Самый чувствительный телефон: вымыслы и реальность

Главная / Статьи / Самый чувствительный телефон: вымыслы и реальность

Вопрос о том, как выбрать самую чувствительную модель сотового телефона, в различной форме постоянно задают в салонах мобильной связи, обсуждают в интернет-конференциях. Да и в дискуссиях абонентов сетей сотовой связи он занимает не последнее место. Нередко спорщики, упорно доказывая преимущество их любимой модели, делятся на несколько непримиримых лагерей. При этом они обычно опираются на собственный опыт и результаты своих экспериментов. Желание человека, приобретающего мобильный телефон, выбрать аппарат, который обеспечил бы надежную связь и на даче, расположенной вдали от цивилизации, и в офисе, находящемся в недрах железобетонного здания, понятно и естественно. Особенно досадно бывает обнаружить, что купленный за несколько сотен долларов «крутой» телефон даже не может зарегистрироваться в сети там, где работают аппараты самых дешевых моделей. Ряд изданий, посвященных сотовой связи, а также инициативные группы любителей, стремясь помочь абонентам сделать правильный выбор, пытались проводить тестирование представленных на российском рынке моделей телефонов и составить их классификацию по критерию так называемой чувствительности. К сожалению, очень часто опубликованные результаты таких исследований иначе как курьезными назвать трудно. Например, в одном из обзоров разные модели телефонов фирмы Motorola М-серии получили хотя и близкие, но разные оценки «чувствительности», в то время как эти телефоны имеют одинаковые приемо-передающие устройства и отличаются лишь передней панелью корпуса и дисплеем.

Давайте попытаемся разобраться в проблеме, так волнующей абонентов сотовой связи и тех, кто собирается ими стать, и определить их шансы на успех в поисках самого чувствительного телефона. При этом сразу оговоримся, что речь пойдет о системе сотовой связи и телефонах стандарта GSM. Как уже, наверное, заметили читатели, знакомые с радиотехникой, то, что пользователи мобильной связи понимают под чувствительностью телефона, на самом деле — его способность работать в зоне неустойчивой связи. Ведь в радиотехнике понятие «чувствительность» относится к радиоприемнику и касается функции приема радиосигнала. В сотовом телефоне связь обеспечивается не только приемником, но и передатчиком и антенной. Совершенно очевидно, что пользоваться телефоном с очень чувствительным приемником, но неработающим передатчиком или антенной, невозможно. К сожалению, специального термина, характеризующего надежность работы телефона в зоне неустойчивой связи, пока нет, если не считать предлагаемых самими же пользователями полусерьезных вариантов, например «чутье» (Привет Грише Тав!). Итак, что же влияет на работоспособность мобильного телефона в зоне неустойчивой связи?

Влияние параметров телефона
Разные телефоны действительно могут иметь разную чувствительность приемников, т.е. способность правильно принимать сигнал при достаточно низком его уровне на входе приемника. Это вызвано тем, что при изготовлении всех деталей телефонов имеются небольшие допуски на размеры деталей, качество сырья, параметры комплектующих. В конечном итоге они приводят к отличиям характеристик даже разных экземпляров одной модели телефона. С другой стороны, в современных сотовых телефонах в ряде случаев применяются одинаковые микросхемы и многие другие компоненты, что позволяет обеспечить очень небольшие отличия характеристик телефонов, в том числе и чувствительности приемников. Стандартами сотовой связи определены и заданы уровни сигнала на входе приемника, при которых телефон должен правильно принимать информацию. При более низких уровнях сигнала качество работы приемника телефона не гарантируется, однако именно в таких условиях находится аппарат в зоне неустойчивой связи. Снижение уровня входного сигнала по-разному влияет на работу приемников телефонов, но какой-либо закономерности изменения их чувствительности в зависимости от модели и производителя не прослеживается (если, конечно, не сравнивать современные модели с очень старыми). Понятно, что при пониженной мощности передатчика телефона приемник базовой станции системы сотовой связи не сможет качественно принимать и обрабатывать его сигнал. Стандарты сотовой связи устанавливают требования к выходной мощности передатчика и, что очень важно для понимания рассматриваемого вопроса, допустимые пределы ее отклонения от номинального значения. Эти допуски позволяют удешевить производство телефонов, что очень важно для массовой продукции. Например, максимальная выходная мощность передатчика совершенно исправного телефона стандарта GSM может отличаться от номинального значения не более чем в 1,78 раза (на 2,5 дБ) в большую или меньшую сторону. Таким образом, параметры выходной мощности передатчиков двух телефонов могут отличаться друг от друга в 3,56 раза (на 5 дБ).

Теперь обратим наше внимание на антенну телефона, которая является одним из важных элементов и прямого (от базовой станции к телефону), и обратного (от телефона к базовой станции) канала связи. К сожалению, очень многие пользователи относятся к антенне как к декоративному элементу, заменяют ее на другую, например меньшего размера, телескопическую, мерцающую разноцветными огоньками, украшенную различными элементами и даже драгоценными камнями. При этом зачастую упускаются из виду функциональные характеристики антенны — далеко не все декоративные антенны работают столь же хорошо, как штатные. За последние годы антенны сотовых телефонов довольно сильно видоизменились. Еще два-три года назад они в основном представляли собой гибкие выдвижные «удочки», которые требовалось вытягивать на полную длину на время разговора. Сегодня антенны чаще всего или делают в виде небольшого выступа в верхней части корпуса телефона, или вообще встраивают внутрь, причем последние ничем не выдают своего присутствия и местоположения, и это может сыграть с абонентом злую шутку. Те из них, кто не имеет привычки читать инструкции по пользованию телефонами (в которых содержатся важные рекомендации), своими действиями существенно усложняют и без того непростые условия работы антенны. Например, можно видеть, как во время разговора пользователь держит телефон рукой так, что антенна оказывается у него в ладони или закрыта пальцами. А ведь рука поглощает радиоволны и тем самым может ослаблять в 10 и более раз (на 10 и более дБ!) как принимаемый, так и передаваемый телефоном сигнал. Существенно снижается отрицательное влияние рук, головы и туловища при использовании гарнитуры Hands free, поскольку это позволяет держать аппарат и, соответственно, его антенну на расстоянии от поглощающего радиоволны тела. Кроме того, пользователь телефона получает возможность, наблюдая за индикатором, найти и поддерживать то положение аппарата, при котором связь будет наилучшей.

Теперь рассмотрим параметры телефонов и некоторые факторы, которые для рядового пользователя менее очевидны, но значительно влияют на качество связи. Для автоматического управления работой телефона в цифровой сети сотовой связи необходима информация об уровнях сигналов базовых станций, которые может принимать телефон в месте его нахождения. Эта информация используется телефоном в режиме ожидания вызова для выбора той базовой станции, с которой в конкретный период времени условия связи считаются оптимальными, а во время разговора используется системой для принятия решения о переключении разговора на ту базовую станцию, с которой условия связи будут лучше. Для получения информации телефон должен «уметь» измерять уровень мощности входного сигнала на частотах, указанных системой, причем стандарты предусматривают допустимую ошибку измерения при работе в обычных условиях в 6,3 раза (+/-4 дБ), а в критических (жара, мороз и т. п.) — даже в 15,8 раза (+/-6 дБ). (Подчеркнем, что речь идет о допусках для исправных аппаратов, предусмотрены они для удешевления производства телефонов.)

Влияние природных и системных факторов
Реальные условия работы сотового телефона трудно назвать комфортными. Сигнал, принимаемый аппаратом, представляет собой комбинацию множества отраженных от окружающих предметов сигналов, достигающих антенны со случайными, трудно прогнозируемыми амплитудой и фазой. Из-за изменения условий распространения для разных составляющих амплитуда и фаза результирующего сигнала довольно быстро и в значительной степени изменяются. Этот эффект называется замираниями или федингом (fading). Исследования показывают, что в диапазонах частот, используемых в сотовой связи, даже при небольшом, всего на несколько сантиметров или десятков сантиметров, перемещении антенны или с течением времени уровень сигнала может изменяться в 100 и даже в 1000 раз (на 20—30 дБ). Людям кажется совершенно естественным, что во время телефонного разговора они могут и говорить, и слышать друг друга. Однако для того чтобы это было возможно, одновременно должны работать два канала радиосвязи — прямой и обратный. Сбой в работе даже одного из них создает проблемы для собеседников, а иногда делает проведение разговора вообще невозможным. Заметим, что для прямого и обратного каналов связи одновременно используются две разные частотные полосы, что приводит к возникновению некоторых технических проблем. В режиме ожидания вызова, т.е. до установления соединения, телефон не имеет никакой информации об условиях связи на обратном канале. Телефон может только измерить уровень сигнала, принимаемого на прямом канале, но об условиях связи на обратном канале и телефон и система могут только «догадываться». Разработчики стандартов GSM хорошо понимали эту проблему и, описывая правила выбора канала для настройки телефона на частоту передатчика базовой станции, указывали, что телефон настраивается на ту базовую станцию, с которой высокая вероятность установления связи на обратном канале. Вопреки имеющим место заблуждениям некоторых пользователей, находясь в режиме ожидания вызова, телефон не излучает сигнал постоянно, что позволило бы базовой станции принимать его и непрерывно отслеживать условия связи. Телефон включает передатчик на очень короткое время только при пересечении им границ областей, назначенных при проектировании сети, чтобы проинформировать систему о своем перемещении. Находясь в пределах одной области, он делает это с указанной системой периодичностью (один раз в несколько часов телефон коротким обменом информацией подтверждает свое присутствие в той же самой области). Каждая базовая станция системы сотовой связи передает на телефоны по каналу управления служебную информацию, содержащую среди прочего и минимальный уровень принимаемого телефоном сигнала, при котором аппарату разрешено «общаться» с данной базовой станцией в режиме ожидания вызова. Если уровень принимаемого телефоном сигнала ниже предписанного системой минимального значения, то аппарату запрещено общаться с данной базовой станцией.

Особенности поведения телефона в зоне неустойчивой связи
Теперь рассмотрим, как описанные выше параметры и факторы влияют на работоспособность сотового телефона в зоне неустойчивой связи, и постараемся объяснить, почему в сходных ситуациях разные телефоны ведут себя различно. Прежде всего, телефон пытается зарегистрироваться в сети. Для этого он должен принимать сигнал канала управления хотя бы от одной базовой станции с уровнем не меньшим, чем разрешает система. Предположим, что в месте расположения телефона реальный уровень сигнала базовой станции равен -103 дБм, а система сообщает ему, что доступ к ней разрешен при уровне -105 дБм. Если измеритель в приемнике телефона настроен так, что уровень сигнала занижается на 4 дБ (это, как мы уже говорили, вполне допустимо), то телефон справедливо решит, что уровень принимаемого сигнала (-107 дБм) слишком низок, и он не имеет права обращаться к системе. В результате аппарат не сможет зарегистрироваться в сети и название сети на его дисплее не появится. Другой телефон, у которого настройка измерителя уровня сигнала смещена на те же 4 дБ, но в другую сторону, в этом же месте и даже там, где реальный уровень сигнала будет не -103, а, например, -108 дБ, может зарегистрироваться в сети, и покажет на своем дисплее ее название. Абонент, наверняка, будет очень горд за свой сверхчувствительный телефон. Но прав ли он?

Вышеизложенное позволяет понять, почему из двух телефонов, находящихся, казалось бы, в равных условиях, один «видит» сеть и показывает на дисплее ее название (если только ему не запрещено в ней регистрироваться из-за отсутствия роумингового соглашения между операторами), а другой нет. Как видим, причина этого может заключаться лишь в том, что у этих телефонов по-разному настроены измерители уровней принимаемого сигнала, а вовсе не в том, что у одного чувствительность выше, и уж тем более это никак не связано ни с ценой, ни с качеством изготовления телефона. Активистам, жаждущим организовать «полевые испытания» телефонов с целью выявления наиболее чувствительной модели, напомним, что создать равные условия для двух телефонов практически невозможно, поскольку эти условия очень сильно изменяются в зависимости от расположения тестирующих. А можно ли доверять результатам сравнительных испытаний, проведенных в неравных условиях?

Теперь рассмотрим другие ситуации. Нередко абоненты жалуются на то, что им не могут дозвониться, хотя телефон «видит» сеть и даже показывает достаточно высокий уровень принимаемого от базовой станции сигнала. Мы не будем здесь говорить о случаях, связанных с перегруженностью каналов связи или коммутаторов, которая не позволяет системе предоставить свободный канал связи для проведения разговора, а более подробно остановимся на проблемах, возможных на участке радиосвязи «базовая станция – телефон». При поступлении звонка, предназначенного абоненту сотовой связи, система посылает сигнал вызова на его телефон. В ответ на это аппарат должен откликнуться. После проверки полномочий абонента (аутентификации) с ним будет установлено соединение на частотном канале, назначенном системой. Для того чтобы соединение состоялось, значения выходной мощности передатчиков телефона и базовой станции и чувствительности их приемников должны быть согласованы. Однако, как мы уже говорили, выходная мощность передатчика телефона может быть ниже номинального значения в 1,78 раза (на 2,5 дБ), да и условия на обратном канале связи могут быть существенно менее благоприятными, чем на прямом канале, по которому телефон принял вызов. В результате система может не «услышать» ответ телефона на вызов или установление соединения на канале, назначенном системой для проведения разговора (канале трафика), окажется невозможным. Из-за недостаточной информации об условиях связи на обратном канале могут происходить и разрывы соединения во время переключения с одной базовой станции на другую при передвижении абонента (handover). Наконец, в условиях низкого уровня сигнала основной причиной неудачного соединения может стать расположенный поблизости источник мощных помех.

У читателя вполне закономерно может возникнуть вопрос «А нельзя ли настроить телефон так, чтобы его параметры были наиболее благоприятными для связи?». И да, и нет. Дело в том, что для этого при производстве потребуется усложнить схемы и/или компоненты, отвечающие за настройку параметров, и поддержание их в заданных пределах. А это неизбежно увеличит стоимость телефонов. При существующих схемных и технических решениях можно изменить в некоторых пределах настройку параметров и приблизить их к разрешенным границам. Только это, с одной стороны, не гарантирует, что параметры не «убегут» за допустимые пределы под воздействием факторов окружающей среды (температуры, уровня влажности) и из-за старения, а с другой стороны, может снизить надежность телефона, поскольку при увеличении мощности передатчика работать ему придется в более напряженном режиме. Кроме того, неконтролируемое увеличение мощности передатчика сверх нормативного уровня, в том числе за счет внешних усилителей (бустеров), во многих сетях запрещено, так как это может создать помехи для работы не только других сотовых телефонов, но и определенных государственных служб (например, аэронавигационных).

Стоит упомянуть и о таком распространенном заблуждении пользователей. Иногда они пытаются сравнивать чувствительность телефонов разных моделей и производителей на основе показаний индикаторов уровня. Конечно, эти показания жестко связаны с результатами измерений уровня принимаемого сигнала. Однако, как мы уже говорили выше, измерения могут иметь различную точность, уровень сигнала может существенно изменяться даже при незначительном изменении положения телефона, а самое главное, вид индикаторов не регламентирован стандартами. Это касается не только расположения и количества полосок или кубиков – элементов индикатора, но и уровней сигнала, принимаемого телефоном, при которых появляется очередной элемент. Из этого следует, что сравнивать чувствительность телефонов по показаниям индикаторов уровней просто бессмысленно. Так как же выбрать модель телефона, которая наилучшим образом будет работать в зоне неустойчивой связи? Думаю, что, прежде всего, нужно обращать внимание на функциональные возможности телефона, удобство пользования, дизайн и, наконец, цену. А дальше — как повезет. В зоне с нормальным уровнем сигнала особенности параметров и настройки телефона никак не проявятся. В зоне же неустойчивой связи, слабого сигнала, если повезет и попадется телефон с более благоприятным вариантом настройки, он будет работать чуть лучше, если не повезет, связь будет чуть хуже или ее не будет вообще. В любом случае в зоне неустойчивой связи полезно помочь своему телефону, подключив внешнюю направленную антенну или хотя бы гарнитуру hands free. Ведь нельзя же требовать компенсации всех недостатков, которые имеет зона обслуживания оператора сотовой связи, только от маленького телефона.

Для справки (врезка):
Децибелы (дБ) — логарифмические единицы, широко используемые в радиотехнике для выражения отношения двух величин. Отношение напряжений (U) и мощностей (P) двух сигналов в децибелах можно выразить так:

N = 20 log (U1/U2) = 10 log (P1/P2)

Если в качестве одной из величин в отношении используется некое эталонное абсолютное значение, то появляется возможность выражать уже абсолютные значения в логарифмических единицах. Например, если принять за эталонное значение мощность 1 мВт, то другие абсолютные значения мощности можно будет выражать в логарифмических единицах «дБм» (децибел к милливатту), которые часто используются в радиотехнике. При этом положительные значения соответствуют уровням, превышающим эталонное значение, а отрицательные — уровням ниже эталонного значения.

Отличие условий связи на разных частотах (Эта врезка в печатный вариант статьи не попала)
Для иллюстрации этого эффекта рассмотрим следующую модельную ситуацию. Разместим телефон вблизи металлической поверхности, имитирующей некий предмет в реальной обстановке. Отражаясь от металлической плоскости, радиосигнал приобретает характер стоячей волны, причем на поверхности металла, согласно законам физики, уровень электрической составляющей поля сигнала должен быть равен нулю. Из-за различия частот прямого и обратного каналов положения максимумов и минимумов будут различны. В реальной жизни телефон может оказаться в условиях благоприятных или приемлемых для приема сигнала от базовой станции и очень неблагоприятных для передачи сигнала на базовую станцию. Сигнал передатчика телефона, отраженный от металла, будет просто гасить сигнал, пришедший на базовую станцию непосредственно от телефона.

Источник: http://servicedad.boom.ru