardisierung von Telekommunikationstechnologien. Der Name der Partnerschaft bezieht sich auf die „dritte Generation“ der Kommunikation, aber GSM wird normalerweise als 2 und 2,5 Generationen (2G bzw. 2,5G) betrachtet. Nach Abschluss der Arbeiten an der GSM-Spezifikation begann die Organisation mit der Entwicklung von 3G (UMTS) und anschließend von 4G (LTE) und 4G (LTE-Advanced).

     

    Abb. 11. Entwicklung der Mobilkommunikation: Die
     
    universell entwickelten 3GPP-Standards ersetzen sich nicht gegenseitig, sondern existieren innerhalb der Netze derselben Betreiber zusammen - neue Technologien ersetzen nicht gleichzeitig alte.
     
    Wenn wir die theoretische Situation berücksichtigen, können alle angegebenen Frequenzsegmente für die 4G-Kommunikation verwendet werden: Die Netze der neuen Generation wurden so konzipiert, dass die vorhandene Infrastruktur optimal genutzt wird. In diesem Sinne hat 3GPP die möglichen Bänder klassifiziert, jedem eine Seriennummer zugewiesen und Empfehlungen zu Einzelheiten der Übertragungsorganisation (insbesondere zur Aufteilung des Kanals zwischen den Teilnehmern) gegeben. Eine allgemeine Liste der Kanäle finden Sie hier .
     
    In der Praxis werden einige Abschnitte des Spektrums von SCRC bestimmten Technologien zugewiesen, sodass der Betreiber dort nicht mit der Bereitstellung von Diensten beginnen kann (beispielsweise sollten 3G-Dienste im 2100-MHz-Band bereitgestellt werden, obwohl die Betreiber dies gerne unter LTE übernehmen würden). Für andere gilt der Grundsatz der Technologieneutralität, wonach der Betreiber, dem die Frequenz gehört, sie nicht nur zur Organisation der Kommunikation nach dem GSM-Standard, sondern auch für Technologien der nächsten Generationen (3G, 4G) nutzen kann. Daher verwenden wir zum Zeitpunkt des Schreibens dieses Artikels für 4G nur die Bänder 3 (1800 MHz), 7 (2600 MHz), 20 (800 MHz) und 38 (2600 MHz) in der 3GPP-Klassifizierung.

    Angesichts der unterschiedlichen Art der Wellenausbreitung der einzelnen Bereiche im Raum und im offenen Raum sowie der unterschiedlichen Richtlinien der Betreiber hinsichtlich der Unterstützung dieser Bereiche müssen sich die Benutzer bei der Auswahl der Geräte in Spezialisten für Frequenzregelung verwandeln.
     
    Die beste Option wäre ein Gerät mit Unterstützung für alle von uns verwendeten Bänder. Die empfohlene Mindestoption ist jedoch die Unterstützung der Bereiche 3 und 1: 7 oder 38 (je nach Bediener).
     
    Wenn Sie die Reichweiten nicht berücksichtigen, können Sie ganz ohne 4G auskommen, wie es bei den Besitzern einiger amerikanischer iPhone SE (nämlich des Modells A1662) der Fall ist: In der Liste der vom Gerät unterstützten LTE-Reichweiten entwickelt sich nur die 20. irgendwie in Russland in allen regionen (in den modellen für den internationalen markt gibt es auch eine palette von 7, die bei uns üblich ist, und 38 für TD-LTE).

    Optimierung der Frequenzressourcennutzung


    Die Kapazität ist einer der Hauptparameter des Netzbetreibers. Es kennzeichnet die technische Fähigkeit, bestimmte Dienste bereitzustellen: Je höher die Kapazität, desto mehr Teilnehmer können gleichzeitig bedient werden, wobei alle anderen Dinge gleich sind.

    Die Gesamtkapazität hängt unweigerlich von der Breite des Spektralbandes (sowie von seiner Position im Funkbereich) ab. Betreiber sind daher nach Technologien gefragt, um das verfügbare Spektralband, das in jeder nachfolgenden Mobilfunkgeneration implementiert ist, immer effektiver zu nutzen.
     
    In 2G wurde eine Kombination aus FDMA und TDMA verwendet, um die Kapazität zu erhöhen (vor dem Hintergrund analoger Standards und digitaler Kommunikation der ersten Generation). Zunächst wurden Teilnehmergeräte nach dem FDMA-Prinzip (Frequency Division Multiple Access) nach Frequenzkanälen aufgeteilt.
     

    Abb. 13. TDMA und FDMA
     
    Netze der dritten Generation verwenden ein anderes Prinzip der Frequenzkanaltrennung - Code oder CDMA (Code Division Multiple Access), mit dem Sie die Netzwerkkapazität bei gleichem Frequenzbereich erhöhen und gleichzeitig ein höheres Maß an Sicherheit bieten können.
    LTE-Netze verwenden entweder Zeit- oder Frequenzteilung von Kanälen (TDD bzw. FDD), aber sie sind anders als in GSM (2G) implementiert. TDD (TD-LTE) nutzt die gesamte spektrale Bandbreite (1,4 bis 20 MHz), um Daten nacheinander in zwei Richtungen zu übertragen. Die Zeitintervalle für die Datenübertragung in jede der Richtungen sind jedoch möglicherweise nicht gleich. Bei FDD (FD-LTE) ist der Bereich im allgemeinen Fall ungleicher Bänder in zwei Bänder unterteilt: für jede der Datenübertragungsrichtungen. In der Spezifikation wird empfohlen, entweder FDD oder TDD für jeden der für LTE vorgeschriebenen Bereiche anzuwenden ( http://en.wikipedia.org/wiki/LTE_frequency_bands#Frequency_bands_and_channel_bandwidths)), da das TDD-Verfahren bei hohen Frequenzen bzw. FDD bei niedrigen Frequenzen besser funktioniert. Es ist erwähnenswert, dass Sie mit einer Funktion des LTE-Standards die Unterstützung für beide Methoden relativ kostengünstig in einem Gerät integrieren können, sodass Geräte, die sowohl FDD als auch TDD unterstützen, keine Seltenheit sind.

    Zusätzlich wird die Bandbreite des verfügbaren Spektrums in LTE aufgrund der Technologie der Mehrantennenübertragung MIMO (Multiple Input Multiple Output) erhöht.

    Durch die Augen des Endbenutzers


    Der letzte Punkt, über den ich in diesem Artikel sprechen möchte, ist, wie die Dienste aus der Sicht der Endbenutzer aussehen.
     
    Die Datenübertragungsrate für den Teilnehmer hängt unweigerlich von der für seinen Informationsfluss zugewiesenen spektralen Bandbreite ab. Wenn in den 2G- und 3G-Generationen die Geschwindigkeit durch den Kommunikationsstandard selbst begrenzt war, wird die Geschwindigkeit dank der 4G-Innovationen weitgehend von den Fähigkeiten des Geräts bestimmt.
     
    In 4G (und genauer gesagt in LTE-Advanced, das von der International Telecommunication Union als der wahre 4G-Standard anerkannt wurde) ist ein Mechanismus zur Erhöhung der Teilnehmergeschwindigkeit aufgetreten - die Aggregation von Frequenzen, auch aus verschiedenen Frequenzbereichen. Abhängig von den Eigenschaften kann das Gerät bis zu 4 Bänder mit 20 MHz verwenden (in zwei Hauptstädten können derzeit maximal 3 Bänder bei Megafon verwendet werden). Für die 4-Träger-Aggregation muss das Gerät der Kategorie 16 (CAT16) zugeordnet sein. Mit 4x4 MIMO und Aggregation können Sie Daten auf solchen Geräten mit einer Geschwindigkeit von bis zu 980 Mbit / s herunterladen. 3 Carrier aggregieren Geräte der Kategorien 9 und 12 (CAT9 mit Geschwindigkeiten von bis zu 450 Mbit / s bzw. CAT12 mit 600 Mbit / s), und die einfachsten CAT4-Geräte aggregieren überhaupt nicht und erreichen Geschwindigkeiten von nicht mehr als 150 Mbit / s. Weitere Informationen zu den Modellen selbst,hier .

    Funktioniert die theoretisch deklarierte Aggregation in der Praxis im realen Radioempfang? Im Rahmen der Tests zeigte Megafon auf Huawei-Geräten eine Geschwindigkeit von 1 Gbit / s. Hierzu wurde eine Aggregation von drei Trägern verwendet.

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