Применение сотовой связи. Как устроена и работает мобильная сотовая связь

Самым распространенным на сегодня видом мобильной связи является сотовая связь. Услуги сотовой связи предоставляются абонентам компаниями-операторами.

Беспроводную связь сотовому телефону предоставляет сеть базовых станций.

Каждая станция обеспечивает доступ к сети на ограниченной территории, площадь и конфигурация которой зависит от рельефа местности и других параметров. Перекрывающиеся зоны покрытия создают структуру, похожую на пчелиные соты; от этого образа и происходит термин «сотовая связь». При перемещении абонента его телефон обслуживается то одной, то другой базовой станцией, причем переключение (смена соты) происходит в автоматическом режиме, совершенно незаметно для абонента, и никак не влияет на качество связи. Такой подход позволяет, используя радиосигналы малой мощности покрывать сетью мобильной связи большие территории, что обеспечивает этому виду коммуникаций, помимо эффективности, еще и высокий уровень экологичности.

Компания-оператор не только технически обеспечивает мобильную связь, но и вступает в экономические взаимоотношения с абонентами, которые приобретают у нее некоторый набор основных и дополнительных услуг. Так как видов сервисов достаточно много, расценки на них объединяют в комплекты, именуемые тарифными планами. Вычислением стоимости оказанных каждому абоненту услуг занимается билинговая система (программно-аппаратная система, ведущая учет предоставленных абоненту услуг и сервисов).

Билинговая система оператора взаимодействует с аналогичными системами других компаний, например, предоставляющих абоненту услуги роуминга (возможность пользоваться мобильной связью в других городах и странах). Все взаиморасчеты за мобильную связь, в том числе и в роуминге, абонент производит со своим оператором, который является для него единым расчетным центром.

Роуминг – доступ к сервисам мобильной связи за пределами зоны покрытия сети «домашнего» оператора, с которым у абонента заключен контракт.

Находясь в роуминге, абонент обычно сохраняет свой телефонный номер, продолжает пользоваться своим сотовым телефоном, совершая и принимая звонки точно так же, как и в домашней сети. Все необходимые для этого действия, включая межоператорский обмен трафиком и привлечение по мере необходимости ресурсов других коммуникационных компаний (например, обеспечивающих трансконтинентальную связь), производятся автоматически и не требуют от абонента дополнительных действий. Если домашняя и гостевая сети предоставляют услуги связи в разных стандартах, роуминг все равно возможен: абоненту на время поездки могут выдать другой аппарат, при этом сохраняя его телефонный номер и автоматически маршрутизируя звонки.

История сотовой связи.

Работы по созданию гражданских систем мобильной связи начались в 1970-х. К этому моменту развитие обычных телефонных сетей в европейских странах достигло такого уровня, что следующим шагом в эволюции коммуникаций могла стать только доступность телефонной связи везде и всюду.

Сети на первом гражданском стандарте сотовой связи – NMT-450 – появились в 1981. Хотя наименование стандарта представляет собой сокращение слов Nordic Mobile Telephony («мобильная телефония северных стран»), первая на планете сотовая сеть была развернута в Саудовской Аравии. В Швеции, Норвегии, Финляндии (и других странах Северной Европы) сети NMT заработали на несколько месяцев позднее.

Через два года – в 1983 – на территории США была запущена первая сеть стандарта AMPS (Advanced Mobile Phone Service), созданного в исследовательском центре Bell Laboratories.

Стандарты NMT и AMPS, которые принято относить к первому поколению систем сотовой связи, предусматривали передачу данных в аналоговой форме, что не позволяло обеспечить должный уровень помехоустойчивости и защиты от несанкционированных подключений. Впоследствии у них появились усовершенствованные за счет использования цифровых технологий модификации, например, DAMPS (первая буква аббревиатуры своим появлением обязана слову Digital – «цифровой»).

Стандарты второго поколения (так называемого 2G) – GSM, IS-95, IMT-MC-450 и др., изначально созданные на основе цифровых технологий, превосходили стандарты первого поколения по качеству звука и защищенности, а также, как выяснилось впоследствии, по заложенному в стандарт потенциалу развития.

Уже в 1982 Европейская Конференция Администраций Почт и Электросвязи (CEPT) создала группу для разработки единого стандарта цифровой сотовой связи. Детищем этой группы стал GSM (Global System for Mobile Communications).

Первая сеть GSM была запущена в эксплуатацию в Германии в 1992. Сегодня GSM является господствующим стандартом сотовой связи как в России, так и во всем мире. В 2004 в нашей стране GSM-сети обслуживали свыше 90% абонентов сотовой связи; в мире GSM использовало 72% абонентов.

Для работы оборудования стандарта GSM выделено несколько диапазонов частот – на них указывают числа в названиях. В европейском регионе в основном используются GSM 900 и GSM 1800, в Америке – GSM 950 и GSM 1900 (на момент утверждения стандарта в США «европейские» частоты там оказались заняты другими службами).

Популярность стандарту GSM обеспечили его значимые для абонентов особенности:

– защищенность от помех, перехвата и «двойников»;

– наличие большого числа дополнительных сервисов;

– возможность при наличии «надстроек» (таких, как GPRS, EDGE и др.) обеспечивать передачу данных с высокими скоростями;

– присутствие на рынке большого количества телефонных аппаратов, работающих в сетях стандарта GSM;

– простота процедуры смены одного аппарата на другой.

В процессе развития сотовые сети стандарта GSM приобрели возможности расширения за счет некоторых «надстроек» над действующей инфраструктурой, обеспечивающих скоростную передачу данных. GSM-сети с поддержкой GPRS (General Packet Radio Service) получили название 2,5G, а GSM-сети с поддержкой стандарта EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution) иногда называют сетями 2,75G.

В конце 1990-х в Японии и Южной Корее появились сети третьего поколения (3G). Основное отличие стандартов, на которых построены сети 3G, от предшественников – расширенные возможности скоростной передачи данных, что позволяет реализовывать в таких сетях новые сервисы, в частности, видеотелефонию. В 2002–2003 первые коммерческие сети 3G начали работать и в некоторых странах Западной Европы.

Хотя в настоящее время сети 3G существуют лишь в ряде регионов мира, в инженерно-технических лабораториях крупнейших компаний уже ведутся работы по созданию стандартов сотовой связи четвертого поколения. Во главу угла при этом ставится не только дальнейшее увеличение скорости передачи данных, но и повышение эффективности использования пропускной способности частотных диапазонов, выделенных для мобильной связи, чтобы получать доступ к сервисам могло большое количество абонентов, находящихся на ограниченной территории (что особенно актуально для мегаполисов).

Другие системы мобильной связи.

Кроме сотовой связи, сегодня существуют и другие гражданские коммуникационные системы, также обеспечивающие мобильную связь по радиоканалам, но построенные на иных технических принципах и ориентированные на другие абонентские терминалы. Они менее распространены, чем сотовая связь, но находят применение, когда использование сотовых телефонов затруднено, невозможно или экономически невыгодно.

Становится все популярнее стандарт микросотовой связи DECT, который используется для коммуникаций на ограниченной территории. Базовая станция стандарта DECT способна обеспечивать трубкам (их может обслуживаться до 8 одновременно) связь между собой, переадресацию вызовов, а также выход в телефонную сеть общего пользования. Потенциал стандарта DECT позволяет обеспечивать мобильную связь в пределах городских микрорайонов, отдельных компаний или квартир. Они оказываются оптимальными в регионах с малоэтажной застройкой, абоненты которых нуждаются только в голосовой связи и могут обходиться без мобильной передачи данных и других дополнительных сервисов.

В спутниковой телефонии базовые станции располагают на спутниках, находящихся на околоземных орбитах. Спутники обеспечивают связь там, где развертывание обычной сотовой сети невозможно или нерентабельно (в море, на обширных малонаселенных территориях тундры, пустынь и т.д.).

Транкинговые сети, обеспечивающие абонентским терминалам (их принято называть не телефонами, а радиостанциями) связь в пределах определенной территории, представляют собой системы базовых станций (ретрансляторов), которые осуществляют передачу радиосигнала от одного терминала к другому при их значительном удалении друг от друга. Поскольку транкинговые сети обычно обеспечивают связь сотрудникам ведомств (МВД, МЧС, «Скорая помощь» и т.д.) или на технологических площадках большого размера (вдоль автотрасс, на стройке, на территории заводов и т.д.), то транкинговые терминалы не имеют развлекательных возможностей и дизайнерских изысков в оформлении.

Носимые радиостанции устанавливают связь друг с другом напрямую, без промежуточных коммуникационных систем. Мобильную связь такого типа предпочитают как государственные (милиция, пожарная охрана и т.д.) и ведомственные структуры (для коммуникаций в пределах складского комплекса, паркинга или стройки), так и частные лица (грибники, охотники-рыболовы или туристы), в ситуациях, когда проще и дешевле использовать для связи между собой карманные радиостанции, чем сотовые телефоны (например, в отдаленных районах, где отсутствует покрытие сотовых сетей).

Пейджинговая связь обеспечивает получение коротких сообщений на абонентские терминалы – пейджеры. В настоящее время пейджинговые коммуникации в гражданской связи практически не используются, из-за своих ограничений они вытеснены в область узкоспециализированных решений (например, служат для оповещения персонала в крупных медицинских учреждениях, передачи данных на информационные электронные табло и т.д.).

С 2004 все более широкое распространение получает новый подвид мобильной связи, предоставляющий возможность высокоскоростной передачи данных по радиоканалу (в большинстве случаев для этого используется протокол Wi-Fi). Зоны с Wi-Fi-покрытием, доступным для публичного использования (платного или бесплатного), называются хот-спотами. Абонентскими терминалами в этом случае являются компьютеры – как ноутбуки, так и КПК. Они могут обеспечивать и двустороннюю голосовую связь через Интернет, но эта возможность используется крайне редко, в основном соединение применяется для доступа к наиболее распространенным интернет-сервисам – электронной почте, веб-сайтам, системам мгновенного обмена сообщениями (например, ICQ) и т.д.

Куда движется мобильная связь.

В развитых регионах основным направлением развития мобильной связи на ближайшее будущее является конвергенция: обеспечение абонентским терминалам автоматического переключения с одной сети на другую с целью наиболее эффективного использования возможностей всех коммуникационных систем. Экономить средства абонентов и улучшать качество связи позволит автоматическое переключение, например, с GSM на DECT (и обратно), со спутниковой связи на «наземную», а при обеспечении беспроводной передачи данных – между GPRS, EDGE, Wi-Fi и другими стандартами, многие из которых (например, WiMAX) только ожидают своего часа.

Место мобильной связи в мировой экономике.

Коммуникации являются наиболее динамично развивающейся отраслью мировой экономики. Но мобильные коммуникации даже по сравнению с другими направлениями «телекома» развиваются опережающими темпами.

Еще в 2003 общее число мобильных телефонов на планете превысило количество стационарных аппаратов, подключенных к проводным сетям общего пользования. В некоторых странах количество абонентов мобильной связи уже в 2004 было больше числа жителей. Это означает, что некоторые люди использовали более одного «мобильного» – например, два сотовых телефона, обслуживаемых у разных операторов, или телефон для голосовой связи и беспроводной модем для мобильного доступа в Интернет. Кроме того, все больше модулей беспроводной связи требовалось для обеспечения технологических коммуникаций (в этих случаях абонентами являются не люди, а специализированные компьютеры).

В настоящее время операторы сотовой связи обеспечивают полное покрытие территории всех экономически развитых регионов планеты, однако экстенсивное развитие сетей продолжается. Новые базовые станции устанавливаются для улучшения приема в тех местах, где имеющаяся сеть по каким-либо причинам устойчивый прием обеспечить не может (например, в длинных тоннелях, на территории метрополитена и т.д.). Кроме того, сотовые сети постепенно проникают в регионы с низким уровнем доходов населения. Развитие технологий мобильной связи, сопровождающееся резким удешевлением оборудования и услуг, делает сотовые сервисы доступными все большему числу людей на планете.

Производство сотовых телефонов является одним из наиболее динамично развивающихся направлений индустрии высоких технологий.

Быстро растет и индустрия обслуживания мобильных телефонов, предлагающая аксессуары для персонификации аппаратов: от оригинальных звонков (рингтонов) до брелоков, графических заставок, наклеек на корпус, сменных панелей, чехлов и шнурков для ношения аппарата.

Виды телефонов.

Сотовый (мобильный) телефон – абонентский терминал, работающий в сотовой сети. По сути, каждый сотовый телефон является специализированным компьютером, который ориентирован, в первую очередь, на обеспечение (в зоне покрытия домашней или гостевой сети) голосового общения абонентов, но также поддерживает обмен текстовыми и мультимедийными сообщениями, снабжен модемом и упрощенным интерфейсом. Передачу голоса и данных современные мобильные телефоны обеспечивают в цифровой форме.

Раннее существовавшее разделение аппаратов на «недорогие», «функциональные», «бизнес-» и «имиджевые» модели все больше теряет смысл – бизнес-аппараты приобретают черты имиджевых моделей и развлекательные функции, в результате использования аксессуаров недорогие телефоны становятся имиджевыми, а у имиджевых быстро растет функциональность.

Миниатюризация трубок, пик которой пришелся на 1999–2000, завершилась по вполне объективным причинам: аппараты достигли оптимального размера, дальнейшее их уменьшение делает неудобным нажатие кнопок, чтение текста на экране и т.д. Зато сотовый телефон стал настоящим предметом искусства: к разработке внешнего вида аппаратов привлекают ведущих дизайнеров, а владельцам предоставляются широкие возможности персонифицировать свои аппараты самостоятельно.

В настоящее время производители уделяют особое внимание функциональности мобильных телефонов, причем как основным (увеличивается время автономной работы, улучшаются экраны и т.д.), так и дополнительным их возможностям (в аппараты встраивают цифровые фотокамеры, диктофоны, МР3-плееры и прочие «сопутствующие» устройства).

Практически все современные аппараты, за исключением некоторых моделей нижнего ценового диапазона, позволяют загружать программы. Большинство аппаратов может исполнять Java-приложения, увеличивается количество телефонов, использующих операционные системы, унаследованные от КПК или портированные с них: Symbian, Windows Mobile for Smartphones и т.д. Телефоны со встроенными операционными системами называют смартфонами (от комбинации английских слов «smart» и «phone» – «умный телефон»).

В качестве абонентских терминалов сегодня могут использоваться также коммуникаторы – карманные компьютеры, снабженные модулем с поддержкой GSM/GPRS, а иногда EDGE и стандартов третьего поколения.

Неголосовые сервисы сотовых сетей.

Абонентам сотовых сетей доступен целый ряд неголосовых сервисов, «ассортимент» которых зависит от возможностей конкретного телефона и от спектра предложений компании-оператора. Перечень сервисов в домашней сети может отличаться от списка услуг, доступных в роуминге.

Сервисы могут быть коммуникационными (обеспечивающими различные формы связи с другими людьми), информационными (например, сообщающими о прогнозе погоды или рыночных котировках), обеспечивающими доступ в Интернет, коммерческими (для оплаты с телефонов различных товаров и услуг), развлекательными (мобильные игры, викторины, казино и лотереи) и другими (сюда относится, например, мобильное позиционирование). Сегодня появляется все больше сервисов, находящихся «на стыке», например, большинство игр и лотерей являются платными, появляются игры, использующие технологии мобильного позиционирования, и т.д.

Практически всеми операторами и большинством современных аппаратов поддерживаются следующие сервисы:

– SMS – Short Message Service – передача коротких текстовых сообщений;

– MMS – Multimedia Messaging Service – передача мультимедиа-сообщений: фотографий, видеороликов и т.п.;

– автоматический роуминг;

– определение номера звонящего абонента;

– заказ и получение различных средств персонификации непосредственно по каналам сотовой связи;

– выход в Интернет и просмотр специализированных (WAP) сайтов;

– закачка рингтонов, картинок, информационных материалов со специализированных ресурсов;

– передача данных с помощью встроенного модема (она может осуществляться по различным протоколам в зависимости от того, какие технологии поддерживает конкретный аппарат).

Мобильная связь в России.

В СССР гражданских систем мобильной связи не было. С некоторой натяжкой «гражданской» можно назвать систему мобильной телефонии «Алтай», построенную на базе стандарта МРТ-1327, которая на рубеже 1970–80-х создавалась для обеспечения связью представителей партийного, государственного и хозяйственного руководства. «Алтай» успешно эксплуатируется и поныне. Разумеется, он не может конкурировать с сотовыми сетями, но находит применение для решения некоторых узкоспециализированных задач: обеспечения связью мобильных подразделений городских аварийных служб, телефонизации летних кафе и т.д.

Первые коммерческие сотовые сети, построенные по стандарту NMT, были созданы в России осенью 1991. Пионерами мобильной телефонии в нашей стране были компании «Дельта Телеком» (Санкт-Петербург) и «Московская сотовая связь». Первый звонок по сотовому телефону был сделан 9 сентября 1991 в Санкт-Петербурге: Анатолий Собчак, занимавший тогда пост мэра города, звонил своему коллеге – мэру Нью-Йорка.

В июле 1992 первые звонки были совершены в AMPS-сети «БиЛайн».

Первая российская сеть стандарта GSM, созданная компанией МТС, начала подключение абонентов в июле 1994.

В 2005 в России существуют три федеральных оператора сотовой связи, предоставляющих услуги в стандарте GSM: МТС, «БиЛайн» и «МегаФон». Спектр и качество предлагаемых ими телекоммуникационных услуг, а также расценки на них примерно одинаковы. К 2005 количество базовых станций в сетях ведущих столичных операторов в Москве и ближайшем Подмосковье составило около 3000, а площадь зоны покрытия превысила площади большинства европейских государств. Кроме них, существуют и вполне эффективно работают многочисленные локальные операторы – как дочерние структуры «большой тройки», так и самостоятельные компании.

Операторы активно развивают рынок, увеличивая покрытие своих сетей и популяризируя мобильную связь среди самых разных слоев населения. Если в середине 1990-х сотовый телефон был доступен только представителям самых обеспеченных слоев населения, то сегодня мобильной связью может пользоваться практически каждый. Российские операторы внедряют в своих сетях новейшие сервисы и предлагают построенные на их основе услуги, нередко даже опережая большинство европейских компаний. В настоящее время все три федеральных GSM-оператора ведут подготовительную работу к развертыванию коммерческих сетей третьего поколения.

Кроме GSM-сетей федеральных и локальных операторов сотовой связи в России продолжают эксплуатироваться сети других стандартов: DAMPS, IS-95, NMT-450, DECT и IMT-MC-450. Последний стандарт имеет статус федерального, и построенные на его базе сети (например, SkyLink) развиваются весьма активно. Однако ни по площади покрытия, ни по количеству обслуживаемых абонентов сети всех стандартов, отличных от GSM, заметную конкуренцию ведущей тройке федеральных операторов создать не могут.

Литература:

Маляревский А., Олевская Н. Ваш мобильный телефон (популярный самоучитель). М, «Питер», 2004
Закиров З.Г., Надеев А.Ф., Файзуллин Р.Р. Сотовая связь стандарта GSM. Современное состояние, переход к сетям третьего поколения («Библиотека МТС»). М., «Эко-Трендз», 2004
Попов В.И. Основы сотовой связи стандарта GSM («Инженерная энциклопедия ТЭК»). М., «Эко-Трендз», 2005

Телефонная связь – это передача речевой информации на дальние расстояния. С помощью телефонии люди имеют возможность общаться в режиме реального времени.

Если в момент возникновения технологии способ передачи данных существовал только один – аналоговый, то в настоящий момент успешно применяются самые разные системы коммуникации. Телефонная, спутниковая и мобильная связь, а также IP-телефония обеспечивают надёжный контакт между абонентами, будь они даже в разных концах земного шара. Как работает телефонная связь при использовании каждого из методов?

Старая добрая проводная (аналоговая) телефония

Под термином «телефонная» связь чаще всего понимают связь аналоговую, способ передачи данных, ставший привычными за без малого полтора столетия. При использовании такой , информация передаётся непрерывно, без промежуточной кодировки.

Соединение двух абонентов регулируется набором номера, а затем общение ведётся посредством передачи сигнала от человека к человеку по проводам в самом буквальном смысле этого слова. Соединяют абонентов уже не телефонистки, а роботы, что значительно упростило и удешевило процесс, однако принцип работы аналоговых сетей связи остался прежним.

Мобильная (сотовая) связь

Абоненты операторов сотовой связи ошибочно считают, что «перерезали провод», соединяющий их с телефонными станциями. С виду всё так и есть – человек может передвигаться куда угодно (в рамках покрытия сигналом), не прерывая разговор и не теряя контакт с собеседником, да и <подключить телефонную связь стало легче и проще.

Однако если разобраться, как работает мобильная связь, мы обнаружим не так уж много отличий от работы аналоговых сетей. Сигнал на самом деле «витает в воздухе», вот только от телефона звонящего он попадает на приёмопередатчик, который, в свою очередь, связывается с ближайшим к вызываемому абоненту аналогичным оборудованием…посредством оптиковолоконных сетей.

Этап радиопередачи данных охватывает лишь путь сигнала от телефона к ближайшей базовой станции, которая связана с другими коммуникационными сетями вполне традиционным способом. Как работает сотовая связь, ясно. Каковы же её плюсы и минусы?

Технология обеспечивает большую мобильность по сравнению с аналоговой передачей данных, однако несёт в себе всё те же риски нежелательных помех и возможности прослушивания линий.

Путь сотового сигнала

Рассмотрим подробнее, каким именно способом сигнал достигает вызываемого абонента.

Пользователь набирает номер.
Его телефон устанавливает радиосвязь с ближайшей базовой станцией. Они расположены на высотных домах, промышленных сооружениях и вышках. Каждая станция состоит из приемо-передающих антенн (от 1 до 12) и блока управления. Базовые станции, которые обслуживают одну территорию, соединены с контроллером.
От блока управления базовой станции сигнал по кабелю передается на контроллер, а оттуда, тоже по кабелю, - на коммутатор. Это устройство обеспечивает вход и выход сигнала на различные линии связи: междугородней, городской, международной, других мобильных операторов. В зависимости от размеров сети в ней могут быть задействованы как один, так и несколько коммутаторов, соединенных между собой при помощи проводов.
От «своего» коммутатора сигнал по высокоскоростным кабелям передается на коммутатор другого оператора, причем последний легко определяет, в зоне действия какого контроллера находится абонент, которому адресован звонок.
Коммутатор вызывает нужный контроллер, тот пересылает сигнал на базовую станцию, которая «опрашивает» мобильный телефон.
Вызываемому абоненту поступает входящий звонок.

Такая многослойная структура сети позволяет равномерно распределить нагрузку между всеми ее узлами. Тем самым уменьшается вероятность отказа оборудования и обеспечивается бесперебойная связь.

Как работает сотовая связь, ясно. Каковы же её плюсы и минусы? Технология обеспечивает большую мобильность по сравнению с аналоговой передачей данных, однако несёт в себе всё те же риски нежелательных помех и возможности прослушивания линий.

Спутниковая связь

Давайте посмотрим, как работает спутниковая связь, высшая на сегодняшний день ступень развития радиорелейной связи. Ретранслятор, помещённый на орбиту, способен охватывать огромную площадь поверхности планеты в одиночку. Сеть базовых станций, как в случае с сотовой связью, уже не нужна.

Абонент–физическое лицо получает возможность путешествовать практически без ограничений, оставаясь на связи даже в тайге или в джунглях. Абонент–лицо юридическое может привязать к одной антенне-ретранслятору (это ставшая уже привычной «тарелка») целую мини-АТС, однако при этом следует учитывать объём входящих и исходящих, а также размер файлов, которые необходимо переслать.

Минусы технологии:

серьёзная метеозависимость. Магнитная буря или другой катаклизм способны надолго оставить абонента без связи.
если что-то физически сломалось на спутниковом ретрансляторе, срок, который пройдёт до полного восстановления функциональности, растянется очень надолго.
стоимость услуг связи без границ чаще всего превышает более привычные счета. Выбирая способ связи, важно учесть, насколько необходима вам именно столь функциональная связь.

Спутниковая связь: за и против

Главная особенность «спутника» состоит в том, что он обеспечивает абонентам независимость от наземных линий связи. Преимущества такого подхода очевидны. К ним относятся:

мобильность оборудования. Его можно развернуть в очень короткие сроки;
возможность быстро создавать обширные сети, охватывающие большие территории;
связь с труднодоступными и отдаленными территориями;
резервирование каналов, которые можно задействовать в случае поломки наземной связи;
гибкость технических характеристик сети, позволяющих адаптировать ее практически под любые требования.

Минусы технологии:

серьёзная метеозависимость. Магнитная буря или другой катаклизм способны надолго оставить абонента без связи;
если что-то физически вышло со строя на спутниковом ретрансляторе, срок, который пройдёт до полного восстановления функциональности системы, растянется надолго;
стоимость услуг связи без границ чаще всего превышает более привычные счета.

Выбирая способ связи, важно учесть, насколько необходима вам именно столь функциональная связь.

Мобильная связь - это радиосвязь между абонентами, местоположение одного или нескольких из которых меняется. Одним из видов мобильной связи является сотовая связь.

Сотовая связь - один из видов радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть. Ключевая особенность: общая зона покрытия делится на соты, определяющиеся зонами покрытия базовых станций . Соты перекрываются и вместе образуют сеть. На идеальной поверхности зона покрытия одной базовой станции представляет собой круг, поэтому составленная из них сеть имеет вид сот с шестиугольными ячейками .

Принцип действия сотовой связи

Итак, для начала рассмотрим, как осуществляется звонок по мобильному телефону. Лишь только пользователь набирает номер, телефонная трубка (HS - Hand Set) начинает поиск ближайшей базовой станции (BS - Base Station) - приемопередающее, управляющее и коммуникационное оборудование, составляющее сеть. В ее состав входят контроллер базовой станции (BSC - Base Station Controller) и несколько ретрансляторов (BTS - Base Transceiver Station). Базовые станции управляются мобильным коммутирующим центром (MSC - Mobile Service Center). Благодаря сотовой структуре, ретрансляторы покрывают местность зоной уверенного приема в одном или нескольких радиоканалах с дополнительным служебным каналом, по которому происходит синхронизация. Точнее происходит согласование протокола обмена аппарата и базовой станции по аналогии с процедурой модемной синхронизации (handshacking), в процессе которого устройства договариваются о скорости передачи, канале и т.д. Когда мобильный аппарат находит базовую станцию и происходит синхронизация, контроллер базовой станции формирует полнодуплексный канал на мобильный коммутирующий центр через фиксированную сеть. Центр передает информацию о мобильном терминале в четыре регистра: посетительский регистр подвижных абонентов или "гостей" (VLR - Visitor Layer Register), "домашний" регистр местных подвижных абонентов (HRL - Home Register Layer), регистр подписчика или аутентификации (AUC - AUthentiCator) и регистр идентификации оборудования (EIR - Equipment Identification Register). Эта информация уникальна и находится в пластиковой абонентской микроэлектронной телекарточке или модуле (SIM - Subscriber Identity Module) , по которому производятся проверка правомочности абонента и тарификация. В отличие от стационарных телефонов, за пользование которыми плата взимается в зависимости от нагрузки (числа занятых каналов), поступающей по фиксированной абонентской линии, плата за пользование подвижной связью взимается не с используемого телефонного аппарата, а с SIM-карты, которую можно вставить в любой аппарат.

Карточка представляет собой не что иное, как обычный флэш-чип, выполненный по смарт-технологии (SmartVoltage) и имеющий необходимый внешний интерфейс. Его можно использовать в любых аппаратах, и главное - чтобы совпадало рабочее напряжение: ранние версии использовали 5.5В интерфейс, а у современных карт обычно 3.3В. Информация хранится в стандарте уникального международного идентификатора абонента (IMSI - International Mobile Subscriber Identification), благодаря чему исключается возможность появления "двойников" - даже если код карты будет случайно подобран, система автоматически исключит фальшивый SIM, и не придется в последствии оплачивать чужие разговоры. При разработке стандарта протокола сотовой связи этот момент был изначально учтен, и теперь каждый абонент имеет свой уникальный и единственный в мире идентификационный номер, кодирующийся при передаче 64бит ключом. Кроме этого, по аналогии со скремблерами, предназначенными для шифрования/дешифрования разговора в аналоговой телефонии, в сотовой связи применяется 56бит кодирование.

На основании этих данных формируется представление системы о мобильном пользователе (его местоположение, статус в сети и т. д.) и происходит соединение. Если мобильный пользователь во время разговора перемещается из зоны действия одного ретранслятора в зону действия другого, или даже между зонами действия разных контроллеров, связь не обрывается и не ухудшается, поскольку система автоматически выбирает ту базовую станцию, с которой связь лучше. В зависимости от загруженности каналов телефон выбирает между сетью 900 и 1800 МГц, причем переключение возможно даже во время разговора абсолютно незаметно для говорящего.

Звонок из обычной телефонной сети мобильному пользователю осуществляется в обратной последовательности: сначала определяются местоположение и статус абонента на основании постоянно обновляющихся данных в регистрах, а затем происходят соединение и поддержание связи.

Системы подвижной радиосвязи строятся по схеме "точка-многоточие" (point-multipoint), поскольку абонент может находиться в любой точке соты, контролируемой базовой станцией. В простейшем случае круговой передачи мощность радиосигнала в свободном пространстве теоретически уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Однако на практике сигнал затухает гораздо быстрее - в лучшем случае пропорционально кубу расстояния, поскольку энергия сигнала может поглощаться или уменьшаться на различных физических препятствиях, и характер таких процессов сильно зависит от частоты передачи. При уменьшении мощности на порядок охватываемая площадь соты уменьшается на два порядка.

"ФИЗИОЛОГИЯ"

Важнейшими причинами повышенного затухания сигналов являются теневые зоны, создаваемые зданиями или естественными возвышенностями на местности. Исследования условий применения подвижной радиосвязи в городах показали, что даже на очень близких расстояниях теневые зоны дают затухание до 20дБ. Другой важной причиной затухания является листва деревьев. Например, на частоте 836МГц в летнее время, когда деревья покрыты листвой, уровень принимаемого сигнала оказывается приблизительно на 10дБ ниже, чем в том же месте зимой, при отсутствии листьев. Замирания сигналов от теневых зон иногда называют медленными с точки зрения условий их приема в движении при пересечении такой зоны.

Важное явление, которое приходится учитывать при создании сотовых систем подвижной радиосвязи - отражение радиоволн, и, как следствие, их многолучевое распространение. С одной стороны, это явление полезно, так как оно позволяет радиоволнам огибать препятствия и распространяться за зданиями, в подземных гаражах и тоннелях. Но с другой стороны, многолучевое распространение порождает такие трудные для радиосвязи проблемы, как растягивание задержки сигнала, релеевские замирания и усугубление эффекта Доплера.

Растягивание задержки сигнала получается из-за того, что сигнал, проходящий по нескольким независимым путям разной протяженности, принимается несколько раз. Поэтому повторяющийся импульс может выйти за пределы отведенного для него интервала времени и исказить следующий символ. Искажения, возникающие за счет растянутой задержки, называются межсимвольной интерференцией. При небольших расстояниях растянутая задержка не опасна, но если соту окружают горы, задержка может растянуться на многие микросекунды (иногда 50-100 мкс).

Релеевские замирания вызываются случайными фазами, с которыми поступают отраженные сигналы. Если, например, прямой и отраженный сигналы принимаются и противофазе (со сдвигом фазы на 180°), то суммарный сигнал может быть ослаблен почти до нуля. Релеевские замирания для данного передатчика и заданной частоты представляют собой нечто вроде амплитудных "провалов", имеющих разную глубину и распределенных случайным образом. В этом случае при стационарном приемнике избежать замираний можно просто переставив антенну. При движении же транспортного средства такие "провалы" проходятся ежесекундно тысячами, отчего происходящие при этом замирания называются быстрыми.

Эффект Доплера проявляется при движении приемника относительно передатчика и состоит в изменении частоты принимаемого колебания. Подобно тому, как тон шума движущегося поезда или автомобиля кажется неподвижному наблюдателю несколько выше при приближении транспортного средства и несколько ниже при его удалении, частота радиопередачи смещается при движении приемопередатчика. Более того, при многолучевом распространении сигнала отдельные лучи могут давать смещение частоты в ту или другую сторону одновременно. В результате, за счет эффекта Доплера получается случайная частотная модуляция передаваемого сигнала подобно тому, как за счет релеевских замираний происходит случайная амплитудная модуляция. Таким образом, в целом многолучевое распространение создает большие трудности в организации сотовой связи, в особенности для подвижных абонентов, что связано с медленными и быстрыми замираниями амплитуды сигнала в движущемся приемнике. Преодолеть эти трудности удалось с помощью цифровой техники, которая позволила создать новые методы кодирования, модуляции и выравнивания характеристик каналов.

"АНАТОМИЯ"

Передача данных осуществляется по радиоканалам. Сеть GSM работает в диапазонах частот 900 или 1800 МГц. Более конкретно, например, в случае рассмотрения диапазона 900МГц подвижной абонентский аппарат передает на одной из частот, лежащих в диапазоне 890-915 МГц, а принимает на частоте, лежащей в диапазоне 935-960 МГц. Для других частот принцип тот же, изменяются только численные характеристики.

По аналогии со спутниковыми каналами направление передачи от абонентского аппарата к базовой станции называется восходящим (Rise), а направление от базовой станции к абонентскому аппарату - нисходящим (Fall). В дуплексном канале, состоящем из восходящего и нисходящего направлений передачи, для каждого из названных направлений применяются частоты, различающиеся точно на 45МГц. В каждом из указанных выше частотных диапазонов создаются по 124 радиоканала (124 для приема и 124 для передачи данных, разнесенных на 45МГц) шириной по 200кГц каждый. Этим каналам присваиваются номера (N) от 0 до 123. Тогда частоты восходящего (F R) и нисходящего (F F) направлений каждого из каналов можно вычислить по формулам: F R (N) = 890+0.2N (МГц), F F (N) = F R (N) + 45 (МГц).

В распоряжение каждой базовой станции может быть предоставлено от одной до 16 частот, причем число частот и мощность передачи определяются в зависимости от местных условий и нагрузки.

В каждом из частотных каналов, которому присвоен номер (N) и который занимает полосу 200кГц, организуются восемь каналов с временным разделением (временные каналы с номерами от 0 до 7), или восемь канальных интервалов.

Система с разделением частот (FDMA) позволяет получить 8 каналов по 25кГц, которые, в свою очередь, разделяются по принципу системы с разделением времени (TDMA) еще на 8 каналов. В GSM используется GMSK-модуляция, а несущая частота изменяется 217 раз в секунду для того, чтобы компенсировать возможное ухудшение качества.

Когда абонент получает канал, ему выделяется не только частотный канал, но и один из конкретных канальных интервалов, и он должен вести передачу в строго отведенном временном интервале, не выходя за его пределы - иначе будут создаваться помехи в других каналах. В соответствии с вышеизложенным работа передатчика происходит в виде отдельных импульсов, которые происходят в строго отведенном канальном интервале: продолжительность канального интервала составляет 577мкс, а всего цикла - 4616мкс. Выделение абоненту только одного из восьми канальных интервалов позволяет разделить во времени процесс передачи и приема путем сдвига канальных интервалов, выделяемых передатчикам подвижного аппарата и базовой станции. Базовая станция (BS) всегда передает на три канальных интервала раньше подвижного аппарата (HS).

Требования к характеристикам стандартного импульса описываются в виде нормативного шаблона изменения мощности излучения во времени. Процессы включения и выключения импульса, которые сопровождаются изменением мощности на 70дБ, должны укладываться в промежуток времени длительностью всего 28мкс, а рабочее время, в течение которого передаются 147 двоичных разрядов, составляет 542.8мкс. Значения мощности передачи, указанные в таблице ранее, относятся именно к мощности импульса. Средняя же мощность передатчика оказывается в восемь раз меньше, так как 7/8 времени передатчик не излучает.

Рассмотрим формат нормального стандартного импульса. Из него видно, что не все разряды несут полезную информацию: здесь в середине импульса располагается обучающая последовательность из 26 двоичных разрядов для защиты сигнала от помех многолучевого распространения. Это - одна из восьми специальных легко распознаваемых последовательностей, по которой принятые разряды правильно располагаются во времени. Такая последовательность ограждается одноразрядными указателями (PB - Point Bit), а с обеих сторон этой настроечной последовательности располагается полезная кодированная информация в виде двух блоков по 57 двоичных разрядов, ограждаемых, в свою очередь, граничными разрядами (BB - Border Bit) - по 3бит с каждой стороны. Таким образом, импульс переносит 148бит данных, которые занимают 546.12мкс временной интервал. К этому времени добавляется еще промежуток, равный 30.44мкс защитного времени (ST - Shield Time), в течение которого передатчик "молчит". По продолжительности этот промежуток соответствует времени передачи 8.25 разряда, но передачи в это время не происходит.

Последовательность импульсов образует физический канал передачи, который характеризуется номером частоты и номером временного канального интервала. На основе этой последовательности импульсов организуется целая серия логических каналов, которые различаются своими функциями. Кроме каналов, передающих полезную информацию, существует еще ряд каналов, передающих сигналы управления. Реализация таких каналов и их работа требуют четкого управления, которое реализуется программными средствами.

aslan wrote in February 2nd, 2016

Сотовая связь с недавних пор так прочно вошла в нашу повседневную жизнь, что трудно представить современное общество без нее. Как и многие другие великие изобретения мобильный телефон сильно повлиял на нашу жизнь, и на многие ее сферы. Трудно сказать каким было бы будущее, если бы не этот удобный вид связи. Наверняка таким же, как и в фильме "Назад в Будущее-2", где есть летающие авто, ховерборды, и многое другое, но нет сотовой связи!

Но сегодня в специальном репортаже для будет рассказ не о будущем, а о том, как устроена и работает современная сотовая связь.

Для того, чтобы узнать о работе современной сотовой связи в формате 3G/4G, я напросился в гости к новому федеральному оператору Tele2 и провел целый день с их инженерами, которые объяснили мне все тонкости передач данных через наши мобильные телефоны.

Но расскажу вначале немного об истории возникновения сотовой связи.

Принципы работы беспрводной связи были опробованы почти 70 лет назад - первый общественный подвижный радиотелефон появился в 1946 г. в Сент-Луисе, США. В Советском союзе опытный образец мобильного радиотелефона был создан в 1957 году, потом ученые других стран создавали подобные устройства с различными характеристиками, и только в 70-х годах прошлого века в Америке были определены современные принципы работы сотовой связи, после чего и началось ее развитие.

Мартин Купер - изобретатель прототипа портативного сотового телефона Motorola DynaTAC весом в 1,15 кг и размерами 22,5х12,5х3,75 см

Если в западных странах к середине 90-х годов прошлого века сотовая связь была распространена повсеместно и ей пользовалась большая часть населения, то в России она только начала появляться, и стала доступной для всех чуть более 10 лет назад.

Громоздкие кирпичеобразные мобильники работавшие в форматах первого и второго поколений ушли в историю, уступив место смартфонам с 3G и 4G, лучшей голосовой связью и высокой скоростью интернета.

Почему связь называется сотовой? Потому что территория, на которой обеспечивается связь, разбивается на отдельные ячейки или соты, в центре которых располагаются базовые станции (БС). В каждой "соте" абонент получает одинаковый набор услуг в определенных территориальных границах. Это означает, что перемещаясь от одной "соты" к другой, абонент не чувствует территориальной привязанности и может свободно пользоваться услугами связи.

Очень важно, чтобы была непрерывность соединения при перемещении. Это обеспечивается благодаря так называемому хэндовер (Handover), при котором соединение установленное абонентом как бы подхватывается соседними сотами по эстафете, а абонент продолжает разговаривать или копаться в соцсетях.

Вся сеть делится на две подсистемы: подсистема базовых станций и подсистема коммутации. Схематически это выглядит так:

В середине "соты", как было сказано выше находится базовая станция, которая обычно обслуживает три "соты". Радиосигнал от базовой станции излучается через 3 секторные антенны, каждая из которых направлена на свою "соту". Бывает так, что на одну "соту" направлены сразу несколько антенн одной базовой станции. Это связано с тем, что сеть сотовой связи работает в нескольких диапазонах (900 и 1800 МГц). Кроме того, на данной базовой станции может присутствовать оборудование сразу нескольких поколений связи (2G и 3G).

Но на вышках БС Tele2 стоит оборудование только третьего и четвертого поколения - 3G/4G, так как компания решила отказаться от старых форматов в пользу новых, которые помогают избегать обрывов голосовой связи и обеспечивают более стабильный интернет. Завсегдатаи соцсетей поддержат меня в том, что в наше время скорость интернета очень важна, 100-200 кб/с уже не достаточно, как это было пару-тройку лет назад.

Наболее привычным местом размещения БС является башня или мачта, построенная специально для нее. Наверняка вы могли видеть красно-белые вышки БС где-то в отдаленности от жилых домов (в поле, на холме), или там, где поблизости нет высоких зданий. Как вот эта, которая видна из моего окна.

Однако, в условиях городской местности трудно найти место под размещение массивного сооружения. Поэтому в крупных городах базовые станции размещаются на зданиях. Каждая станция ловит сигнал от мобильных телефонов на удалении до 35 км.

Это антенны, само оборудование БС находится на чердаке, или в контейнере на крыше, которое представляет из себя пару железных шкафов.

Некоторые базовые станции расположены там, где вы даже не догадаетесь. Как например на крыше этой парковки.

Антенна БС состоит из нескольких секторов, каждый из которых принимает/отправляет сигнал в свою сторону. Если вертикальная антенна осуществляет связь с телефонами, то круглая соединяет БС с контроллером.

В зависимости от характеристик, каждый сектор может обслуживать до 72 звонков одновременно. БС может состоять из 6 секторов, и обслуживать до 432 звонков, однако обычно на станциях устанавливают меньше передатчиков и секторов. Сотовые операторы, такие как Tele2, предпочитают ставить больше БС для улучшения качества связи. Как мне сказали, здесь используется самое современное оборудование: базовые станции Ericsson, транспортная сеть - Alcatel Lucent.

От подсистемы базовых станций сигнал передается в сторону подсистемы коммутации, где и происходит установление соединения с нужным абоненту направлением. В подсистеме коммутации есть ряд баз данных, в которых хранятся сведения об абонентах. Кроме того эта подсистема отвечает за безопасность. Если сказать проще, то коммутатор выполняет те же функции, что и девушки операторы, которые раньше руками соединяли вас с абонентом, только сейчас все это происходит автоматически.

Оборудование для этой базовой станции спрятано в этом железном шкафу.

Кроме обычных вышек есть также и мобильные варианты базовых станций, размещенные на грузовиках. Их очень удобно использовать во время стихийных бедствий или в местах массового скопления людей (футбольные стадионы, центральные площади) на время праздников, концертов и различных мероприятий. Но, к сожалению, из-за проблем в законодательстве широкого применения они пока не нашли.

Для обеспечения оптимального покрытия радиосигналом на уровне земли, базовые станции проектируются специальным образом, потому несмотря на дальность в 35 км. сигнал не распространяется на высоту полета самолетов. Однако некоторые авиакомпании уже начали устанавливать на своих бортах небольшие базовые станции, обеспечивающие сотовую связь внутри самолета. Такая БС соединяется с наземной сотовой сетью с помощью спутникового канала. Система дополняется панелью управления, которая позволяет экипажу включать и выключать систему, а также отдельные типы услуг, например, выключать голос на ночных рейсах.

Также я заглянул в офис Tele2, чтобы увидеть как специалисты контролируют качество сотовой связи. Если несколько лет назад такая комната была бы увешана до потолка мониторами показывающими данные сети (загруженность, аварии сети, и т.п.) то со временем надобность в таком количестве мониторов отпала.

Технологии со временем сильно развились и достаточно вот такой небольшой комнаты с несколькими специалистами, чтобы наблюдать за работой всей сети в Москве.

Немного видов из офиса Tele2.

На совещании сотрудников компании обсуждаются планы по захвату столицы) С начала стройки до сегодняшнего дня Tele2 успел покрыть своей сетью всю Москву, и постепенно завоевывает Подмосковье, запуская более 100 базовых станций еженедельно. Так как я живу теперь в области, мне очень важно. чтобы эта сеть как можно быстрее пришла в мой городок.

В планах компании на 2016 г. обеспечение высокоскоростной связи в метро на всех станциях, на начало 2016 связь Tele2 присутствует на 11 станциях: связь стандарта 3G/4G на метро «Борисово», «Деловой центр», «Котельники», «Лермонтовский проспект», «Тропарево», «Шипиловская», «Зябликово», 3G: «Белорусская» (Кольцевая), «Спартак», «Пятницкое шоссе», «Жулебино».

Как я говорил выше, Tele2 отказалась от формата GSM в пользу стандартов третьего и четвертого поколения - 3G/4G. Это позволяет устанавливать базовые станции 3G/4G с большей частотой (например, внутри МКАД БС стоят на расстоянии около 500 метров друг от друга), чтобы обеспечивать более стабильную связь и высокую скорость мобильного интернета, чего не было в сетях предыдущих форматов.

Из офиса компании я в компании инженеров Никифора и Владимира отправляюсь на одну из точек, где им нужно замерить скорость связи. Никифор стоит напротив одной из мачт, на которой установлено оборудование для обеспечения связи. Если приглядитесь, то заметите чуть далее слева еще одну такую мачту, с оборудованием других сотовых операторов.

Как это ни странно, но сотовые операторы часто разрешают своим конкурентам использовать свои башенные сооружения для размещения антенн (естественно на взаимовыгодных условиях). Это вызвано тем, что строительство башни или мачты - дорогое удовольствие, и такой обмен позволяет сэкономить немало средств!

Пока мы замеряли скорость связи, Никифора несколько раз прохожие бабушки и дядьки спросили не шпион ли он)) "Да, глушим радио "Свобода"!).

Оборудование на самом деле выглядит необычно, по его виду можно предположить все что угодно.

У специалистов компании немало работы, если учесть, что в Москве и области у компании более 7тыс. базовых станций: из них порядка 5тыс. 3G и около 2тыс. базовых станций LTE, а за последнее время количество БС увеличилось еще примерно на тысячу.
Всего за три месяца в Подмосковье было выведено в эфир 55% от общего количества новых базовых станций оператора в регионе. В настоящий момент компания обеспечивает качественное покрытие территории, на которой проживает более 90% населения Москвы и Московской области.
Кстати, в декабре сеть 3G Tele2 была признана лучшей по качеству среди всех столичных операторов.

Но я решил лично проверить насколько хороша связь у Tele2, потому приобрел симку в ближайшем ко мне торговом центре на м.Войковская, с самым простым тарифом "Очень черный" за 299 р (400 смс/минут и 4 ГБ). Кстати, у меня был подобный билайновский тариф, который на 100 рублей дороже.

Проверил скорость не отходя далеко от кассы. Прием - 6.13 Mbps, передача - 2.57 Mbps. Учитывая, что я стою в центре торгового центра это неплохой результат, связь Tele2 хорошо проникает сквозь стены большого ТЦ.

На м.Третьяковская. Прием сигнала - 5.82 Mbps, передача - 3.22 Mbps.

И на м.Красногвардейская. Прием - 6.22 Mbps, передача - 3.77 Mbps. Замерил у выхода из метро. Если принять во внимание, что это окраина Москвы, очень даже прилично. Считаю, что вполне приемлемая связь, уверенно можно сказать, что стабильная, если учитывать, что Tele2 появилась в Москве всего пару месяцев назад.

В столице стабильная связь Tele2 есть, это хорошо. Очень надеюсь, что они побыстрее придут в область и я смогу в полной мере пользоваться их связью.

Теперь и вы знаете как работает сотовая связь!

Если у вас есть производство или сервис, о котором вы хотите рассказать нашим читателям, пишите пишите мне - Аслан ([email protected] ) и мы сделаем самый лучший репортаж, который увидят не только читатели сообщества, но и сайта http://ikaketosdelano.ru

Подписывайтесь также на наши группы в фейсбуке, вконтакте, одноклассниках и в гугл+плюс , где будут выкладываться самое интересное из сообщества, плюс материалы, которых нет здесь и видео о том, как устроены вещи в нашем мире.

Жми на иконку и подписывайся!