Принцип работы базовой станции сотовой связи. Что такое мобильная связь

СОТОВАЯ СВЯЗЬ СОТОВАЯ СВЯЗЬ

СО́ТОВАЯ СВЯЗЬ (англ. cellular phone, подвижная радиорелейная связь), вид радиотелефонной связи, в которой конечные устройства - мобильные телефоны (см. МОБИЛЬНЫЙ ТЕЛЕФОН) - соединены друг с другом с помощью сотовой сети - совокупности специальных приемопередатчиков (базовых станций). Базовые станции связываются друг с другом с помощью каналов фиксированной связи, а с обслуживаемыми мобильными телефонами - с помощью радиоволн. Область, где могут находится обслуживаемые отдельной базовой станцией мобильные телефоны, называется сотой (ячейкой, англ. cell). Один сотовый телефон обычно в каждый момент времени виден несколькими базовыми станциями, и, согласно используемым в сотовой сети стандартам и протоколам, связывается с той базовой станцией, которая имеет наименьшее ослабление сигнала (и при этом у этой станции не исчерпан лимит на число обслуживаемых телефонов). Таким образом, когда мобильный телефон перемещается вместе с использующим его человеком, и попадает в области видимости разных базовых станций, то его соединение с сотовой сетью не разрывается, и он может совершать и принимать звонки, а также пользоваться всеми услугами сотовой сети.
Компании, которые предоставляют доступ к сотовым сетям, называются операторами сотовой связи.
Мощность радиопередатчика мобильного телефона в сотовой сети гораздо меньше (в сотни раз) мощности передатчика базовой станции, поэтому мобильные телефоны имеют сравнительно небольшие размеры и безопасны в использовании. Уровень излучения мобильных телефонов регламентируются специальными международными стандартами безопасности. Существует множество стандартов и технологий мобильной связи.
Сети мобильной связи первого поколения
Первые сотовые сети были построены с использованием аналоговых стандартов - стандартов первого поколения (1G, first generation). Самые распространенные из них - NMT и AMPS. Обычно рядом с названием стандарта записывают частоту в мегагерцах, рядом с которой выделен частотный диапазон для взаимодействия базовой станции с мобильными телефонами, например базовые станции сетей NMT-450 общаются с сотовыми телефонами на частоте 450 МГц.
Сеть на основе стандарта NMT (Nordic Mobile Telephone) - первого стандарта сотовой связи - начала работать в странах Северной Европы в 1981. Также NMT был первым стандартом мобильной связи, используемым в России (1991) и в США.
В аналоговых стандартах для обеспечения одновременной работы нескольких мобильных телефонов в одной соте, а также базовых станций различных сот, использовалось только разделение каналов по частоте (FDMA, Frequency Division Multiple Access, одновременный доступ с разделением по частоте), что в условиях дефицита свободных частот означает работу в одной соте максимум только 10-20 телефонов и большие размеры сот. Это было приемлемо только при относительно низкой распространенности мобильной связи. Также аналоговые стандарты не давали никакой защиты от помех, а подслушать разговор иногда можно было с помощью простого радиоприемника.
В 2000-е гг. везде в мире сети первого поколения вытесняются сетями второго и третьего поколений.
Сети мобильной связи второго поколения
В сетях второго поколения (2G, second generation) данные между базовыми станциями и мобильными телефонами передаются в цифровом виде. Это позволило использовать в стандартах DAMPS и пришедшему ему на смену GSM для одновременной работы с одной базовой станции нескольких телефонов временное разделение (TDMA, Time Division Multiple Access, одновременный доступ с разделением по времени) - каждый частотный канал разделен на несколько так называемых «таймслотов», т. е. интервалов времени, в течение которых канал занимает один телефон. Таким образом, одна базовая станция может обслуживать до нескольких сотен телефонов одновременно. А мощности передатчиков в мобильных телефонах второго поколения были снижены, так как потери при передаче оцифрованного звука гораздо ниже.
В стандарте CDMA (Code Division Multiple Access, одновременный доступ с разделением по коду) используются более сложные методы разделения радиоэфира между различными мобильными телефонами. Причем, как много ни было бы разных телефонов в соте, и сколько бы базовых станций ни было бы соседями, каждый мобильный телефон использует для приема и передачи целую частотную полосу (канал) сравнительно большой ширины - 1,25 МГц в стандарте CDMA2000 1x. Чтобы различать сигналы разных телефонов и базовых станций, каждый передатчик имеет собственный код, который распространяется по всей ширине канала.
Самым популярным стандартом сотовой связи является именно стандарт второго поколения GSM - Global System for Mobile Communications (Глобальная система мобильной связи). Мобильными телефонами этого стандарта сейчас пользуются более миллиарда человек во всем мире.
Технологии передачи данных в сетях второго поколения
Но главным следствием перехода к цифровой форме сигнала стала возможность использовать мобильные телефоны для передачи не только голоса (звука), но и других видов информации. Первой подобной услугой, сделавшей возможным передачу текста между мобильными телефонами, был так называемый «сервис коротких сообщений» - Short Message Service (сокращенно SMS). SMS впервые появился в стандарте GSM (в декабре 1992 в сети британского оператора Vodaphone был произведен эксперимент по рассылке SMS), но позднее был реализован и в сетях на основе других стандартов. С помощью технологии SMS можно передавать не только короткие текстовые сообщения, но и простые картинки и звуки, а также выражать свои эмоции с помощью специальных изображений - смайликов (от smile - улыбка). Для этого используются технологии EMS и Nokia Smart Messaging.
Позднее, с совершенствованием мобильных телефонов и развитием компьютеризации, в сетях GSM были введены технологии для передачи компьютерных данных, доступа к сети Интернет (см. ИНТЕРНЕТ) . Первой такой технологией была CSD (Circuit Switched Data, передача данных через прямое подключение), в которой выделенный телефону таймслот используется для передачи данных со скоростью 9.6 килобит в секунду - таймслот выделяется точно так же, как и при совершении телефонных звонков. При этом телефон нельзя использовать по своему прямому назначению. Для увеличения скорости передачи была создана технология HSCSD (High Speed CSD, высокоскоростная CSD) - телефон получает несколько таймслотов сразу, также применяется специальный алгоритм для коррекции ошибок в зависимости от качества соединения. При использовании этой технологии в соте может не хватить таймслотов для всех мобильных телефонов, поэтому она не стала распространенной.
Самой распространенной технологией передачи данных является GPRS (General Packet Radio Service, служба пакетной радиопередачи данных общего пользования), которая позволяет использовать выделенные таймслоты сразу нескольким мобильным телефонам, использует различные алгоритмы при разном качестве связи с БС, различной загруженности БС. Каждый телефон использует различное количество таймслотов, освобождая их при отсутствии необходимости или запрашивая новые. Таймслоты делятся между телефонами с помощью пакетного разделения, как в компьютерных сетях. Количество таймслотов, которое может использовать телефон, ограничено аппаратно, и зависит от класса GPRS мобильного телефона. Скорость передачи асимметрична - если для получения информации телефон класса может использовать до 4-х таймслотов при 8-м и 10-м классах GPRS, то для передачи всего 1-2. Теоретический предел скорости для GPRS при идеальном соединении (21,4 килобит в секунду) и 5-и выделенных таймслотах составляет 107 килобит в секунду. Но реально средняя скорость работы GPRS находится на уровне 56 килобит в секунду. Мобильным телефонам при использовании технологии GPRS выделяются IP-адреса в Интернете, в большинстве случаев не уникальные.
Дальнейшим развитием технологии GPRS стала технология EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution, повышенная скорость передачи данных для развития GSM). В этой технологии, по сравнению с GPRS, применены новые схемы кодирования информации, а также изменен алгоритм обработки ошибок (ошибочно переданные пакеты не передаются заново, передается только информация для их восстановления). В результате, максимальная скорость передачи достигает 384 килобит в секунду.
Иногда технологию GPRS называют технологией мобильной связи «поколения 2,5» - 2.5G, а технологию EDGE - технологией 2.75G.
Для сетей CDMA2000 создана технология 1xRTT, позволяющая достигать скорости 144 килобит в секунду.
Назначение технологий передачи данных в сетях мобильной связи
Первоначально эти технологии использовались в мобильных телефонах для доступа в Интернет с помощью персональных компьютеров, и лишь затем, с дальнейшим развитием мобильных телефонов, предоставили доступ в Интернет непосредственно с мобильного телефона. Для получения информации на мобильный телефон использовалась технология WAP (Wireless Application Protocol, протокол для беспроводных приложений), которая предъявляла сравнительно небольшие требования к техническим характеристикам мобильного телефона. Странички создавались на специальном языке WML (Wireless Markup Language), приспособленном к особенностям мобильных телефонов - небольшому размеру экрана, только клавишному управлению, небольшим скоростям передачи данных, задержкам при загрузке страниц, и так далее. Более того, ввиду низкой производительности процессора и малого объема памяти мобильного телефона, для максимального облегчения работы мобильного браузера странички на этом языке обрабатывались не непосредственно, а с помощью промежуточного сервера (так называемого WAP-шлюза), который компилировал их в специальный байт-код, выполняемый мобильным телефоном. Именно за это - работу промежуточного сервера - операторы сотовой связи так высоко оценивают эту услугу.
Однако с совершенствованием мобильных телефонов вскоре произошли изменения. Во-первых, отпала необходимость в промежуточном сервере - теперь браузеры современных мобильных телефонов выполняют его работу самостоятельно. Во-вторых, на смену специализированному языку WML приходит стандарт xHTML - он отличается от повсеместно используемого в Интернете языка HTML только соблюдением некоторых специальных правил, а именно, спецификации XML. В-третьих, современные мобильные телефоны обладают вполне достаточным размером экрана для отображения обычных, предназначенных для компьютеров, страниц Интернета. В-четвертых, с развитием современного Интернета оказалось, что код HTML-страниц стал упрощаться и структурироваться, в связи с тем, что теперь он пишется преимущественно машинно. В связи с этими изменениями, многие современные телефоны вполне могут самостоятельно обрабатывать HTML.
На базе этих технологий передачи данных также были созданы дополнительные сервисы для мобильных телефонов - например, MMS(Multimedia Messaging System, система fпередачи мультимедийных сообщений). С помощью мобильного телефона теперь легко можно составить сообщение, содержащее текст, изображение, звук, видео или другие компьютерные файлы. Многие элементы MMS могут быть объединены в слайды, и принявший MMS телефон может показать презентацию, состоящую из них. Технически, когда отправляется MMS-сообщение, используется специализированный протокол передачи данных через обычное Интернет-соединение, например, через GPRS.
MMS-сообщения с мобильного телефона можно отправлять не только на другие мобильные телефоны, но и на адреса электронной почты - на электронный ящик придут все файлы, из которых состоит MMS. Каждое сообщение может быть отправлено сразу по нескольким адресам.
Если адресатом является номер другого мобильного телефона, поддерживающего MMS, то он напрямую закачивает содержимое сообщения по специальному протоколу, либо автоматически, либо по специальному запросу. А если принимающий сообщение мобильный телефон не поддерживает MMS, то он получает SMS-сообщение, содержащее ссылку в Интернете, перейдя по которой можно через Web посмотреть содержимое MMS либо с самого мобильного телефона, либо с персонального компьютера.
Однако большинство современных мобильных телефонов оснащено программами - клиентами электронной почты, и, по мере их совершенствования, MMS становится ненужным, вытесняется другими сервисами, например, BlackBerry.
Доступ в Интернет с мобильных телефонов может использоваться для тех же целей, что и в персональных компьютерах, например, для использования различных служб обмена сообщениями, вроде ICQ.
Мобильная связь третьего поколения
Скорости передачи данных в сетях второго поколения недостаточны для реализации многих новых задач мобильной связи, в частности, передачи высококачественного видео в реальном времени (видеофонии), современных фотореалистичных компьютерных игр через Интернет и других. Для обеспечения необходимых скоростей созданы новые стандарты и протоколы:
1. Стандарт UMTS (Universal Mobile Telecommunications System, универсальная система мобильной связи) на базе технологии W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access, широкополосный CDMA), частично совместимой с GSM. Скорость приема и передачи данных достигает 1920 килобит в секунду.
2. Технология 1xEV (evolution, развитие) для сетей CDMA2000. Скорость приема данных достигает 3,1 мегабит в секунду, а передачи - 1,8 мегабит в секунду.
3. Технологии TD-SCMA, HSDPA и HSUPA. Позволяют достичь еще более высоких скоростей. По состоянию на 2006 технологии W-CDMA предоставляют часто поддержку HSDPA. TD-SCMA разрабатываются.
Таким образом, современные технологии мобильной связи - это не столько технологии мобильной телефонии, сколько универсальные технологии передачи информации.

Энциклопедический словарь . 2009 .

Смотреть что такое "СОТОВАЯ СВЯЗЬ" в других словарях:

Сотовая связь, сеть подвижной связи один из видов мобильной радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть. Ключевая особенность заключается в том, что общая зона покрытия делится на ячейки (соты), определяющиеся зонами покрытия отдельных … Википедия

Один из видов мобильной радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть. Ключевая особенность заключается в том, что общая зона покрытия делится на ячейки (соты), определяющиеся зонами покрытия отдельных базовых станций (БС). Соты частично… … Словарь бизнес-терминов

Сотовая связь третьего поколения - Сети сотовой связи третьего поколения (3rd Generation, или 3G) работают на частотах диапазона около 2 гигагерц и обеспечивают передачу данных на скорости до 2 мегабит в секунду. Такие характеристики позволяют использовать мобильный телефон, в… … Энциклопедия ньюсмейкеров

ООО «Екатеринбург 2000» Тип Оператор сотовой связи Расположение … Википедия

Статья содержит ошибки и/или опечатки. Необходимо проверить содержание статьи на соответствие грамматическим нормам русского языка … Википедия

В Московском метрополитене работают сотовые телефоны стандарта GSM следующих сотовых операторов на следующих станциях. Содержание 1 «МТС» 2 «Билайн» 3 «МегаФон» … Википедия

- … Википедия

Сотовая связь один из видов мобильной радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть. Ключевая особенность заключается в том, что общая зона покрытия делится на ячейки (соты), определяющиеся зонами покрытия отдельных базовых станций (БС). Соты … Википедия

Координаты: 56°49′53.36″ с. ш. 60°35′14.81″ в. д. / 56.831489° с. ш. 60.587447° в. д. … Википедия

Современные стандарты сотовой связи

Любая радиосвязь, позволяющая абоненту пользоваться ею без привязки к конкретному месту: сотовая, пейджинговая, с помощью радиотелефонов, радиоудлинителей, раций и т. д. называется мобильной. Сотовая связь - разновидность мобильной связи, организованная по принципу сот или ячеек {cells), путем размещения базовых станций {Base Transceiver Station ), которые покрывают локальную территорию.

Принцип построения сотовых систем состоит в следующем: в пределах территории действия сети устанавливается некоторое количество относительно маломощных стационарных приемопередающих станций (базовых станций), каждая из которых имеет небольшую зону действия (обычно несколько километров). При этом зоны действия соседних станций несколько перекрывают друг друга, чтобы обеспечить возможность перемещения абонента из одной зоны в другую без потери связи. Чтобы такое перекрытие было возможным, соседние станции должны использовать различные рабочие частоты. Для полного покрытия определенной территории требуются как минимум три различные частоты, чтобы расположенные в виде треугольника станции могли иметь перекрытие зон обслуживания. Четвертая же станция может снова использовать одну из этих трех частот, так как она граничит только с двумя зонами. При таком подходе форма зоны действия каждой базовой станции представляет собой шестиугольник, а расположение этих зон в точности повторяет структуру пчелиных сот, что и дало название системам связи с подобным принципом построения.

Совокупность локальных территорий составляет зону обслуживания оператора. Уровень сигнала в конкретном месте зависит от близости к базовой станции, рельефа местности, застройки, индустриальных помех и других факторов. Сигнал с базовой станции передается на коммутатор и обрабатывается им.

В состав оборудования системы сотовой связи входят базовые станции и центр коммутации, соединенные по выделенным проводным или радиорелейным каналам, как показано на рис. 7.2.

Рис. 7.2.

Центр коммуникации - это автоматическая телефонная станция системы сотовой связи, обеспечивающая все функции управления сетью: слежение за подвижными абонентами, организация их эстафетной передачи, переключение рабочих каналов в соте при появлении помех, соединение абонента с абонентом обычной телефонной сети.

Базовая станция представляет собой многоканальный приемопередатчик, работающий в режиме приема и передачи сигнала и служащий своеобразным интерфейсом между сотовым телефоном и центром коммуникации подвижной связи.

Число каналов базовой станции обычно кратно восьми: 8, 16, 32. Один из каналов является управляющим, или каналом вызова, поскольку именно на нем производится установление соединения при вызове подвижного абонента сети, однако разговор происходит после переключения на другой канал, свободный в данный момент. Сама идея сотовой сети мобильной связи заключается в том, что, еще не выйдя из зоны действия одной базовой станции, телефон и его владелец попадают в зону действия следующей и так вплоть до наружной границы всей зоны покрытия сети. При этом сотовая связь не обязательно подразумевает мобильность: сегодня во всем мире все большее распространение получает так называемая «сотовая фиксированная связь». Такое решение часто оказывается экономически выгодным -отпадает необходимость в дорогостоящей прокладке телефонного кабеля, а одной мощной базовой станции вполне достаточно для телефонизации целого микрорайона. Антенны базовых станций устанавливаются в городе на высоте 15-100 м от поверхности земли на уже существующих постройках (общественных, производственных зданиях, жилых домах, дымовых трубах), а за городом - на высоких мачтах.

Система сотовой связи функционирует по следующему алгоритму.

В режиме ожидания (трубка положена) приемное устройство радиотелефона постоянно сканирует либо все каналы системы, либо только управляющие.

Для вызова соответствующего абонента всеми базовыми станциями системы связи по управляющим каналам передается сигнал вызова.

Сотовый телефон вызываемого абонента при получении этого сигнала отвечает по одному из свободных каналов управления.

Базовые станции, принявшие ответный сигнал, передают информацию о его параметрах в центр коммуникации, который в свою очередь переключает разговор на ту базовую станцию, где зафиксирован максимальный уровень сигнала сотового телефона вызываемого абонента.

Число абонентов в каждой соте непостоянно, поскольку они перемешаются из соты в соту. При пересечении границы между сотами производится автоматическое переключение абонента на обслуживание в другой соте.

Первая система сотовой связи, состоящая из одного шестиканального передатчика, была создана в североамериканском городе Сент-Луисе еще в 1946 г. Активное же внедрение сотовой связи началось значительно позже. Первые коммерческие системы появились в Америке в 1979 г., а приобрели национальный масштаб только в 1980-х. Например, в 1981 г. в Европе появилась первая международная система, объединившая Норвегию, Данию, Швецию и Финляндию.

В итоге в начале 1980-х гг. в Европе уже существовало более двадцати различных не совместимых между собой аналоговых сетей. Несовместимость стандартов мешала распространению сотовой телефонии, усложняла жизнь и операторам, и абонентам. Невозможно было, к примеру, осуществлять автоматический роуминг при перемещении из зоны действия одной сети в зону действия другой. И абонентские устройства, сами сотовые телефоны были далеко не универсальными. Для каждого типа сотовой связи нужно было разрабатывать уникальную аппаратуру.

Существовавшие на тот момент стандарты относят к стандартам первого поколения (1G - first generation). Это стандарты аналоговой сотовой связи. Их примерами является скандинавская система NMT, английская TACS и американская AMPS. Одним из самых живучих стандартов первого поколения стал цифровой стандарт D-AMPS {Digital Advanced Mobile Phone Service ), который довольно долго был популярен в России, так же как и его аналоговый вариант AMPS.

В целях принятия единого стандарта в 1982 г. была создана специальная группа под названием Group Special Mobile (GSM), в которую вошли представители 24 западноевропейских стран. Разработчики новой системы резонно полагали, что цифровые методы сжатия и кодирования информации значительно расширят применения сотовой связи, обеспечат лучшее качество и предоставят пользователям невиданные ранее сервисы. В качестве стандарта была принята цифровая система компании «Mannesmann», внедренная в 1991 г. в Германии.

Таким образом, в середине 1991 г. началась коммерческая эксплуатация первой сети этого стандарта. Сегодня GSM является самой распространенной системой сотовой связи в мире, а ее название расшифровывается иначе - Global System for Mobile telecommunications -глобальная система мобильных телекоммуникаций. GSM на сегодняшний день является наиболее распространенным стандартом связи. По данным ассоциации GSMA на данный стандарт приходится 82 % мирового рынка мобильной связи. В GSMA в настоящее время входят операторы более чем 210 стран и территорий. GSM относится к сетям второго поколения (2 Generation).

В сотовой связи стандарта GSM используются радиочастоты 900, 1 800 или 1 900 МГц. Существуют также и довольно распространены мультидиапазонные (Dual-Band, Multi-Band) телефоны, способные работать в диапазонах 900/1 800 МГц, 850/1 900 МГц, 900/1 800/1 900 МГц.

В сравнении с аналоговыми стандартами, GSM имеет целый ряд преимуществ. Основное из них - применение маломощных передатчиков в абонентских аппаратах и в базовых станциях. Это удешевляет саму аппаратуру, но не сказывается на качестве связи. Кроме того, передача информации в цифровом виде позволяет легко обеспечить высокую степень конфиденциальности переговоров и широкий спектр сервисных функций.

Технология GSM - это на самом деле целый «букет» сложнейших технологий. Первая из них - технология оцифровки и кодирования звука. Поскольку эти операции требуют немалых вычислительных ресурсов, то в каждом сотовом телефоне, даже в самом дешевом, работает достаточно мощный специализированный процессор. Процессор реализует и технологию многоканального выравнивания. Дело в том, что в диапазоне 900 МГц и выше радиосигнал легко отражается от стен зданий и других препятствий. В результате телефон получает множество отличающихся по фазе сигналов, из которых выделяет нужный, а остальные игнорирует.

Еще одна любопытная особенность GSM - прерывистая передача. Когда мы молчим, телефон отключает передатчик. Как только заговорим - включает. Этот механизм позволяет свести к минимуму энергопотребление сотового телефона.

Все сотовые телефоны в зависимости от мощности встроенных радиопередатчиков подразделяются на несколько классов. Большинство популярных моделей имеют мощность до 0,8 Вт. Но обычно, когда базовая станция находится рядом с абонентским устройством (а «соты» GSM в больших городах располагаются достаточно густо, чтобы избежать «мертвых» зон между строениями), полная мощность передатчика телефона для поддержания устойчивой связи не нужна. Для регулировки мощности используется механизм анализа количества ошибок при передаче-приеме. На его основе мощность передатчика базовой станции и телефона понижается до уровня, когда качество связи достаточно стабильно.

Намного более сложным представляется с точки зрения рядового абонента система передачи сигнала от одной базовой станции к другой, выделения каналов связи и прочее.

Все операторы сотовой GSM-связи, кроме передачи речевых сообщений, предоставляют стандартный набор услуг по передаче данных: CSD, GPRS, EDGE, WAP.

CSD (Circuit Switched Data или GSM Data) - стандартная технология передачи данных с коммутацией каналов в сети GSM. Для того чтобы воспользоваться CSD-услугами, необходимо иметь мобильный телефон с поддержкой CSD. При этом абсолютное большинство мобильных телефонов поддерживает технологию CSD.

Преимущества CSD:

• постоянная скорость передачи данных - 9,6 кбит/с;
• наиболее обширная зона CSD-покрытия, которая соответствует зоне GSM-покрытия;
• тарификация CSD-услуг не зависит от объема переданных и полученных данных;
• стабильное CSD-соединение.

Особенности CSD:

• при использовании CSD информация передается по одному выделенному и закрепленному за CSD-соединением радиоканалу;
• CSD совместима со всеми самыми распространенными аналоговыми и цифровыми протоколами передачи данных.

Для доступа в Интернет непосредственно с мобильного телефона подключайте услугу WAP (Wireless Application Protocol). При этом для работы в Интернете Вам не нужен компьютер, достаточно только мобильного телефона, поддерживающего WAP. Многие сайты в Интернет имеют свои WAP-версии, оптимизированные специально для доступа с мобильных телефонов. Применение данной услуги будет более подробно рассмотрено далее.

Для скоростного доступа в Интернет обычно используется технологии GPRS или EDGE. GPRS (General Packet Radio Service) - это технология пакетной передачи данных, которая позволяет с помощью мобильного телефона получать и передавать информацию на более высоких скоростях по сравнению со стандартным голосовым каналом GSM (9,6 кбит/с). Максимальная скорость в GPRS составляет 171,2 кбит/с. Вы можете выйти в Интернет со своего мобильного телефона с помощью WAP-технологии как с использованием GPRS, так и без нее. EDGE (.Enhanced Data-Rates For GSM Evolution) - это логическое продолжение GPRS, обеспечивающее более высокую скорость передачи данных - до 384 кбит/с. EDGE предоставляет пользователю те же услуги, что и GPRS. Технология EDGE не требует дополнительных настроек, в зоне покрытия мобильный телефон выберет ее автоматически.

Принцип работы сотовой связи

Основные принципы сотовой телефонии довольно просты. Первоначально Федеральная комиссия по связи установила географические зоны покрытия сотовых радиосистем на основе измененных данных переписи 1980 г. Идея сотовой связи состоит в том, что каждая зона подразделяется на ячейки шестиугольной формы, которые, совмещаясь, образуют структуру, напоминающую пчелиные соты, как показано на рисунке 6.1, а. Шестиугольная форма была выбрана потому, что она обеспечивает наиболее эффективную передачу, приблизительно соответствуя круговой диаграмме направленности и при этом устраняя щели, которые всегда возникают между соседними окружностями.

Сота определяется своими физическими размерами, численностью населения и структурой трафика. Федеральная комиссия по связи не регламентирует количеств сот в системе и их размер, предоставляя операторам возможность установить эти параметры в соответствии с ожидаемой структурой трафика. Каждой географической области выделяется фиксированное количество сотовых речевых каналов. Физические размеры соты зависят от абонентской плотности и структуры вызовов. Например, крупные соты (макросоты) обычно имеют радиус от 1,6 до 24 км при мощности передатчика базовой станции от 1 Вт до 6 Вт. Самые маленькие соты (микросоты) обычно имеют радиус 460 м или меньше при мощности передатчика базовой станции от 0,1 Вт до 1 Вт. На рисунке 6.1, б показана сотовая конфигурация с сотами двух размеров.

Рисунок 6.1. – Сотовая структура ячеек а);сотовая структура с сотами двух размеров б) классификация сот в)

Микросоты чаще всего используются в регионах с высокой плотностью населения. В силу своего небольшого радиуса действия микросоты менее подвержены воздействиям, ухудшающим качество передачи, например, отражениям и задержкам сигнала.

Макросота может накладываться на группу микросот, при этом микросоты обслуживают медленно перемещающиеся мобильные аппараты, а макросота – быстро перемещающиеся аппараты. Мобильный аппарат способен определять скорость своего перемещения как быструю или медленную. Это позволяет уменьшить число переходов из одной соты в другую и коррекции данных о месте нахождения.

Алгоритм перехода из одной соты в другую может быть изменен при малых расстояниях между мобильным аппаратом и базовой станцией микросоты.

Иногда радиосигналы в соте слиш­ком слабы, чтобы обеспечить надеж­ную связь внутри помещений. Осо­бенно это касается хорошо экрани­рованных участков и зон с высоким уровнем помех. В таких случаях ис­пользуются очень маленькие соты – пикосоты. Пикосоты внутри помеще­ний могут использовать те же час­тоты, что и обычные соты данного региона, особенно при благоприятной окружающей среде, как, например, в подземных тоннелях.

При планировании систем, использующих соты шестиугольной формы, передатчики базовой станции могут раз­мещаться в центре соты, на ребре соты или в вер­шине соты (рисунок 6.2 а, б, в соответственно). В сотах с передатчиком в центре используются обычно всенаправленные антенны, а в сотах с передатчиками на ребре или в вершине – секторные направленные антенны.

Всенаправленные антенны излучают и принимают сигналы одинаково во всех направлениях.

Рисунок 6.2 – Размещение передатчиков в сотах: в центре а); на ребре б); в вершине в)

В системе сотовой связи одна мощная стационарная базовая станция, расположенная высоко над центром города, может заменяться многочисленными одинаковыми маломощными станциями, которые устанавливаются в зоне покрытия на площадках, расположенных ближе к земле..

Соты, использующие одну и ту же группу радиоканалов, могут избежать взаимных влияний, если они правильно разнесены. При этом наблюдается повторное использование частот. Повторное использование частот – это выделение одной и той же группы частот (каналов) нескольким сотам при условии, что эти соты разделены значительны­ми расстояниями. Повторному использованию частот способствует уменьшение зоны обслуживания каждой соты. Базовой станции каждой соты выделяется группа рабочих частот, отличающихся от частот соседних сот, а антенны базовой станции выбираются таким образом, чтобы охватить желаемую зону обслуживания в пределах своей соты. Поскольку зона обслуживания ограничена границами одной соты, различные соты могут использовать одну и ту же группу рабочих частот без взаимных влияний при условии, что две таких соты находятся на достаточном расстоянии друг от друга.

Географическая зона обслуживания сотовой системы, содержащая несколько групп сот делится на кластеры (рисунок 6.3). Каждый кластер состоит из семи сот, которым выделяется одинаковое количество полнодуплексных каналов связи. Соты с одинаковыми буквенными обозначениями используют одну и ту же группу рабочих частот. Как видно из рисунка, одинаковые группы частот используются во всех трех кластерах, что позволяет в три раза увеличить количество доступных каналов мобильной связи. Буквы A , B , C , D , E , F и G обозначают семь групп частот.

Рисунок 6.3 – Принцип повторного использования частот в сотовой связи

Рассмотрим систему с фиксированным количеством полнодуплексных каналов, доступных в некоторой области. Каждая зона обслуживания разделя­ется на кластеры и получает группу каналов, которые распределяются между N сотами кластера, группируясь в неповторяющиеся комбинации. Все соты имеют одинаковое количество каналов, но при этом они могут обслуживать зоны раз­ового размера.

Таким образом, общее число каналов сотовой связи, доступных в кластере, можно представить выражением:

F = GN (6.1)

где F – число полнодуплексных каналов сотовой связи, доступных в кластере;

G – число каналов в соте;

N – число сот в кластере.

Если кластер «копируется» в пределах заданной зоны об­служивания m раз, то суммарное число полно дуплексных каналов составит:

C = mGN = mF (6.2)

где С – суммарное число каналов в заданной зоне;

m – число кластеров в заданной зоне.

Из выражений (6.1) и (6.2) видно, что суммарное число каналов в сотовой телефонной системе прямо пропорционально количеству «повторений» кластера в заданной зоне обслуживания. Если размер кластера уменьшается, а размер соты остается неизменным, то для покрытия заданной зоны обслуживания потребуется больше кластеров, и суммарное число каналов в системе возрастет.

Число абонентов, которые могут одновременно использовать одну и ту же группу частот (каналов), находясь не в соседних ячейках небольшой зоны об­служивания (например, в пределах города), зависит от общего числа ячеек в данной зоне. Обычно число таких абонентов равно четырем, однако в густона­селенных регионах оно может быть значительно больше. Это число называют коэффициентом повторного использования частот или FRF – Frequency reuse factor . Математически его можно выразить отношением:

где N – общее число полно дуплексных каналов в зоне обслуживания;

С – общее число полнодуплексных каналов в соте.

В условиях прогнозируемого увеличения трафика сотовой связи возросший спрос на обслуживание удовлетворяют путем уменьшения размера соты, раз­деляя ее на несколько сот, каждая из которых имеет свою базовую станцию. Эффективное разделение сот позволяет системе обрабатывать больше вызовов при условии, что соты не будут слишком маленькими. Если диаметр соты стано­вится меньше 460 м, то базовые станции соседних ячеек будут влиять друг на друга. Соотношение между повторным использованием частот и размером кластера определяет, как можно изменить масштаб сотовой системы в случае увеличения абонентской плотности. Чем меньше сот в кластере, тем больше вероятность взаимных влияний между каналами.

Поскольку соты имеют шестиугольную форму, каждая из них всегда имеет шесть равноудаленных соседних сот, и углы между линиями, соединяющими центр любой соты с центрами соседних сот, кратны 60°. Поэтому число возмож­ных размеров кластера и схем размещения сот ограничено. Для соединения сот между собой без пробелов (мозаичным способом) геометрические размеры ше­стиугольника должны быть такими, чтобы число сот в кластере удовлетворяло условию:

где N – число сот в кластере; i и j – неотрицательные целые числа.

Отыскание маршрута к ближайшим сотам с совмещенным каналом (так называемым сотам первого яруса) происходит следующим образом:

Перемещение на i сот (через центры соседних сот):

Перемещение на j сот вперед (через центры соседних сот).

Например, число сот в кластере и место­положение сот первого яруса для следующих значений: j = 2. i = 3 будет определяться из выражения 6.4 (рисунок 6.4) N = 3 2 + 3 2 + 2 2 = 19.

На рисунке 6.5 показаны шесть ближайших сот, использующих те же каналы, что и сота А .

Процесс передачи обслуживания из одной соты в другую, т.е. когда мобильный аппарат удаляется от базовой станции 1 к базовой станции 2 (рисунок 6.6) включает четыре основных этапа:

1) инициирование – мобильный аппарат или сеть выявляет необходимость в передаче обслуживания и инициирует необходимые сетевые процедуры;

2) резервирование ресурсов – с помощью соответствующих сетевых проце­урр резервируются ресурсы сети, необходимые дляпередачи обслуживания (речевой канал и канал управления);

3) исполнение – непосредственная передача управления от одной базовой станции к другой;

4) окончание – излишние сетевые ресурсы освобождаются, становясь доступ­ными другим мобильным аппаратам.

Рисунок 6.6 – Передача обслуживания

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.

Все мы пользуемся мобильными телефонами, но при этом редко кто задумывается - как же они работают? В данной статье мы постараемся разобраться, как, собственно, реализуется связь относительно вашего мобильного оператора.

Когда вы осуществляете звонок своему собеседнику, или кто-то звонит вам, ваш телефон соединяется по радиоканалу с одной из антенн соседней базовой станции (БС, BS, Base Station) .Каждая базовая станция сотовой связи (в простонародье - вышки сотовой связи) включает в себя от одной до двенадцати приемо-передающих антенн , имеющих направления в разные стороны с целью обеспечения качественной связью абонентов в радиусе своего действия. Такие антенны специалисты на своем жаргоне называют «секторами» , представляющими собой серые прямоугольные конструкции, которые вы можете практически каждый день видеть на крышах зданий или специальных мачтах.

Сигнал от такой антенны поступает по кабелю прямо в управляющий блок базовой станции. Базовая станция является совокупностью секторов и управляющего блока. При этом определенную часть населенного пункта или территории обслуживают сразу несколько базовых станций, подключенных к специальному блоку - контроллеру локальной зоны (сокращенно LAC, Local Area Controller или просто «контроллер»). Как правило, один контроллер объединяет до 15 базовых станций определенного района.

Со своей стороны, контроллеры (их также может быть несколько) соединены с самым главным блоком - Центром управления мобильными услугами (MSC, Mobile services Switching Center) , который для упрощения восприятия принято называть просто «коммутатором» . Коммутатор, в свою очередь, осуществляет вход и выход на любые линии связи - как сотовой, так и проводной.

Если отобразить написанное в виде схемы, то получится следующее:
GSM-сети небольшого масштаба (как правило, региональные) могут использовать всего один коммутатор. Крупные же, такие как наши операторы «большой тройки» МТС, Билайн или МегаФон, обслущивающие одновременно миллионы абонентов, используют сразу несколько объединенный между собой устройств MSC.

Давайте разберемся, зачем нужна столь сложная система и почему нельзя подключить антенны базовых станций к коммутатору напрямую? Для этого нужно рассказать про еще один термин, называемый на техническом языке handover (хэндовер) . Он характеризует собой передачу обслуживания в мобильных сетях по эстафетному принципу. Иными словами, когда вы перемещаетесь по улице пешком или в транспортном средстве и говорите при этом по телефону, то, чтобы ваш разговор при этом не прерывался, следует своевременно переключать ваш аппарат из одного сектора БС в другой, из зоны действия одной базовой станции или контроллера локальной зоны в другую и т.д. Следовательно, если бы сектора базовых станций подключались к коммутатору напрямую, ему бы пришлось самому осуществлять данную процедуру хендовера всех своих абонентов, а у коммутатора и без того хватает задач. Поэтому для уменьшения вероятности отказов оборудования, связанных с его перегрузками, схема построения сотовых сетей GSM реализуется по многоуровнему принципу.

В итоге, если вы со своим телефоном перемещаетесь из зоны обслуживания одного сектора БС в зону действия другого, то данное перемещение осуществляет блок управления данной базовой станции, не касаясь при это более «высокостоящих» устройств - LAC и MSC. Если же хэндовер происходит между разными БС, то за него берется уже LAC и т. д.

Коммутатор - ни что иное, как основной «мозг» сетей GSM, поэтому его работу следует рассмотреть более детально. Коммутатор сотовой сети берет на себя примерно те же задачи, что и АТС в сетях проводных операторов. Именно он понимает, куда вы осуществляете звонок или кто звонит вам, регулирует работу дополнительных услуг и, собственно, решает - можете ли вы в настоящее время осуществить свой звонок или нет.

Теперь давайте разберемся, что же происходит, когда вы включаете свой телефон или смартфон?

Итак, вы нажали «волшебную кнопку» и ваш телефон включился. На SIM-карте вашего сотового оператора находится специальный номер, который носит название IMSI - International Subscriber Identification Number (Международный опознавательный номер абонента) . Он является уникальным номером для кажой SIM-карты не только у вашего оператора МТС, Билайн, МегаФон и т.п., а уникальным номером для всех мобильных сетей в мире! Именно по нему операторы отличают абонентов между собой.

В момент включения телефона ваш аппарат посылает данный код IMSI на базовую станцию, которая передает его далее на LAC, он же, в свою очередь, отсылает его на коммутатор. При этом в нашу игру вступают два дополнительных устройства, свзанных непосредственно с коммутатором - HLR (Home Location Register) и VLR (Visitor Location Register) . В переводе на русский это, соответственно, Регистр домашних абонентов и Регистр гостевых абонентов . HLR хранит в себе IMSI всех абонентов своей сети. В VLR же содержится информация о тех абонентах, которые пользуются сетью данного оператора в настоящее время.

Номер IMSI передается в HLR с помощью системы шифрования (за этот процесс отвечает еще одно устройство AuC - Центр аутентификации) . HLR при этом проверяет, существует ли в его базе абонент с данным номером, и если факт его наличия подтверждается, система смотрит, может ли он в настоящее время пользоваться услугами связи или, скажем, имеет финансовую блокировку. Если все нормально, то данный абонент отправляется в VLR и после этого получает возможность звонить и пользоваться другими услугами связи.

Для наглядности отобразим данную процедуру с помощью схемы:

Таким образом, мы коротко описали принцип работы сотовых сетей GSM. На самом деле, это описание достаточно поверхностно, т.к. если углубиться в технические детали подробнее, то материал бы получился во много раз объемнее и гораздо менее понятным для большинства читателей.

Во второй части мы продолжим знакомство с работой сетей GSM и рассмотрим, как и за что оператор списывает средства с нашего с вами счета.