Мобильная связь определение. Как работает мобильная связь
Немного грустно, что подавляющее большинство людей на вопрос: «Как работает сотовая связь?», отвечают «по воздуху» или вообще - «не знаю».
В продолжение этой темы, у меня вышел один забавный разговор с другом на тему работы мобильной связи. Случилось это аккурат за пару дней до отмечаемого всеми связистами и телекомщиками праздника «Дня радио». Так уж сложилось, что в силу своей ярой жизненной позиции, мой друг считал, что мобильная связь работает вообще без проводов через спутник . Исключительно за счет радиоволн. Сначала у меня не получалось переубедить его. Но после непродолжительной беседы все встало на свои места.
После этой дружеской «лекции» появилась идея написать простым языком о том, как работает сотовая связь. Все как есть.
Когда вы набираете номер и начинаете звонить, ну, или вам кто-нибудь звонит, то ваш мобильный телефон по радиоканалу связывается с одной из антенн ближайшей базовой станции. Где же находятся эти базовые станции, спросите вы?
Обратите внимание на промышленные здания, городские высотки и специальные вышки . На них и располагаются большие серые прямоугольные блоки с торчащими антеннами разных форм. Но антенны эти не телевизионные и не спутниковые, а приемо-передающие операторов сотовой связи. Они направлены в разные стороны, чтобы обеспечить связью абонентов со всех сторон. Ведь мы же не знаем, откуда будет поступать сигнал и куда занесет «горе-абонента» с телефонной трубкой? На профессиональном жаргоне антенны также называют «секторами». Как правило, они устанавливаются от одной до двенадцати.
От антенны сигнал по кабелю передается непосредственно в управляющий блок станции . Вместе они и образуют базовую станцию [антенны и управляющий блок]. Несколько базовых станций, чьи антенны обслуживают отдельную территорию, например, район города или небольшой населенный пункт, подсоединены к специальному блоку - контроллеру . К одному контроллеру обычно подключается до 15 базовых станций.
В свою очередь, контроллеры, которых также может быть несколько, кабелями подключены к «мозговому центру» - коммутатору . Коммутатор обеспечивает выход и вход сигналов на городские телефонные линии, на других операторов сотовой связи, а также операторов междугородней и международной связи.
В небольших сетях используется только один коммутатор, в более крупных, обслуживающих сразу более миллиона абонентов, могут использоваться два, три и более коммутаторов , объединенных между собой опять-таки проводами.
Зачем же такая сложность? Спросят читатели. Казалось бы, можно антенны просто подключить к коммутатору и все будет работать . А тут базовые станции, коммутаторы, куча кабелей… Но, не все так просто.
Когда человек передвигается по улице пешком или идет на автомобиле, поезде и т.д. и при этом еще и разговаривает по телефону, важно обеспечить непрерывность связи. Связисты процесс эстафетной передачи обслуживания в мобильных сетях называют термином «handover». Необходимо вовремя переключать телефон абонента из одной базовой станции на другую, от одного контроллера к другому и так далее.
Если бы базовые станции были напрямую подключены к коммутатору, то всеми этими переключениями пришлось бы управлять коммутатору . А ему «бедному» и так есть, чем заняться. Многоуровневая схема сети дает возможность равномерно распределить нагрузку на технические средства . Это снижает вероятность отказа оборудования и, как следствие, потери связи. Ведь все мы заинтересованы в бесперебойной связи, не так ли?
Итак, достигнув коммутатора, наш звонок переводится д алее - на сеть другого оператора мобильной, городской междугородной и международной связи. Конечно же, это происходит по высокоскоростным кабельным каналам связи. Звонок поступает на коммутатор другого оператора. При этом последний «знает», на какой территории [в области действия, какого контроллера] сейчас находится нужный абонент. Коммутатор передает телефонный вызов конкретному контроллеру, в котором содержится информация, в зоне действия какой базовой станции находится адресат звонка. Контроллер посылает сигнал этой единственной базовой станции, а она в свою очередь «опрашивает», то есть вызывает мобильный телефон. Трубка начинает причудливо звонить.
Весь этот длинный и сложный процесс в реальности занимает 2-3 секунды !
Точно также происходят телефонные звонки в разные города России, Европы и мира. Для связи коммутаторов различных операторов связи используются высокоскоростные оптоволоконные каналы связи . Благодаря им сотни тысяч километров телефонный сигнал преодолевает за считанные секунды.
Спасибо великому Александру Попову за то, что он дал миру радио! Если бы не он, возможно, мы бы сейчас были лишены многих благ цивилизации.
Связь называют мобильной, если источник информации либо ее получатель (или оба) перемещаются в пространстве. Радиосвязь с момента возникновения была мобильной. Выше, в третьей главе показано, что первые радиостанции предназначались для связи с подвижными объектами–кораблями. Ведь один из первых приборов радиосвязи А.С. Попова был установлен на броненосце «Адмирал Апраксин». И именно благодаря радиосвязи с ним удалось зимой 1899–1900 годов спасти этот корабль, затертый во льдах Балтийского моря. Однако в те годы эта «мобильная связь» требовала громоздких приемопередающих устройств радиосвязи, что не способствовала развитию столь необходимой индивидуальной радиосвязи даже в Вооруженных силах, не говоря уже о частных клиентах.
17 июня 1946 года в Сент Луисе, США, лидер телефонного бизнеса компания AT&T и Southwestern Bell запускают первую радиотелефонную сеть для частных клиентов. Элементной базой аппаратуры являлись ламповые электронные приборы, поэтому аппаратура была очень громоздкой и предназначалась только для установки в автомобилях. Вес оборудования без источников электропитания составлял 40 кг. Несмотря на это, популярность мобильной связи стала стремительно расти. Это создало новую, более серьезную, чем массогабаритные показатели проблему. Увеличение количества радиосредств, при ограниченном частотном ресурсе приводило к сильным взаимным помехам для радиостанций, работающих на близких по частоте каналах, что значительно ухудшало качество связи. Для исключения взаимных помех при повторяющихся частотах необходимо было обеспечить минимум стокилометровый разнос по пространству между двумя группами радиосистем. Именно поэтому мобильная связь в основе своей использовалась для нужд специальных служб. Для массового внедрения требовалось изменить не только массогабаритные показатели, но и сам принцип организации связи.
Как отмечалось выше, в 1947 году изобретается транзистор, выполняющий функции электронных ламп, но обладающий значительно меньшими размерами. Именно появление транзисторов оказало огромное значение для дальнейшего развития радиотелефонной связи. Замена электронных ламп на транзисторы создала предпосылки широкого внедрения мобильного телефона. Основным сдерживающим фактором являлся принцип организации связи, который позволил бы устранить или хотя бы снизить влияние взаимных помех.
Исследования ультракоротковолнового диапазона волн, проводимые в 40-е годы прошлого века, позволили выявить его основное преимущество перед короткими волнами – широкодиапазоннось, т. е. большая частотная емкость и основной недостаток–сильное поглощение радиоволн средой распространения. Радиоволны этого диапазона не способны огибать земную поверхность, поэтому дальность связи обеспечивалась только на линии прямой видимости, и в зависимости от мощности передатчика обеспечивалась максимум до 40 км. Этот недостаток вскоре превратился в преимущество, которое дало толчок активному массовому внедрению сотовой телефонной связи.
В 1947 сотрудник американской компании Bell Laboratories Д. Ринг предложил новую идею организации связи . Она заключалась в разделении пространства (территории) на небольшие участки - соты (или ячейки) радиусом 1–5 километров и в отделении радиосвязи в пределах одной ячейки (путем рационального повторения используемых частот связи) от связи между ячейками. Повторение частот значительно снизило проблемы использования частотного ресурса. Это позволяло использовать в разных сотах распределенных в пространстве одни и те же частоты. В центре каждой ячейки предлагалось расположить базовую приемно-передающую радиостанцию, которая обеспечивала радиосвязь в пределах ячейки со всеми абонентами. Размеры соты определялись максимальной дальностью связи радиотелефонного аппарата с базовой станцией. Эта максимальная дальность получила название радиуса соты. Во время разговора сотовый радиотелефон соединяется с базовой станцией радиоканалом, по которому передается телефонный разговор. У каждого абонента должна быть своя микрорадиостанция – «мобильный телефон» – комбинация телефона, приемопередатчика и мини-компьютера. Абоненты связываются между собой через базовые станции, которые соединены друг с другом и с городской телефонной сетью общего пользования.
Для обеспечения бесперебойной связи при переходе абонента от одной зоны к другой потребовалось применение компьютерного контроля за телефонным сигналом, излучаемым абонентом. Именно компьютерный контроль позволил в течение всего лишь тысячной доли секунды переключать мобильный телефон с одного промежуточного передатчика на другой. Все происходит так быстро, что абонент просто этого не замечает. Таким образом, центральной частью системы мобильной связи являются компьютеры. Они отыскивают абонента, находящегося в любой из сот, и подключают его к телефонной сети. Когда абонент перемещается из одной соты (ячейки) в другую, компьютеры как бы передают абонента с одной базовой станции на другую и подключают абонента «чужой» сотовой сети к «своей» сети. Это происходит в тот момент, когда «чужой» абонент оказывается в зоне действия новой базовой станции. Таким образом, осуществляют роуминг (что по-английски означает «странствие» или «бродяжничество»).
Как отмечалось выше, принципы современной мобильной связи были достижением уже конца 40-х годов. Однако в те времена компьютерная техника была еще на таком уровне, что ее коммерческое применение в системах телефонной связи было затруднено. Поэтому практическое применение сотовой связи стало возможным только после изобретения микропроцессоров и интегральных полупроводниковых микросхем.
Первый сотовый телефонный аппарат прототип современного аппарата сконструировал Мартин Купер (фирма Motorola, США).
В 1973 году в Нью-Йорке, на вершине 50 этажного здания компанией Motorola, под его руководством была смонтирована первая в мире базовая станция сотовой связи. Она могла обслуживать не более 30 абонентов и соединять их с наземными линиями связи.
3 апреля 1973 года Мартин Купер набрал номер своего начальника и произнес следующие слова: «Представь себе, Джоэл, что я звоню тебе с первого в мире сотового телефона. Он у меня в руках, а я иду по Нью-Йоркской улице».
Телефон, с которого звонил Мартин, назывался Dyna-Tac. Его размеры были 225×125×375 мм, а вес составлял немного ни мало 1,15 кг, что, впрочем, намного меньше 30 килограммовых устройств конца сороковых. С помощью аппарата можно было звонить и принимать сигнал, вести переговоры с абонентом. На этом телефоне размещалось 12 клавиш, из которых 10 были цифровые для набора номера абонента, а две другие обеспечивали начало разговора и прерывали звонок. Аккумуляторы Dyna-Tac позволяли работать в режиме разговора около получаса, а для их зарядки требовалось 10 часов.
Несмотря на то, что основные разработки велись в США, первая коммерческая сеть сотовой связи была запущена в мае 1978 года в Бахрейне. Две соты с 20 каналами в диапазоне 400 МГц обслуживали 250 абонентов.
Немногим позже сотовая связь начала свое триумфальное шествие по всему миру. Все больше и больше стран понимали выгоду и удобства, которые она может принести. Однако отсутствие единого международного стандарта использования диапазона частот, со временем привело к тому, что владелец сотового телефона, переезжая из одного государства в другое, не мог пользоваться мобильным телефоном.
В целях устранения этого основного недостатка с конца семидесятых годов Швеция, Финляндия, Исландия, Дания и Норвегия начали совместные исследования по разработке единого стандарта. Результатом исследований стал стандарт связи NMT-450 (Nordic Mobile Telephone), который предназначался для работы в диапазоне 450 МГц. Этот стандарт впервые начал использоваться в 1981 году в Саудовской Аравии, и лишь месяцем позже – в Европе. Различные варианты NMT-450 были взяты на вооружение в Австрии, Швейцарии, Голландии, Бельгии, странах Юго-Восточной Азии и Ближнего Востока .
В 1983 году в Чикаго была запущена в работу сеть стандарта AMPS (Advanced Mobile Phone Service), который был разработан фирмой Bell Laboratories. В 1985 г., в Англии, был принят стандарт TACS (Total Access Communications System), являвшийся разновидностью американского AMPS. Через два года, из-за резко возросшего числа абонентов, был принят стандарт HTACS (Enhanced TACS), добавивший новые частоты и частично исправивший недостатки предшественника. Франция же стояла отдельно от всех и начала использовать собственный стандарт Radiocom-2000 с 1985 года.
Следующим стал стандарт NMT-900, использующий частоты 900 МГц диапазона. Новая версия стала применяться в 1986 году. Она позволила увеличить число абонентов и улучшить стабильность системы .
Однако все эти стандарты являются аналоговыми и относятся к первому поколению систем сотовой связи. В них используется аналоговый способ передачи информации с помощью частотной (ЧМ) или фазовой (ФМ) модуляции – как в обычных радиостанциях. Этот способ имеет ряд существенных недостатков, главными из которых являются возможность прослушивания разговоров другими абонентами и невозможность борьбы с замиранием сигналов при передвижении абонента, а также под влиянием ландшафта местности и зданий. Перегруженность частотных диапазонов вызывала помехи при разговорах. Поэтому к концу 1980-х годов началось создание второго поколения систем сотовой связи, основанных на базе цифровых методов обработки сигналов.
Предварительно, в 1982 году Европейская Конференция Администраций Почт и Электросвязи (СЕРТ) объединяющая 26 стран, приняла решение о создании специальной группы Groupe Special Mobile . Ее целью была разработка единого европейского стандарта цифровой сотовой связи. Новый стандарт связи разрабатывался в течение восьми лет, и впервые о нём было заявлено лишь в 1990 году – тогда были предложены спецификации стандарта. Специальной группой первоначально было принято решение использовать в качестве единого стандарта сначала диапазон 900 МГц, а затем, учитывая перспективы развития сотовой связи в Европе и во всем мире, было принято решение выделить для нового стандарта и диапазон 1800 МГц.
Новый стандарт получил название GSM – Global System for Mobile Communications. GSM 1800 МГц также носит название DCS-1800 (Digital Cellular System 1800). Стандарт GSM является цифровым стандартом сотовой связи. В нём реализовано временное разделение каналов (TDMA – множественный доступ с разделением по времени, шифрование сообщений, блочное кодирование, а также модуляция GMSK) (Gaussian Minimum Shift Keying).
Первым государством, запустившим сеть GSM, является Финляндия, запустившая в 1992 году это стандарт в коммерческую эксплуатацию. В следующем году в Великобритании заработала первая сеть DCS-1800 One-2-One. С этого момента начинается глобальное распространение стандарта GSM по всему миру.
Следующей ступенью после GSM, является стандарт CDMA который, предоставляет более быструю и надёжную связь за счет использования кодового разделения каналов. Этот стандарт начал зарождаться в США в 1990 году. В 1993 году в США стал применяться CDMA (или IS-95) в диапазоне частот 800 МГц. В это же время в Англии начала свою работу сеть DCS-1800 One-2-One.
В общем, стандартов связи было множество, и к середине девяностых большинство цивилизованных стран плавно переходили на цифровые спецификации. Если сети первого поколения позволяли передавать только голос, то второе поколение систем сотовой связи, которым является и GSM, позволяют предоставлять и другие не голосовые услуги. Помимо SMS-сервиса первые телефоны стандарта GSM позволяли передавать и другие не голосовые данные. Для этого был разработан протокол передачи данных, получивший название CSD (Circuit Switched Data – передача данных по коммутируемым линиям). Однако этот стандарт обладал весьма скромными характеристиками – максимальная скорость передачи данных составляла всего 9600 бит в секунду, и то при условии стабильной связи. Впрочем, для передачи факсимильного сообщения таких скоростей вполне хватало.
Бурное развитие Интернета в конце 90-х
годов привело к тому, что многие пользователи сотовой связи захотели
использовать свои трубки как модемы, а существующих скоростей для этого было
явно недостаточно.
Для того чтобы хоть как-то, удовлетворить потребность своих клиентов в доступе
к сети Интернет, инженеры изобретают WAP-протокол. WAP – это сокращенное
название от Wireless Application Protocol, что переводится как протокол
беспроводного доступа к приложениям. В принципе WAP можно назвать упрощенной
версией стандартного Интернет протокола HTTP, только приспособленного под
ограниченные ресурсы мобильных телефонов, таких как небольшие размеры дисплея,
небольшую производительность телефонных процессоров и небольшие скорости
передачи данных в мобильных сетях. Однако этот протокол не позволял
просматривать стандартные Интернет – страницы, они должны быть написаны на
языке WML, который был адаптированным для сотовых телефонов. В итоге, абоненты
сотовых сетей хотя и получили доступ в Интернет, но он оказался весьма
«урезанным» и малоинтересным. Плюс к этому, для доступа к WAP-сайтам использовался
тот же канал связи, что и для передачи голоса, то есть пока вы загружаете или
просматриваете страничку, канал связи занят, и с лицевого счета списываются те
же деньги, что и во время разговора. В результате, достаточно интересная
технология какое-то время была практически похоронена и использовалась
абонентами сотовых сетей различных операторов весьма редко.
Производителям оборудования сотовой связи срочно пришлось искать способы
увеличения скорости передачи данных, и в результате на свет появилась технология
HSCSD (High-Speed Circuit Switched Data), которая обеспечивала вполне
приемлемую скорость – до 43 килобит в секунду. У определенного
круга пользователей эта технология пользовалась популярностью. Но все же и эта
технология не лишилась главного недостатка своего предшественника – данные все
так же передавались по голосовому каналу. Разработчикам вновь пришлось заняться
кропотливыми исследованиями. Старания инженеров не прошли даром, и достаточно
недавно на свет появилась технология, получившая название GPRS (General Packed
Radio Services) – это название можно перевести как система пакетной радио
передачи данных. В данной технологии используется принцип разделения каналов
для передачи голоса и данных. В результате абонент оплачивает не длительность
соединения, а лишь объем переданных и полученных данных. Помимо этого у GPRS
есть еще одно преимущество перед более ранними технологиями мобильной передачи
данных – во время GPRS-соединения телефон все также способен принимать звонки и
SMS-сообщения. На данный момент современные модели телефонов представленные на
рынке при совершении разговора приостанавливают GPRS-соединение, которое
автоматически возобновляется по окончании разговора. Такие аппараты
классифицируются, как GPRS-терминал класса В. Планируется производство
терминалов класса А, которые будут позволять одновременно загружать данные и
вести разговор с собеседником. Также существуют специальные устройства, которые
предназначены только для передачи данных, и их называют GPRS-модемами или
терминалами класса С. Теоретически GPRS способен передавать данные со скоростью
115 килобит в секунду, но на данный момент большинство операторов связи
предоставляют канал связи, который позволяет развивать скорость до 48 килобит в
секунду. Это связано в первую очередь с оборудованием самих операторов и как
следствие, отсутствием на рынке сотовых телефонов поддерживающих более высокие
скорости.
С появлением GPRS вновь вспомнили и о
WAP-протоколе, так как теперь, посредством новой технологии, доступ к небольшим
по объему WAP-страницам становится во много раз дешевле, чем во времена CSD и
HSCSD. Более того, многие операторы связи за небольшую ежемесячную абонентскую
плату предоставляют неограниченный доступ к WAP-ресурсам сети.
С появлением GPRS сети сотовой связи перестали именоваться сетями второго
поколения – 2G. На данный момент мы находимся в эпохе 2,5G. Не голосовые услуги
становятся все более востребованными, происходит слияние сотового телефона,
компьютера и сети Интернет. Разработчики и операторы предлагают нам все больше
и больше различных дополнительных услуг.
Так, используя возможности GPRS, был создан новый формат передачи сообщений,
который был назван MMS (Multimedia Messaging Service – Сервис Мультимедийных
Сообщений), который в отличие от SMS, позволяет отправлять с сотового телефона
не только текст, но и различную мультимедиа информацию, например, звукозаписи,
фотографии и даже видеоклипы. Причем MMS-сообщение может быть передано как на
другой телефон, поддерживающий этот формат, так и на ящик электронной почты.
Увеличение мощности процессоров телефонов позволяет теперь загружать и
запускать на нем различные программы. Для их написания чаще всего используется
язык Java2ME. Владельцам большинства современных телефонов теперь не составляет
труда подключиться к сайту разработчиков Java2ME приложений и закачать на свой
телефон, например, новую игру или другую необходимую программу. Также никого не
удивит возможность подключения телефона к персональному компьютеру, для того
чтобы, используя специальное программное обеспечение, чаще всего поставляемое
вместе с трубкой, сохранить или отредактировать на ПК адресную книгу или
органайзер; находясь в дороге, используя связку мобильный телефон + ноутбук,
выйти в полноценный Интернет и просмотреть свою электронную почту. Однако наши
потребности постоянно растут, объем передаваемой информации растет практически
ежедневно. И все больше требований выдвигается к сотовым телефонам, вследствие
чего ресурсов нынешних технологий становится недостаточно для удовлетворения
наших возрастающих запросов.
Именно для решения этих запросов и предназначены, достаточно недавно созданные сети третьего поколения 3G, в которых передача данных доминирует над голосовыми услугами. 3G –это не стандарт связи, а общее название всех высокоскоростных сетей сотовой связи, которые вырастут и уже вырастают из ныне существующих. Огромные скорости передачи данных позволяют передавать прямо на телефон высококачественное видеоизображение, осуществлять постоянное соединение с Интернет и локальными сетями. Применение новых, усовершенствованных, систем защиты позволяет уже сегодня использовать телефон для проведения различных финансовых операций – мобильный телефон вполне способен заменить кредитную карту.
Вполне естественно, что сети третьего поколения не станут финальным этапом развития сотовой связи – как говориться, прогресс неумолим. Ныне проходящая интеграция различных видов связи (сотовой, спутниковой, телевизионной и т. д.), появление гибридных устройств, включающих в себя сотовый телефон, КПК, видеокамеру, безусловно, приведет к появлению сетей 4G, 5G. И о том, чем закончится это эволюционное развитие, сегодня вряд ли смогут рассказать даже писатели-фантасты.
На мировом уровне сейчас используется около 2 миллиардов единиц мобильных телефонов, из них больше двух третей подключены к стандарту GSM. Вторым по популярности идёт CDMA, остальные же представляют специфические стандарты, применяемые в основном в Азии. Сейчас в развитых странах сложилась ситуация «пресыщения», когда спрос перестаёт расти.
Вряд ли возможно сегодня найти человека, который бы никогда не пользовался сотовым телефоном. Но каждый ли понимает, как работает сотовая связь? Как устроено и работает то, к чему мы все давно привыкли? Передаются ли сигналы от базовых станций про проводам или все это действует как-то иначе? А может быть вся сотовая связь функционирует лишь за счет радиоволн? На эти и другие вопросы попробуем дать ответ в нашей статье, оставив описание стандарта GSM за ее рамками.
В момент, когда человек пытается совершить вызов со своего мобильного телефона, или когда начинают звонить ему, телефон посредством радиоволн подключается к одной из базовых станций (наиболее доступной), к одной из ее антенн. Базовые станции можно наблюдать то там, то тут, взглянув на дома наших городов, на крыши и на фасады промышленных зданий, на высотки, наконец на специально возведенные для станций мачты красно-белого цвета (особенно вдоль автострад).
Станции эти выглядят как прямоугольные коробки серого цвета, из которых в разные стороны торчат разнообразные антенны (обычно до 12 антенн). Антенны здесь работают как на прием, так и на передачу, и принадлежат они оператору сотовой связи. Антенны базовой станции направлены во всевозможные стороны (сектора), чтобы обеспечить «покрытие сетью» абонентам со всех сторон на расстоянии до 35 километров.
Антенна одного сектора в состоянии обслуживать одновременно до 72 звонков, и если антенн 12, то представьте себе: 864 звонка способна в принципе обслужить одна крупная базовая станция одновременно! Хотя обычно ограничиваются 432 каналами (72*6). Каждая антенна соединена кабелем с управляющим блоком базовой станции. А уже блоки нескольких базовых станций (каждая станция обслуживает свою часть территории) присоединяются к контроллеру. К одному контроллеру присоединяется до 15 базовых станций.
Базовая станция в принципе способна функционировать на трех диапазонах: сигнал 900 МГц лучше проникает внутрь зданий и сооружений, распространяется дальше, поэтому именно данный диапазон часто используют в деревнях и на полях; сигнал на частоте 1800 МГц распространяется не так далеко, но на одном секторе устанавливают больше передатчиков, поэтому в городах ставят чаще именно такие станции; наконец 2100 МГц — это сеть 3G.
Контроллеров, конечно, в населенном пункте или районе, может быть несколько, поэтому контроллеры, в свою очередь, присоединяются кабелями к коммутатору. Задача коммутатора — связать сети операторов мобильной связи друг с другом и с городскими линиями обычной телефонной связи, междугородной связи и международной связи. Если сеть небольшая, то достаточно одного коммутатора, если крупная — используются два и более коммутаторов. Коммутаторы объединяются между собой проводами.
В процессе перемещения человека, разговаривающего по мобильнику, по улице, например: идет он пешком, едет в общественном транспорте, или передвигается на личном авто, - его телефон не должен ни на мгновение потерять сеть, нельзя оборвать разговор.
Непрерывность связи получается благодаря способности сети базовых станций очень оперативно переключать абонента с одной антенны на другую в процессе его перемещения от зоны действия одной антенны — в зону действия другой (от соты к соте). Абонент сам не замечает, как перестает быть связан с одной базовой станцией, и подключен уже к другой, как переключается от антенны — к антенне, от станции — к станции, от контроллера — к контроллеру…
При этом коммутатор обеспечивает оптимальное распределение нагрузки по многоуровневой схеме сети, чтобы снизить вероятность выхода оборудования из строя. Многоуровневая сеть строится так: сотовый телефон — базовая станция — контроллер — коммутатор.
Допустим, мы совершаем вызов, и вот сигнал уже добрался до коммутатора. Коммутатор передает наш звонок в сторону абонента назначения — в городскую сеть, в сеть международной или междугородней связи, либо на сеть другого мобильного оператора. Все это происходит очень быстро с использованием высокоскоростных оптоволоконных кабельных каналов.
Далее наш звонок поступает на коммутатор, что расположен на стороне принимающего звонок (вызываемого нами) абонента. В «приемном» коммутаторе уже есть данные о том, где находится вызываемый абонент, в какой зоне действия сети: какой контроллер, какая базовая станция. И вот, с базовой станции начинается опрос сети, находится адресат, и на его телефон «поступает вызов».
Вся цепочка описанных событий, с момента набора номера до момента раздавшегося на принимающей стороне звонка, длится обычно не более 3 секунд. Так мы можем сегодня звонить в любую точку мира.
Андрей Повный
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.
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.
