Для чего нужна сотовая связь. Мобильная связь

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

Основной принцип сотовой связи заключается в разделении всей зоны охвата телефонной связью на ячейки, называемые сотами. В центре каждой соты находится базовая станция (БС), поддерживающая связь с мобильными абонентами (сотовыми телефонами), находящимися в зоне её охвата. Базовые станции обычно располагают на крышах зданий и специальных вышках. На идеальной (ровной и без застройки) поверхности зона покрытия одной БС представляет собой круг, диаметр которого не превышает 10-20 км. Соты частично перекрываются и вместе образуют сеть, которая для простоты обычно изображается в виде множества шестиугольных сот.

Каждая сота работает на своих частотах, не пересекающихся с соседними.

Все соты одного размера и объединены в группы по 7 сот. Каждая из букв (A, B, C, D, E, F, G) соответствует определённому диапазону частот, используемому в пределах одной соты. Соты с одинаковыми диапазонами частот разделены сотами, работающими на других частотах. Небольшие размеры сот обеспечивают ряд преимуществ по сравнению с традиционной наземной беспроводной связью, а именно:

· большое количество пользователей, которые одновременно могут работать в сети в разных частотных диапазонах (в разных сотах);

· небольшая мощность приемно-передающего оборудования, обусловленная небольшим размером сот (выходная мощность телефонных трубок составляет десятые доли ватт);

· меньшая стоимость устройств сотовой связи как маломощных устройств.

Если в какой-то соте количество пользователей оказывается слишком большим, то она может быть разбита на соты меньшего размера, называемые микросотами.

Базовая станция, в общем случае, содержит приёмопередатчик (ПП), поддерживающий связь с мобильными телефонами, и компьютер, реализующий протоколы беспроводной мобильной связи.

В небольших сетях все базовые станции соединены с коммутатором MSC (Mobile Switching Center – мобильный коммутационный центр) и имеют выход в телефонную сеть общего пользования (ТфОП), обеспечивающий связь мобильных телефонов со стационарными.

В больших сетях коммутаторы 1-го уровня (MSC) соединяются с коммутатором 2-го уровня и т.д., при этом все MSC имеют выход в ТфОП напрямую, либо через коммутатор более высокого уровня.

Связанные таким образом базовые станции и коммутаторы образуют сеть сотовой связи , административно подчиняющиеся одному оператору, предоставляющему услуги мобильной связи.

Базовые станции совместно с коммутационным оборудованием реализуют функции по определению текущего местоположения подвижных пользователей и обеспечивают непрерывность связи при перемещении пользователей из зоны действия одной БС в зону действия другой БС. При включении сотовый телефон ищет сигнал базовой станции и посылает станции свой уникальный идентификационный код. Телефон и БС поддерживают постоянный радиоконтакт, периодически обмениваясь служебными данными. При выходе телефона из зоны действия БС (или ослаблении радиосигнала) устанавливается связь с другой БС. Для этого базовая станция, фиксирующая ослабление сигнала, опрашивает все окружающие БС с целью выявить станцию, которая принимает наиболее мощный сигнал от мобильного телефона. Затем БС передаёт управление данным телефоном базовой станции той соты, в которую переместился мобильный телефон. После этого, телефону посылается информация о переходе в новую соту и предлагается переключиться на новую частоту, которая используется в этой соте. Этот процесс называется передачей и длится доли секунды.

Поколения мобильной сотовой связи. 1G, 2G, 2,5G, 3G, 3,5G, 4G.

Различают 4 поколения мобильной сотовой связи, обозначаемые как 1G, 2G, 3G, 4G. В то же время, между 2G и 3G, 3G и 4G выделяют промежуточные поколения, получившие обозначения 2.5G и 3.5G соответственно.

Эти поколения можно разбить на две группы:

· аналоговая связь (1G);

· цифровая связь (все остальные, начиная с 2G, различающиеся прежде всего предоставляемыми возможностями по передаче цифровых данных, а также скоростями передачи).

Поколение 1G

Первые сети мобильной сотовой связи поколения 1G появились в начале 80-х годов прошлого века и представляли собой аналоговые беспроводные сети, основной и, фактически, единственной функцией которых была передача речи со скоростями, не превышавшими 9,6 кбит/с.

Наиболее известными стандартами сотовой связи первого поколения являются AMPS и NMT.

Стандарт AMPS (Advanced Mobile Phone System) , использует частотное уплотнение, формируя 832 дуплексных канала, каждый из которых состоит из двух симплексных каналов шириной по 30 кГц, в диапазоне частот от 824 до 894 МГц. Радиус действия одной базовой станции от 10 до 20 км.

Стандарт NMT (Nordic Mobile Telephone system) , предписывает работу в диапазоне частот 453-458 МГц (NMT-450), используя до 180 каналов связи по 25 кГц каждый.

Радиус действия базовой станции в зависимости от нагрузки достигает 5-25 км. Модернизированная версия NMT-900, работающая на частоте 900 МГц, позволила уменьшить размеры телефонных аппаратов, а также добавить несколько новых сервисов.

Основной недостаток аналоговой беспроводной связи – отсутствие защиты от несанкционированного перехвата разговора.

В начале 90-х годов на смену аналоговой сотовой связи пришла цифровая связь, которая в настоящее время полностью её вытеснила.

Поколение 2G

Второе и последующие поколения мобильной сотовой связи относятся к цифровым сетям связи и, в отличие от первого поколения, предоставляют пользователям, кроме передачи речи, множество дополнительных видов услуг (сервисов).

Стандартами сотовой связи второго поколения являются D-AMPS, GSM, CDMA, в основе которых лежит метод мультиплексирования TDMA.

TDMA (Time Division Multiple Access) – множественный доступ с разделением по времени – метод мультиплексирования в беспроводной связи, при котором несколько пользователей для передачи данных используют разные временны е интервалы (слоты) в одном частотном диапазоне, при этом каждому пользователю предоставляется полный доступ к выделенной полосе частот в течение короткого периода времени.

Стандарт D-AMPS (Digital-AMPS) был разработан так, чтобы мобильные телефоны первого и второго поколений могли работать одновременно в одной и той же соте. Коммутатор может определять и динамически изменять тип канала (цифровой, аналоговый).

Наибольшее распространение среди перечисленных стандартов получили GSM (заменивший NMT) и CDMA.

GSM (Global System for Mobile Communications) – глобальная система мобильной связи, использующая частотное уплотнение. Каждая пара (для передачи в прямом и обратном направлении) частотных каналов разбивается с помощью временного уплотнения (TDMA) на кадровые интервалы, используемые несколькими абонентами. Каналы GSM имеют полосу пропускания в 200 кГц, что значительно шире каналов AMPS с полосой пропускания 30 кГц. Это обусловливает более высокие скорости передачи данных.

GSM, как и D-AMPS, использует частотное и временное уплотнение для разделения спектра на каналы и разделения каналов на временны е интервалы соответственно.

GSM обеспечивает поддержку следующих услуг:

· передача данных (синхронный и асинхронный обмен данными, в том числе пакетная передача данных - GPRS);

· передача речевой информации;

· передача коротких сообщений (SMS);

· передача факсимильных сообщений.

· определение вызывающего номера;

· переадресация вызовов на другой номер;

· ожидание и удержание вызова;

К основным достоинствам стандарта GSM следует отнести:

· меньшие по сравнению с аналоговыми стандартами размеры и вес телефонных аппаратов при большем времени работы без подзарядки аккумулятора;

· хорошее качество связи;

· возможность большого числа одновременных соединений;

· низкий уровень индустриальных помех в выделенных частотных диапазонах;

· защита от прослушивания и нелегального использования за счёт применения алгоритмов шифрования с разделяемым ключом.

Недостатками стандарта GSM являются:

· искажение речи при цифровой обработке и передаче;

· большее, чем в NMT-450, количество передатчиков, используемых для покрытия определённой площади.

В стандарте GSM определены 4 диапазона частот для передачи данных: 850 МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц, наиболее популярными среди которых являются 900 МГц (стандарт GSM-900) и 1800 МГц (GSM-1800). Соты могут иметь диаметр от 400 м до 50 км.

Основные отличия GSM-1800 от GSM-900:

· максимальная излучаемая мощность мобильных телефонов стандарта GSM-1800 (около 1 Вт) вдвое меньше, чем у GSM-900, что увеличивает время непрерывной работы без подзарядки аккумулятора и снижает уровень радиоизлучения;

· большая ёмкость сети;

· возможность совместного использования телефонных аппаратов стандартов GSM-900 и GSM-1800 в одной и той же сети;

· зона охвата для каждой базовой станции значительно меньше и, как следствие, необходимо большее число базовых станций.

В состав системы GSM, кроме мобильных сотовых телефонов, называемых в стандарте мобильными станциями (MS – Mobile Station), входят три подсистемы.

1. Подсистема базовых станций (BSS – Base Station Subsystem) состоит из собственно базовых станций и контроллеров базовых станций.

Базовая станция (BTS – Base Transceiver Station) обеспечивает приём/передачу сигнала между мобильной станцией и контроллером базовых станций.

Контроллер базовых станций (BSC – Base Station Controller) контролирует соединения между базовой станцией и подсистемой коммутации, а также управляет очерёдностью соединений, скоростью передачи, распределением радиоканалов, сбором статистики и переходом MS в другую соту.

2. Подсистема сетевой коммутации (NSS – Network Switching Subsystem) построена из следующих компонентов.

· центр коммутации;

· домашний реестр местоположения;

· гостевой реестр местоположения;

· реестр идентификации оборудования;

· центр аутентификации.

Центр коммутации (MSC – Mobile Switching Centre) реализует следующие функции:

· устанавливает соединения внутри сети GSM;

· обеспечивает интерфейс с ТфОП и другими сетями;

· выполняет маршрутизацию и управление вызовами;

· управляет передачей обслуживания при перемещении мобильной станции из одной соты в другую;

· постоянно отслеживает положение мобильной станции, используя данные из домашнего (HLR) и гостевого (VLR) реестров местоположения, что необходимо для быстрого нахождения и установления соединения с мобильной станцией в случае её вызова;

· собирает статистические данные;

· по завершению вызова передаёт данные в центр расчётов для формирования счета за предоставленные услуги.

Домашний реестр местоположения (HLR – Home Location Registry) содержит базу данных абонентов, приписанных к нему, с информацией о предоставляемых абоненту услугах и о состоянии каждого абонента, а также международный идентификатор мобильного абонента (IMSI – International Mobile Subscriber Identity), который используется для аутентификации абонента. Каждый абонент приписан к одному домашнему реестру. К домашнему реестру имеют доступ все центры коммутации и гостевые реестры данной GSM-сети, а в случае межсетевого роуминга и центры коммутации других сетей.

Гостевой реестр местоположения (VLR – Visitor Location Registry) содержит базу данных о перемещающихся абонентах, которые находятся в данный момент в этой зоне, в том числе об абонентах других систем GSM, называемых роумерами . Если абонент переместился в другую зону, данные о нём удаляются из гостевого реестра. Такая схема позволяет сократить количество запросов к домашнему реестру и, следовательно, время обработки вызова.

Реестр идентификации оборудования (EIR – Equipment Identification Registry) содержит базу данных, необходимую для установления подлинности мобильной станции по международному идентификатору мобильного устройства IMEI (International Mobile Equipment Identity) в виде трёх списков:

· белый – мобильная станция допущена к использованию;

· серый – имеются проблемы с идентификацией мобильной станции;

· чёрный - мобильная станция запрещена к использованию.

Центр аутентификации (AUC – Authentication Centre) осуществляет аутентификацию абонента по SIM-карте (Subscriber Identity Module). Для этого он посылает на мобильный телефон случайное число, которое шифруется параллельно в центре аутентификации и в мобильном телефоне с использованием специального алгоритма. Результаты шифрования возвращаются в центр коммутации, где они сравниваются. Если результаты шифрования совпадают, аутентификация считается успешной, и пользователь получает доступ к сети.

3. Центр технического обслуживания (OMC – Operations and Maintenance Centre) обеспечивает:

· управление всей сетью;

· контроль качества функционирования;

· обработку аварийных сигналов;

· проверку состояния сети и ряд других функций.

В сетях CDMA (Code Division Multiple Access) используется совершенно иной принцип передачи данных, подробно рассмотренный ниже. В отличие от GSM скорость передачи данных в CDMA может достигать 1,23 Мбит/с. Кроме того, существенным отличием является использование распределённого спектра, что усложняет обнаружение и идентификацию передаваемого сигнала и, соответственно, обеспечивает надёжную защиту от случайного подслушивания.

Поколение 2.5G

В процессе разработки принципов и стандартов третьего поколения мобильной сотовой связи появилось промежуточное поколение 2.5G, отличающееся от второго поколения большей ёмкостью сети и пакетной передачей данных. Поколение 2.5G реализовано в виде стандартов GPRS, EDGE и 1xRTT, наиболее распространённым среди которых является GPRS.

GPRS (General Packet Radio Service) – технология пакетной радиосвязи общего пользования, ориентированная на реализацию «мобильного Интернета».

GPRS использует базовые станции GSM для передачи данных в виде пакетов, что делает его внедрение достаточно простым и позволяет обеспечить доступ в Интернет. Пакеты передаются через свободные в данный момент каналы. Возможность использования сразу нескольких каналов обеспечивает достаточно высокие скорости передачи данных (до 171,2 кбит/c). Передача данных разделяется по направлениям: «вниз» (downlink, DL) – от сети к абоненту, и «вверх» (uplink, UL) – от абонента к сети. Один и тот же канал поочерёдно могут использовать несколько абонентов, при этом ресурсы канала предоставляются только на время передачи пакета, что приводит к появлению очереди на передачу пакетов и, как следствие, к увеличению задержки пакетов.

Принцип работы GPRS аналогичен Интернету: данные разбиваются на пакеты и отправляются получателю (возможно разными маршрутами), где происходит их сборка. При установлении сессии каждому устройству присваивается уникальный адрес. Пакеты могут иметь формат IP или X.25, при этом в качестве протоколов транспортного и прикладного уровней могут использоваться любые протоколы Интернета: TCP, UDP, HTTP и др.

Мобильный телефон в GPRS рассматривается как клиент внешней сети, которому присваивается постоянный или динамический IP-адрес.

Поколение 3G

Первые реализации третьего поколения сотовой связи появились в 2002 году. Существует три основных стандарта 3G:

· WCDMA (Wide CDMA).

Все они ориентированы на пакетную передачу данных и, соответственно, на работу с цифровыми компьютерными сетями, включая Интернет. Скорость передачи данных может достигать 2,4 Мбит/с что позволяет передавать качественный звук, а также реализовать «видеозвонок».

При необходимости сеть 3G может быть наложена на уже ранее развёрнутую сеть GSM или другую сеть второго поколения.

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System – универсальная мобильная телекоммуникационная система) – технология сотовой связи третьего поколения, разработанная Европейским Институтом Стандартов Телекоммуникаций (ETSI) для внедрения Европе. UMTS поддерживает скорость передачи до 21 Мбит/с и позволяет пользователям проводить сеансы видеоконференций, загрузку музыкального и видео контента. UMTS обычно реализуется на основе технологий радиоинтерфейса, например W-CDMA. При переходе от GSM к UMTS сохраняется значительная часть прежней инфраструктуры. Основным отличием UMTS от GSM является возможность осуществлять стыки с сетями ISDN, Internet, GSM или другими сетями UMTS.

Для передачи данных от мобильного станции к базовой станции и обратно использует разные диапазоны частот: 1885 МГц – 2025 МГц и 110 МГц – 2200 МГц соответственно, причём оба канала имеют ширину 5 МГц (для сравнения CDMA2000 – 1,25 МГц).

К недостаткам UMTS-технологии следует отнести:

· относительно высокий вес мобильных терминалов наряду с низкой ёмкостью аккумуляторных батарей;

· сложность реализации перехода абонента из зоны действия одной базовой станции в зону действия другой без потери разговора (хэндовера) между сетями UMTS и GSM;

· небольшой радиус соты: 1-1,5 км.

В перспективе планируется эволюция UMTS в сети четвёртого поколения 4G, позволяющие базовым станциям передавать и принимать данные на скоростях 100 Мбит/с и 50 Мбит/с соответственно.

CDMA2000 представляет собой развитие технологии CDMA и обеспечивает скорость передачи данных до 153 кбит/с, что позволяет предоставлять услуги голосовой связи, передачу коротких сообщений, работу с электронной почтой, интернетом, базами данных, передачу данных и неподвижных изображений.

Основными достоинствами CDMA2000 являются:

· широкая зона обслуживания;

· высокое качество речи;

· гибкость и дешевизна внедрения новых услуг;

· высокая помехозащищённость;

· устойчивость канала связи от перехвата и прослушивания;

· низкая излучаемая мощность радиопередатчиков абонентских устройств - менее 250 мВт (для сравнения: в GSM-900 этот показатель составляет 2 Вт, а GSM-1800 – 1 Вт).

WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) – технология широкополосного множественного доступа с кодовым разделением каналов в диапазоне частот 1900 – 2100 МГц. Термин WCDMA также используется для стандарта сотовой сети, который разрабатывался как надстройка над GSM. WCDMA ориентирована на предоставление мультимедийных услуг, доступа в Интернет и видеоконференции со скоростями передачи данных:

· до 2 Мбит/с на коротких расстояниях;

· 384 кбит/с на больших расстояниях с полной мобильностью.

Такие скорости обеспечиваются за счёт широкой полосы частот канала в 5 МГц, что больше, чем в стандарте CDMA2000, использующем один или несколько каналов с полосой 1,25 МГц для каждого соединения.

Поколение 3.5G

Поколение 3.5G, как промежуточное поколение, характеризуется более высокими скоростями передачи данных по сравнению с 3-м поколением.

Начиная с 2006 года на сетях UMTS повсеместно распространяется технология HSDPA.

HSDPA (High Speed Downlink Packet Access – высокоскоростная пакетная передача данных от базовой станции к мобильной станции) – стандарт поколения 3.5G, представляющий собой модернизированный 3G со средней скоростью передачи данных 3 Мбит/с и максимальной – 14 Мбит/с.

Поколение 4G

Четвёртое поколение мобильных коммуникаций представляет собой эволюционное развитие 3G. Инфраструктура стандарта 4G базируется на IP-протоколе, что позволяет обеспечивать простой и быстрый доступ к Интернету. Высокие скорости передачи данных (100-200 Мбит/с) должны обеспечить передачу не только качественного звука, но и видео.

Планируется дальнейшее увеличение скорости передачи данных до 2,5 Гбит/с. Такие высокие скорости объясняются тем, что в четвёртом поколении используется только пакетная передача данных, включая голосовой трафик, передаваемый через протокол IP (мобильная VoIP-телефония). Помимо этого, сети 4G должны обеспечивать глобальный роуминг, связь корпоративных сетей, мобильное телевидение высокой чёткости.

В качестве стандарта 4G активно продвигается технология широкополосной беспроводной связи для быстрого доступа в Интернет с мобильных компьютеров WiMAX, описанная стандарте IEEE802.16.

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) – телекоммуникационная технология, предоставляющая высокоскоростной беспроводной доступ к сети на больших расстояниях для широкого спектра устройств (от рабочих станций и портативных компьютеров до мобильных телефонов).

Скорости работы WiMAX-сетей будут достигать 75 Мбит/с и выше, что обеспечит не только доступ в Интернет, но и качественную передачу аудио- и видеоинформации, а также позволит использовать эту технологию в качестве «магистральных каналов».

Разработаны два стандарта технологии WiMAX – IEEE 802.16 d и IEEE 802.16 e, определяющие:

· рабочие диапазоны частот;

· ширину полосы пропускания;

· мощность излучения;

· методы передачи и доступа;

· способы кодирования и модуляции сигнала;

· принципы повторного использования радиочастот и другие показатели.

Стандарт IEEE 802.16 d , известный как фиксированный WiMAX и утверждённый в 2004 году, позволяет обслуживать только «статичных» абонентов, которые могут находиться как в зоне прямой видимости, так и вне зоны прямой видимости.

Стандарт IEEE 802.16 e , известный как мобильный WiMAX и утверждённый в 2005 году, ориентирован на работу с пользователями, передвигающимися со скоростью до 120 км/ч, и поддерживает ряд специфических функций, таких как хэндовер, режим ожидания (idle mode) и роуминг, что позволяет использовать его в сетях сотовой связи .

Возможна работа при отсутствии прямой видимости. Естественно, что мобильный WiMAX может применяться и для обслуживания фиксированных пользователей. Частотные диапазоны для сетей Mobile WiMAX расположены в интервале 2,3 - 3,8 ГГц.

Сети WiMAX состоят из следующих основных частей: базовых и абонентских станций, а также оборудования, связывающего базовые станции между собой, с поставщиком сервисов и с Интернетом. Для соединения базовой станции с абонентской используется диапазон частот от 1,5 ГГц до 11 ГГц. В идеальных условиях скорость обмена данными может достигать 70 Мбит/с, при этом не требуется наличия прямой видимости между базовой станцией и приёмником.

Конкурирующей по отношению к WiMAX является технология LTE.

LTE (Long Term Evolution) – технология мобильной передачи данных, предназначенная для повышения эффективности, снижения издержек, расширения оказываемых услуг путём интегрирования с существующими протоколами. Скорость передачи данных в соответствии со стандартом может достигать: 173 Мбит/с «вниз» (download) и 58 Мбит/с «вверх» (upload). Радиус действия базовой станции LTE зависит от мощности и используемых частот и составляет около 5 км, а при высоко расположенной антенне может достигать 100 км.

Важной проблемой в сетях 4-го поколения является поддержка высокой скорости передачи данных при перемещении мобильных станций с высокими скоростями, учитывая, что скорость передачи данных падает с увеличением скорости перемещения и с удалением от базовой станции.

Кроме того, необходимо обеспечить передачу управления мобильной станцией при её переходе с высокой скоростью (например, при движении в автомобиле или в поезде) из одной соты в другую без прерывания передачи данных и потери качества передаваемой информации.

Предполагается, что 4G станет единым стандартом, который заменит GSM, CDMA, UMTS и другие стандарты.

Сотовая связь (мобильная связь) - один из видов мобильной радиосвязи, в базе которого лежит сотовая сеть. Это более современная разработка телефонной связи на сей день. Главная особенность состоит в том, что общая зона покрытия делится на ячейки (соты), определяющиеся зонами покрытия отдельных базисных станций (БС). Соты отчасти перекрываются и совместно образуют сеть. На безупречной (ровненькой и в отсутствие застройки) поверхности зона покрытия одной БС представляет собой круг, потому составленная из их сеть имеет вид сот с шестиугольными ячейками (сотами).

Выгоды сотовой связи явны: мобильный телефон дает свободу передвижения по всей местности обслуживания сети, каждый абонент может избрать более подходящий тариф обслуживания. Не считая услуг по телефонной связи, сотовая связь предлагает дополнительные услуги: это и голосовая почта, и переадресация, SMS, MMS, EMS, GPRS, EDGE, 3G и т.д. (находится в зависимости от модели мобильного телефона).

Сотовую сеть составляют разнесённые в пространстве приёмопередатчики, работающие в одном и том же частотном спектре, и коммутирующее оснащение, позволяющее определять текущее положение подвижных абонентов и обеспечивать непрерывность связи при перемещении абонента из зоны действия 1-го приёмопередатчика в зону действия другого.

Принцип действия сотовой связи

Главные составляющие сотовой сети - это мобильники и базисные станции. Базисные станции обычно располагают на крышах построек и вышках. Будучи включённым, мобильник прослушивает эфир, находя сигнал базисной станции. После чего телефон отправляет станции собственный уникальный идентификационный код. Телефон и станция поддерживают неизменный радиоконтакт, временами обмениваясь пакетами. Связь телефона со станцией может идти по аналоговому протоколу (AMPS, NAMPS, NMT -450) либо по цифровому (DAMPS, CDMA, GSM, UMTS ). В том случае телефон выходит из поля действия базисной станции, он налаживает связь с иной (англ. handover ).

Сотовые сети могут состоять из базисных станций различного эталона, что позволяет улучшить работу сети и сделать лучше её покрытие.

Сотовые сети различных операторов соединены вместе, также со стационарной телефонной сетью. Это позволяет абонентам 1-го оператора делать звонки абонентам другого оператора, с мобильников на стационарные и со стационарных на мобильные.

Операторы могут заключать меж собой договоры роуминга. Благодаря подобным договорам абонент, находясь вне зоны покрытия собственной сети, может совершать и принимать звонки через сеть другого оператора. Чаше всего, это осуществляется по завышенным тарифам.

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.

В этой статье расскажем про историю появления мобильной связи

Первая система радиотелефонной связи появилась в 1946 году в США – Сент-Луисе. Радиотелефоны работали на фиксированных частотах и переключались вручную. В Советском Союзе радиотелефонная связь появилась в 1959 году и называлась системой «Алтай». Естественно, она была не общедоступной, а использовалась в качестве правительственной связи и спецслужбами. В 1990-1994 годах при развале СССР, из Советских НИИ, «бесплатно» вывозилась за кордон большая масса засекреченных разработок, в том числе и разработка многочастотной, многобазовой радиотелефонной связи. И в 1991 году в США, а в последствие и в Российской Федерации появился новый стандарт радиотелефонной – сотовой связи NMT-450 («Сотел»). Использовался аналоговый сигнал. В последствии появились цифровые стандарты – GSM-900 и GSM-1800.

С прогрессивным развитием сотовой связи мобильные телефонные аппараты стали широко доступны. Как правило, мобильный телефонный аппарат (далее МТА) может работать на расстоянии до 1500 м от базовой станции.

Как известно, каждому сотовому аппарату присваивается свой электронный серийный номер (ESN), который кодируется в микрочипе телефона при изготовлении телефона. Активируя SIM-карту (Subscriber Identity Module) - микрочип, в котором «прошит» абонентский номер, мобильный телефонный аппарат получает мобильный идентификационный номер (MIN).

Площадь, охватываемая сетью GSM (Global System for Mobile communications, - глобальная система мобильной связи), разбита на отдельные, прилегающие друг к другу ячейки (соты) - отсюда пошло название «сотовая связь», в центре которых находятся приемопередающие базовые станции. Обычно такая станция имеет шесть передатчиков, которые расположены с диаграммой направленности 120° и обеспечивают равномерное покрытие площади. Одна средняя современная станция одновременно может обслуживать до 1000 каналов. Площадь «соты» в городе составляет около 0,5-1 км 2 , вне города в зависимости от географического расположения она может достигать и 20, и 50 км 2 . Телефонный обмен в каждой «соте» управляется базовой станцией, которая принимает и передает сигналы в большом диапазоне радиочастот (выделенный канал - шаг для каждого сотового телефона минимальный). Базовая станция подключена к проводной телефонной сети и оснащена аппаратурой преобразования высокочастотного сигнала сотового телефона в низкочастотный сигнал проводного телефона и наоборот, чем обеспечивается сопряжение этих двух систем. Технически современная аппаратура базовой станции занимает площадь 1…3 м 2 и располагается в пределах одного небольшого помещения, где ее работа осуществляется в автоматическом режиме. Для стабильной работы такой станции необходимо лишь наличие проводной связи с телефонным узлом (АТС) и сетевое питание 220 В.

В городах и населенных пунктах с большим скоплением домов передатчики базовых станций располагаются прямо на крышах домов. В пригородах и на открытой местности используются вышки в несколько секций (их часто можно увидеть расположенными вдоль шоссе).

Зона покрытия соседних станций соприкасается. При передвижении телефонного аппарата между зонами покрытия соседних станций происходит его периодическая регистрация. Периодически, с интервалом 10…60 мин (в зависимости от оператора), базовая станция излучает служебный сигнал. Приняв его, мобильный телефон автоматически добавляет к нему свои MIN- и ESN-номера и передает получившуюся кодовую комбинацию на базовую станцию. Таким образом, осуществляется идентификация конкретного мобильного сотового телефонного аппарата, номера счета его владельца и привязка аппарата к определенной зоне, в которой он находится в данный момент времени. Этот момент весьма важен - уже на данном этапе можно контролировать передвижения того или иного объекта, а уж кому это выгодно, вопрос другой - главное есть возможность…

Когда пользователь соединяется с кем-либо по своему телефону, базовая станция выделяет ему одну из свободных частот той зоны, в которой он находится, вносит соответствующие изменения в его счет (производит списание средств) и передает его вызов по назначению.

Если мобильный пользователь во время разговора перемещается из одной зоны связи в другую, базовая станция покидаемой зоны (соты) автоматически переводит сигнал связи на свободную частоту соседней с ней зоны (соты).

Самыми уязвимыми с точки зрения возможности перехвата ведущихся переговоров (прослушивания) являются аналоговые мобильные сотовые телефоны. В нашем регионе (Санкт-Петербург) такой стандарт присутствовал до недавнего времени - это стандарт NMT450 (он присутствует также в Республике Беларусь). Уверенная связь и ее удаленность от базовой станции в таких системах напрямую зависят от мощности излучения передающего сотового телефона.

Аналоговый принцип передачи информации основан на излучении в эфир нецифрового радиосигнала, поэтому, настроившись на соответствующую частоту такого канала связи, теоретически можно прослушивать разговор. Однако стоит «остудить особо горячие головы»- прослушать переговоры сотовой связи данного стандарта не так-то просто, поскольку они шифруются (искажаются) и для точного распознавания речи нужен соответствующий дешифратор. Переговоры данного стандарта пеленговать проще, чем скажем, стандарта GSM- цифровой сотовой связи, мобильные телефоны которых передают и принимают информацию в виде цифрового кода. Легче всего пеленгуются стационарно расположенные или неподвижные объекты, осуществляющие сотовую связь, труднее - мобильные, т. к. перемещение абонента в процессе разговора сопровождается снижением мощности сигнала и переходом на другие частоты (при передачи сигнала от одной базовой станции к соседней).

Методы пеленгации

Приход в каждую семью сотовой связи (сегодня и школьники получают такие подарки), это реалии времени, комфорт становится уже незаменимым. Наличие у пользователя сотового телефона позволяет выявлять его местоположение, как в текущий момент времени, так и все его предыдущие перемещения до этого. Текущее положение может выявляться двумя способами.

Первый — метод целенаправленного пеленгования сотового телефона, определяющий направление на работающий передатчик из трех-шести точек и дающий засечку местоположения источника радиосигналов. Особенность такого метода в том, что он может применяться по чьему-либо распоряжению, например органов, уполномоченных по закону.

Второй метод - через оператора сотовой связи, который в автоматическом режиме постоянно регистрирует, где находится тот или иной абонент в данный момент времени даже в том случае, когда он не ведет никаких разговоров. Эта регистрация происходит автоматически по идентифицирующим служебным сигналам, автоматически передаваемым сотовым телефоном на базовую станцию (об этом шла речь ранее). Точность определения местонахождения абонента зависит от ряда факторов: топографии местности, наличия помех и отражения сигнала от зданий, от положения базовых станций и их загруженности (количества активных мобильных телефонов оператора в данной соте), размера соты. Отсюда, точность определения местонахождения абонента сотовой связи в городе заметно выше, чем в открытой местности, и может достигать пятна в несколько сотен метров. Анализ данных о сеансах связи абонента с различными базовыми станциями (с какой и на какую станцию подавался вызов, время вызова и тому подобное) позволяет восстановить картину всех перемещений абонента в прошлом. Данные автоматически регистрируются у оператора сотовой связи (для выписки счетов и не только…), поскольку оплата таких услуг основана на длительности использования системы связи. Эти данные могут храниться несколько лет, и это время пока не регламентируется федеральным законом, только ведомственными актами.
Можете сделать вывод – конфиденциальность обеспечивается, но не для всех. При необходимости прослушивания ваших переговоров, или определения вашего местоположения, практически любая «снаряженная» спецслужба, или преступное сообщество способны это сделать без каких либо усилий.

Труднее перехватить разговор, если он ведется с движущегося автомобиля, т.к. расстояние между пользователем сотового телефона и пеленгующей аппаратурой (если идет речь об аналоговой связи) постоянно изменяется и, если эти объекты удаляются друг от друга, особенно в пересеченной местности среди домов, сигнал ослабевает. При быстром перемещении сигнал переводится с одной базовой станции на другую, с одновременной сменой рабочей частоты - это затрудняет перехват всего разговора целиком (если он не ведется целенаправленно с участием оператора связи), поскольку для нахождения новой частоты требуется время.

Выводы из этого можно сделать самостоятельно. Отключайте свой сотовый телефон, если не желаете, чтобы ваше местонахождение стало известно.