Как позвонить по мобильному в Арктику и можно ли дозвониться до Марса
Семилетняя Даша нашла во дворе птенца: он выпал из гнезда и жалобно пищит. Отнести его в дом или будет только хуже? Надо позвонить папе, он подскажет. Правда, папа сейчас далеко — в Арктике. Девочка вынимает из кармана смартфон и вызывает абонента. Как голос Даши преодолеет тысячи километров, а ее телефон отыщет среди миллиардов устройств мобильный отца, откуда связь за полярным кругом, и что же будет с птенцом — выясняла «Энергия+».
От голоса до радиосигнала
Звук голоса Даши — это колебания воздуха, продольная волна, которая приводит в движение мембрану. Она есть в каждом микрофоне, в том числе и в наших смартфонах. На мембрану подается напряжение, и во время разговора звуковая волна превращается в переменный электрический ток.
Следующая задача смартфона — превратить электричество в радиоволны, чтобы передать сигнал без проводов. Для этого на антенну устройства подается переменный ток, из-за чего вокруг нее образуется магнитное поле. Переменное магнитное поле генерирует переменное электрическое, а оно — снова магнитное, и так далее. Чередование полей — это электромагнитное колебание, волна, частота которой зависит от частоты колебаний тока на антенне. В смартфоне это миллиарды колебаний в секунду, электромагнитная волна с такой частотой относится к радиоволнам.
Ток с микрофона и ток на антенне — это два разных тока. Первый используется для управления вторым. Ток на антенне порождает радиоволну, ток с микрофона сообщает «умной» электронике, как эту волну нужно видоизменить, чтобы записать на нее Дашино сообщение.
Можно ли перехватить разговор по мобильному телефону? Сделать устройство, принимающее сигналы с мобильных телефонов, несложно. Радиоволна будет принята любым приемником, работающим на нужной частоте. Но подслушать чужой разговор не получится. Сигнал передается в зашифрованном виде, и ключи от шифра есть только в памяти смартфона и базовой станции, с которой он связывается. Злоумышленник не услышит в своем приемнике ничего, кроме абракадабры.
Радиосигнал летит со скоростью света — триста тысяч километров в секунду. Он долетит до Арктики за доли секунды. Но есть загвоздка. Сигнал летит во все стороны сразу. Он похож на расширяющийся мыльный пузырь, в центре которого — Даша. Когда он долетит до пункта назначения в тысячах километров от девочки, радиус этого пузыря составит тысячи километров. Его поверхность будет иметь огромную площадь, по которой размажется скромная энергия сигнала. Он так ослабеет, что антенна папиного смартфона не сможет его принять.
Следующая станция — папа
Радиоволне с Дашиного смартфона не нужно лететь до Арктики. Достаточно добраться до ближайшей вышки сотовой связи — базовой станции. Она передаст звонок на ту вышку, рядом с которой находится папа. Кстати, где он?
Даша мысленно повторяет: «Восточно-Мессояхское месторождение». Папа объяснял ей, что работает на самом северном континентальном месторождении нефти в России (из тех, что на суше и где нефть уже добывается). Базовой станции Дашин папа не рассказывал о своем месте работы, откуда же ей знать, где он находится? Проснувшись, папа-геолог включил смартфон, который тут же начал искать в эфире сигнал с ближайшей базовой станции. Выбирать долго не пришлось: станция там одна. Восточно-Мессояхское — первое в России месторождение с 4G-связью.
Почему связь иногда ухудшается?
Самая распространенная причина — вы слишком далеко от базовой станции. Если поблизости есть другая, система передаст вас ей, если нет — сигнал может и совсем потеряться. Связь ухудшается и там, куда трудно проникнуть радиоволнам, например в подвалах и лифтах.
Смартфон Дашиного отца сообщил станции «паспортные данные» своей SIM-карты. Компьютер передал в систему информацию: «Ближайшая к Дашиному папе базовая станция — здесь!».
Как добраться до Крайнего Севера
На базовой станции сигнал испытывает новое превращение. Он становится лазерным лучом — электромагнитной волной в инфракрасном диапазоне. Луч направляется по жиле оптического кабеля — очень длинной «нити» из специального стекла. В нем инфракрасное излучение поглощается и рассеивается не так сильно, как видимый свет. Впрочем, по ходу кабеля все равно ставят промежуточные лазеры для усиления сигнала.
Луч движется не строго вдоль оптического волокна, а наискосок. Он то и дело наталкивается на его внутреннюю поверхность и отражается от нее, причем полностью, не выходя из стеклянной жилы, — так подобран угол падения луча.
Оптоволокно не дотягивается до самого Восточно-Мессояхского месторождения. Прокладывать кабель на Крайнем Севере непросто.
Дмитрий Мальцев
эксперт по сетям мобильной радиосвязи «Газпром нефти»
Линию связи требуемой емкости для высокоскоростного интернет-подключения 4G в удаленных регионах гораздо сложнее организовать, чем в городе.
«Нет готовой инфраструктуры для установки оборудования сотовой связи, — рассказывает Дмитрий, — приходится строить капитальные антенно-мачтовые сооружения, причем с запасом ветровой устойчивости и специальными фундаментами для болотистой местности или вечной мерзлоты. Масса таких сооружений достигает десятков тонн — доставить в тундру можно только вертолетом».
Для связи с удаленными территориями есть спутники. Сигнал доходит до антенны, нацеленной в космос. Здесь он снова превращается в радиоволну, только куда более мощную, чем от мобильного телефона. Она распространяется не во все стороны, а только в направлении спутника, не теряя свою мощность. Спутник принимает сигнал и отправляет его обратно на Землю, в пункт назначения. Там радиоволну принимает спутниковая «тарелка», сигнал снова преобразуется и мчится до станции, а затем — к антенне смартфона.
Можно ли дозвониться до Марса?
В межпланетной связи нет ничего невозможного. Связь с марсоходами так и поддерживается. Сигнал с Земли посылают на мощную передающую антенну, она отправляет его на искусственный спутник Марса, а тот — на антенну марсохода. Можно ли обойтись маленькой передающей антенной самого смартфона? Теоретически да, тогда принимающая антенна будет довольно большой: 70–100 метров в диаметре. Единственный минус: радиосигнал до Красной планеты идет несколько минут, так что оживленной «беседы» не получится.
Когда сигнал прилетает на смартфон, все идет в обратном порядке. Радиоволны превращаются в ток, электроника читает сигнал и дает команды на динамик. Мембрана динамика вибрирует с нужной частотой, и отец слышит голос дочери.
— Папа, — выдыхает Даша в трубку, — что мне делать с птенцом?..
— Опиши его, — просит папа. — Птенец стоит на лапках? Даже бегает? Значит, он уже большой. Не трогай его, с ним все в порядке, он просто учится летать.
В мобильном разговоре, который не состоялся бы без огромного числа преобразований сигнала, папа подсказал Даше, какое решение принять, и согрелся теплом общения с дочкой, находящейся за тысячи километров от него. Ради этого, а еще для обсуждения важных и срочных рабочих вопросов, и строятся в суровых условиях базовые станции связи, несмотря на то, что разведкой и добычей энергоресурсов давно и успешно управляют без устной отмашки — дистанционно из офисов в больших городах.
