Что такое мобильная связь. Как работает мобильная связь
В конце девятнадцатого начале двадцатого века бурно развивались средства телефонной и радиосвязи. В 1882 г. в Санкт Петербурге заработала первая в России телефонная станция. У этой станции было 259 абонентов. А в Москве примерно в это же время было 200 абонентов.
В 1896 г. Александр Попов передал на расстояние 250 метров первый сигнал по радио, состоявший всего из двух слов:
Развитие средств связи было во главе технического прогресса. С тех пор прошло чуть более века, и благодаря работам ученых и инженеров этой отрасли мы видим, как изменился мир.
Мы не представляем нашей жизни без телефона, радиосвязи, телевидения и интернета. В основе этого лежит распространение электромагнитных волн, теорию которых разработал Джеймс Клерк Максвелл в середине девятнадцатого века. Электромагнитные волны являются носителем полезных сигналов, а в теории передачи сигналов основополагающее значение играет теорема российского ученого и инженера, академика Владимира Александровича Котельникова.
В науку она вошла под названием теорема Котельникова.
Владимир Александрович Котельников
Будущий академик родился в 1908 г. в семье преподавателей казанского университета. Учился в МВТУ им. Баумана, посещал интересующие его лекции в МГУ. В 1930 г. электротехнический факультет, на котором обучался Котельников, преобразовался в Московский энергетический институт, его Котельников и закончил. После окончания института он работал в различных вузах и лабораториях. Во время войны заведовал лабораторией закрытого НИИ в Уфе, где занимался вопросами защищенных каналов связи, кодировки сообщений.
Примерно такие разработки упоминаются у Солженицына в его романе "В круге первом".
Около сорока лет он заведовал кафедрой "Основы радиотехники", и был деканом радиотехнического факультета. В последствии стал директором института радиотехники и электроники АН СССР.
Все студенты соответствующих специальностей до сих пор учатся по учебнику Котельникова "Теоретические основы радиотехники".
Котельников также занимался проблемами радиоастрономии, радиофизическими исследованиями океанов, космическими исследованиями.
Свою последнюю работу "Модельная квантовая механика", написанную уже в почти в 97 лет, он не успел опубликовать. Она вышла только в 2008 г.
Скончался В. А. Котельников на 97-ом году жизни 11 февраля 2005 г. Он дважды герой социалистического труда, награжден множеством правительственных наград. В его честь названа одна из малых планет.
Теорема Котельникова
Развитие систем связи ставило множество теоретических вопросов. Например, сигналы какого диапазона частот можно передавать по каналам связи, разной физической структуры, с разной полосой пропускания, чтобы при приеме не потерять информации.
В 1933 году Котельников доказал свою теорему, которая иначе называется теорема отсчетов.
Формулировка теоремы Котельникова:
Если аналоговый сигнал имеет финитный (ограниченной по ширине) спектр, то он может быть восстановлен однозначно и без потерь по своим дискретным отсчетам, взятым с частотой, строго большей удвоенной верхней частоты.
Описывается идеальный случай, когда время длительности сигнала бесконечно. Он не имеет прерываний, но имеет ограниченный спектр (по теореме Котельникова). Однако математическая модель, описывающая сигналы с ограниченным спектром, на практике хорошо применима и к реальным сигналам.
На основании теоремы Котельникова может быть реализован способ дискретной передачи непрерывных сигналов.
Физический смысл теоремы
Теорему Котельникова простыми словами можно объяснить следующим образом. Если надо передать некий сигнал, то не обязательно передавать его целиком. Можно передавать его мгновенные импульсы. Частота передачи этих импульсов называется частотой дискретизации в теореме Котельникова. Она должна быть в два раза больше верхней частоты В этом случае на приемном конце сигнал восстанавливается без искажений.
О дискретизации теорема Котельникова делает очень важные выводы. Для разного типа сигналов существуют разные частоты дискретизации. Для речевого (телефонного) сообщения при ширине канала 3,4 кГц - 6,8 кГц, а для телевизионного сигнала - 16 мГц.
В теории связи существует несколько типов каналов связи. На физическом уровне - проводные, акустические, оптические, инфракрасные и радиоканалы. И хотя теорема разработана для идеального канала связи, она применима и для всех остальных типов каналов.
Многоканальная электросвязь
Теорема Котельникова лежит в основе многоканальной электросвязи. При дискретизации и передаче импульсов период между импульсами гораздо больше их длительности. Это значит, что в промежутках импульсов одного сигнала (это называется скважность) можно передавать импульсы другого сигнала. Были реализованы системы на 12, 15, 30, 120, 180, 1920 речевых каналов. То есть по одной паре проводов можно передать одновременно около 2000 телефонных разговоров.
На основании теоремы Котельникова, простыми словами можно сказать, возникли практически все современные системы связи.
Гарри Найквист
Как это иногда бывает в науке, ученые, занимающиеся подобными проблемами, приходят почти одновременно к одинаковым выводам. Это вполне закономерно. До сих пор не утихают споры, кто открыл закон сохранения - Ломоносов или Лавуазье, кто изобрел лампу накаливания - Яблочкин или Эдисон, - Попов или Маркони. Этот список можно продолжать без конца.
Так, американский физик шведского происхождения Гарри Найквист в 1927 г. в журнале "Определенные проблемы телеграфной передачи" опубликовал свои исследования с выводами как у Котельникова. Его теорему иногда называют теорема Котельникова-Найквиста.
Гарри Найквист родился в 1907 году, защитил диссертацию в Йельском университете, работал в лаборатории Белла. Там занимался проблемами теплового шума в усилителях, участвовал в разработке первого фототелеграфа. Его труды послужили основой для дальнейших разработок Клода Шеннона. Найквист скончался в 1976 г.
Клод Шеннон
Клода Шеннона иногда называют отцом информационного века - столь велик его вклад в теорию связи и информатики. Клод Шеннон родился в 1916 г. в США. Работал в лаборатории Белла и ряде американских университетов. Во время войны вместе с занимался расшифровкой кодов немецких подводных лодок.
В 1948 г. в статье "Математическая теория связи" он предложил термин бит в качестве обозначения минимальной единицы информацию. Теорему, посвященную восстановлению сигнала по его дискретным отсчетам, он доказал (независимо от Котельникова) в 1949 году. Ее иногда называют теорема Котельникова-Шеннона. Правда на Западе больше принято наименование теорема Найквиста-Шеннона.
Шеннон ввел понятие энтропии в теорию связи. Занимался изучением кодов. Благодаря его работам, криптография стала полноценной наукой.
Котельников и криптография
Котельников тоже занимался проблемами кодов и криптографии. К сожалению, во времена СССР, все, что связано с кодами, шифрами, было строго засекречено. И открытых публикаций многих работ Котельникова быть не могло. Однако он работал над созданием закрытых каналов связи, коды которых противник взломать не мог.
18 июня 1941 года, практически перед самой войной, была написана статья Котельникова "Основные положения автоматической шифровки", опубликованная в сборнике 2006 г. "Квантовая криптография и теорема Котельникова об одноразовых ключах и отсчетах".
Помехоустойчивость
С помощью работы Котельникова была разработана теория потенциальной помехоустойчивости, которая определяет, какое максимальное количество помех может быть в канале связи, чтобы информация не была потеряна. Рассматривается вариант идеального приемника, который далек от реального. Но пути улучшения канала связи четко определены.
Космические исследования
Коллектив под руководством Котельникова внес большой вклад в системы автоматики и телеметрии. Сергей Павлович Королев привлекал лабораторию Котельникова к решению проблем космической отрасли.
Были построены десятки контрольно-измерительных пунктов, связанные в единый контрольно-измерительный комплекс.
Была разработана радиолокационная аппаратура для межпланетных космических станций, осуществлено картографирование при непрозрачной атмосфере планеты Венеры. С помощью устройств, разработанных под руководством Котельникова, с космических станций "Венера" и "Магеллан" проводилась радиолокация областей планеты по заранее определенным секторам. В результате мы знаем, что скрывается на Венере за плотными облаками. Также велись исследования Марса, Юпитера, Меркурия.
Разработки Котельникова нашли применение в орбитальных станциях и современных радиотелескопах.
В 1998 г. В. А.Котельников был награжден премией фон Кармана. Это премия Международной академии астронавтики, которая дается людям с творческим мышлением за значительный вклад в космические исследования.
Поиск радиосигналов внеземных цивилизаций
Международная программа поиска радиосигналов внеземных цивилизаций Seti с помощью крупнейших радиотелескопов была начата в 90-ые годы. Именно Котельников обосновал необходимость использования многоканальных приемников для этой цели. Современные приемники прослушивают одновременно миллионы радиоканалов, перекрывая весь возможный диапазон.
Также под его руководством были выполнены работы, которые определяют критерии разумного узкополосного сигнала в общем шуме и помехах.
К сожалению, пока эти поиски не увенчались успехом. Но в масштабах истории они ведутся совсем недолго.
Теорема Котельникова относится к фундаментальным открытиям в науке. Ее смело можно поставить в один ряд с теоремами Пифагора, Эйлера, Гаусса, Лоренца и т. д.
В каждой области, где необходимо передавать или принимать любые электромагнитные сигналы, мы сознательно или неосознанно пользуемся теоремой Котельникова. Мы разговариваем по телефону, смотрим телевизор, слушаем радио, пользуемся интернетом. Все это в основе своей содержит принцип дискретизации сигналов.
3.1. Теорема Котельникова. Радиотехнические цепи и сигналы. Часть I3.1. Теорема Котельникова
Передача непрерывных (аналоговых)
сигналов по линии связи предполагает передачу бесконечного множества их мгновенных
значений на протяжении конечного промежутка времени. При этом спектр финитного,
т.е. ограниченного во времени, непрерывного сигнала бесконечен. Однако, на
практике различные радиотехнические устройства (фильтры, усилители и другие)
имеют ограниченную полосу пропускания, что приводит к ограничению спектра
сигнала некоторой граничной частотой (или ), которая определяется свойствами
получателя сообщений. Так например, общепринятой нормой в системах передачи
речевых сигналов является ограничение спектра сигнала в пределах 
, в системах телевидения
– 
. Как
преодолеть противоречие между ограничением спектра сигнала и конечным временем
его существования? Ответ на этот вопрос даёт теорема, сформулированная и
доказанная академиком В.А. Котельниковым и получившая название теоремы Котельникова
или теоремы отсчётов.
Теорема
Котельникова формулируется следующим образом. Непрерывный сигнал
, ограниченный по
спектру частотой
(или ), полностью определяется
совокупностью мгновенных значений (отсчётов)
в моменты времени
, отстоящие друг от
друга на интервал времени
.
Математически теорема Котельникова определяется выражением
, (3.1)
или с учётом (2.12)
, (3.2)
которое представляет собой разложение сигнала в особого рода ряд по системе базисных функций
,
являющихся ортогональными на интервале времени (сравните с разложением сигнала в ряд Фурье).
Доказательство теоремы Котельникова приведено в литературе . Мы же остановимся на вопросах физического толкования и практического применения результатов теоремы.
Выделим одно из слагаемых ряда (3.1)
. 3.3)
Это слагаемое представляет собой отклик идеального фильтра нижних частот (ФНЧ), т.е. фильтра с постоянным коэффициентом передачи в пределах полосы частот от нуля до , на очень короткий импульс с амплитудой . (рис. 3.1).
Отметим,
что в моменты времени 
,
и т.д. значения
отклика равны нулю. Это определяет механизм восстановления непрерывного сигнала
по его отсчётам.
Формирование последовательности отсчётов непрерывного сигнала, которая представляет собой дискретный сигнал , т.к. значение любого отсчёта сохраняется неизменным в течение интервала времени (см. классификацию сигналов), осуществляется при помощи импульсного модулятора.
Простейший
вариант импульсного модулятора представляет собой перемножитель (рис. 3.2), на
один вход которого подаётся непрерывный сигнал , а на второй – последовательность
коротких единичных импульсов вида (1.13), следующих друг за другом с периодом (рис. 3.2, а). Тогда на выходе перемножителя будет иметь место последовательность коротких импульсов
,
амплитуды
которых равны ,
т.е. соответствуют мгновенным значениям сигнала , отсчитанным в момент времени . (рис 3.3, в).
Процесс формирований последовательности отсчётов называется дискретизацией непрерывного сигнала.
Восстановление непрерывного сигнала осуществляется путём подачи дискретного сигнала на идеальный фильтр нижних частот. Отклик фильтра на каждый отсчёт определяется выражением (3.2). При этом, в момент времени , значение отклика определяется только k -тым отсчётом дискретного сигнала; отклик на остальные отсчёты равны нулю (Рис. 3.3, г). Суммируясь, эти отклики дают на выходе ФНЧ исходный сигнал .
Отметим два важных обстоятельства.
Во-первых,
точное восстановление сигнала имеет место только при . Введя в рассмотрение частоту
дискретизации 
,
получим так называемую частоту Найквиста
, т.е. минимальное
значение частоты дискретизации, при котором возможно точное восстановление
непрерывного сигнала. Обычно, на практике частоту дискретизации выбирают выше
предела Найквиста. Так, например, частота Найквиста для речевого сигнала при 
составляет 
. В реальных РТИС эта
частота составляет .
Во-вторых, точное восстановление сигнала возможно при суммировании бесконечного числа откликов, что соответствует сигналу , неограниченному во времени. Но в действительности, сигналы являются ограниченными и по спектру и по времени. Однако, при определённых допущениях теорема Котельникова справедлива и для этого случая.
Если сигнал, длительностью ограничивается радиотехническим устройством с граничной частотой , то для его представления в дискретной форме требуется конечное число отсчетов, где
. (3.4)
Таким образом для восстановления сигнала длительностью , ограниченного по спектру частотой достаточно передать независимых отсчетов, однозначно связанных с его формой.
Но теоретически сигнал, ограниченный по времени имеет бесконечный спектр. А это означает, что при восстановлении сигнала по отсчетам будет иметь место ошибка, т.е. восстановленный сигнал ŝ( t ) будет отличаться от исходного . Казалось бы, теорема Котельникова неприменима к реальным сигналам. Тем не менее, если к точности восстановления сигнала по отсчетам предъявить определенные требования, например, допустить его восстановление с заданным уровнем ошибки, то утверждения теоремы Котельникова можно с успехом распространить на реальные сигналы, несколько изменив частоту дискретизации по сравнению с пределом Найквиста.
Теперь с учетом того, что реальный сигнал длительностью представляется отсчетами мгновенных значений, выражение (3.1) принимает вид:
. (3.5)
Величина называется базой сигнала . Понятие базы играет важную роль при представлении непрерывного сигнала конечным числом отсчетов. Соответствующим образом выбранная база определяет информационные показатели сигналов, способность противостоять помехам при передаче по каналам связи, энергетическую скрытность и другие.
Рассмотрим теперь вопрос оценки точности восстановления непрерывного сигнала по совокупности отсчетов его мгновенных значений. Как уже неоднократно подчеркивалось выше, ограниченный во времени сигнал имеет бесконечный спектр. Согласно равенству Парсеваля (2.50) энергия такого сигнала равна
3.6)
где или – энергетический спектр, представленный как функция либо круговой , либо циклической частоты.
Энергия за пределами частоты (или ) составляет величину
. (3.7)
На рис. 3.4 изображен энергетический спектр сигнала, ограниченного во времени и граничная частота .
Площадь под всей кривой характеризует полную энергию сигнала , а площадь заштрихованного участка - ту часть энергии , которая сосредоточена за пределами .
Тогда
отношение
(3.8)
может служить оценкой точности восстановления сигнала. Задаваясь величиной можно определить частоту , а следовательно и частоту дискретиза ции .
Рассмотрим следующий пример. Пусть сигнал на интервале времени описывается экспоненциальной функцией
Воспользовавшись преобразованием Фурье, найдем спектральную функцию сигнала
.
Модуль спектральной функции
,
а энергетический спектр
.
Воспользовавшись выражением (3.5), найдем энергию сигнала
.
В соответствии с (3.6), вычислим :
.
При расчете и использован табличный интеграл
.
Найдем величину среднеквадратичной ошибки восстановления
.
Представим
.
Тогда
откуда следует
.
Полагая, что для малых значений
получим
Теперь можно найти
или переходя к циклическим частотам
.
Частота дискретизации
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.
Самым распространенным на сегодня видом мобильной связи является сотовая связь. Услуги сотовой связи предоставляются абонентам компаниями-операторами.
Беспроводную связь сотовому телефону предоставляет сеть базовых станций.
Каждая станция обеспечивает доступ к сети на ограниченной территории, площадь и конфигурация которой зависит от рельефа местности и других параметров. Перекрывающиеся зоны покрытия создают структуру, похожую на пчелиные соты; от этого образа и происходит термин «сотовая связь». При перемещении абонента его телефон обслуживается то одной, то другой базовой станцией, причем переключение (смена соты) происходит в автоматическом режиме, совершенно незаметно для абонента, и никак не влияет на качество связи. Такой подход позволяет, используя радиосигналы малой мощности покрывать сетью мобильной связи большие территории, что обеспечивает этому виду коммуникаций, помимо эффективности, еще и высокий уровень экологичности.
Компания-оператор не только технически обеспечивает мобильную связь, но и вступает в экономические взаимоотношения с абонентами, которые приобретают у нее некоторый набор основных и дополнительных услуг. Так как видов сервисов достаточно много, расценки на них объединяют в комплекты, именуемые тарифными планами. Вычислением стоимости оказанных каждому абоненту услуг занимается билинговая система (программно-аппаратная система, ведущая учет предоставленных абоненту услуг и сервисов).
Билинговая система оператора взаимодействует с аналогичными системами других компаний, например, предоставляющих абоненту услуги роуминга (возможность пользоваться мобильной связью в других городах и странах). Все взаиморасчеты за мобильную связь, в том числе и в роуминге, абонент производит со своим оператором, который является для него единым расчетным центром.
Роуминг – доступ к сервисам мобильной связи за пределами зоны покрытия сети «домашнего» оператора, с которым у абонента заключен контракт.
Находясь в роуминге, абонент обычно сохраняет свой телефонный номер, продолжает пользоваться своим сотовым телефоном, совершая и принимая звонки точно так же, как и в домашней сети. Все необходимые для этого действия, включая межоператорский обмен трафиком и привлечение по мере необходимости ресурсов других коммуникационных компаний (например, обеспечивающих трансконтинентальную связь), производятся автоматически и не требуют от абонента дополнительных действий. Если домашняя и гостевая сети предоставляют услуги связи в разных стандартах, роуминг все равно возможен: абоненту на время поездки могут выдать другой аппарат, при этом сохраняя его телефонный номер и автоматически маршрутизируя звонки.
История сотовой связи.
Работы по созданию гражданских систем мобильной связи начались в 1970-х. К этому моменту развитие обычных телефонных сетей в европейских странах достигло такого уровня, что следующим шагом в эволюции коммуникаций могла стать только доступность телефонной связи везде и всюду.
Сети на первом гражданском стандарте сотовой связи – NMT-450 – появились в 1981. Хотя наименование стандарта представляет собой сокращение слов Nordic Mobile Telephony («мобильная телефония северных стран»), первая на планете сотовая сеть была развернута в Саудовской Аравии. В Швеции, Норвегии, Финляндии (и других странах Северной Европы) сети NMT заработали на несколько месяцев позднее.
Через два года – в 1983 – на территории США была запущена первая сеть стандарта AMPS (Advanced Mobile Phone Service), созданного в исследовательском центре Bell Laboratories.
Стандарты NMT и AMPS, которые принято относить к первому поколению систем сотовой связи, предусматривали передачу данных в аналоговой форме, что не позволяло обеспечить должный уровень помехоустойчивости и защиты от несанкционированных подключений. Впоследствии у них появились усовершенствованные за счет использования цифровых технологий модификации, например, DAMPS (первая буква аббревиатуры своим появлением обязана слову Digital – «цифровой»).
Стандарты второго поколения (так называемого 2G) – GSM, IS-95, IMT-MC-450 и др., изначально созданные на основе цифровых технологий, превосходили стандарты первого поколения по качеству звука и защищенности, а также, как выяснилось впоследствии, по заложенному в стандарт потенциалу развития.
Уже в 1982 Европейская Конференция Администраций Почт и Электросвязи (CEPT) создала группу для разработки единого стандарта цифровой сотовой связи. Детищем этой группы стал GSM (Global System for Mobile Communications).
Первая сеть GSM была запущена в эксплуатацию в Германии в 1992. Сегодня GSM является господствующим стандартом сотовой связи как в России, так и во всем мире. В 2004 в нашей стране GSM-сети обслуживали свыше 90% абонентов сотовой связи; в мире GSM использовало 72% абонентов.
Для работы оборудования стандарта GSM выделено несколько диапазонов частот – на них указывают числа в названиях. В европейском регионе в основном используются GSM 900 и GSM 1800, в Америке – GSM 950 и GSM 1900 (на момент утверждения стандарта в США «европейские» частоты там оказались заняты другими службами).
Популярность стандарту GSM обеспечили его значимые для абонентов особенности:
– защищенность от помех, перехвата и «двойников»;
– наличие большого числа дополнительных сервисов;
– возможность при наличии «надстроек» (таких, как GPRS, EDGE и др.) обеспечивать передачу данных с высокими скоростями;
– присутствие на рынке большого количества телефонных аппаратов, работающих в сетях стандарта GSM;
– простота процедуры смены одного аппарата на другой.
В процессе развития сотовые сети стандарта GSM приобрели возможности расширения за счет некоторых «надстроек» над действующей инфраструктурой, обеспечивающих скоростную передачу данных. GSM-сети с поддержкой GPRS (General Packet Radio Service) получили название 2,5G, а GSM-сети с поддержкой стандарта EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution) иногда называют сетями 2,75G.
В конце 1990-х в Японии и Южной Корее появились сети третьего поколения (3G). Основное отличие стандартов, на которых построены сети 3G, от предшественников – расширенные возможности скоростной передачи данных, что позволяет реализовывать в таких сетях новые сервисы, в частности, видеотелефонию. В 2002–2003 первые коммерческие сети 3G начали работать и в некоторых странах Западной Европы.
Хотя в настоящее время сети 3G существуют лишь в ряде регионов мира, в инженерно-технических лабораториях крупнейших компаний уже ведутся работы по созданию стандартов сотовой связи четвертого поколения. Во главу угла при этом ставится не только дальнейшее увеличение скорости передачи данных, но и повышение эффективности использования пропускной способности частотных диапазонов, выделенных для мобильной связи, чтобы получать доступ к сервисам могло большое количество абонентов, находящихся на ограниченной территории (что особенно актуально для мегаполисов).
Другие системы мобильной связи.
Кроме сотовой связи, сегодня существуют и другие гражданские коммуникационные системы, также обеспечивающие мобильную связь по радиоканалам, но построенные на иных технических принципах и ориентированные на другие абонентские терминалы. Они менее распространены, чем сотовая связь, но находят применение, когда использование сотовых телефонов затруднено, невозможно или экономически невыгодно.
Становится все популярнее стандарт микросотовой связи DECT, который используется для коммуникаций на ограниченной территории. Базовая станция стандарта DECT способна обеспечивать трубкам (их может обслуживаться до 8 одновременно) связь между собой, переадресацию вызовов, а также выход в телефонную сеть общего пользования. Потенциал стандарта DECT позволяет обеспечивать мобильную связь в пределах городских микрорайонов, отдельных компаний или квартир. Они оказываются оптимальными в регионах с малоэтажной застройкой, абоненты которых нуждаются только в голосовой связи и могут обходиться без мобильной передачи данных и других дополнительных сервисов.
В спутниковой телефонии базовые станции располагают на спутниках, находящихся на околоземных орбитах. Спутники обеспечивают связь там, где развертывание обычной сотовой сети невозможно или нерентабельно (в море, на обширных малонаселенных территориях тундры, пустынь и т.д.).
Транкинговые сети, обеспечивающие абонентским терминалам (их принято называть не телефонами, а радиостанциями) связь в пределах определенной территории, представляют собой системы базовых станций (ретрансляторов), которые осуществляют передачу радиосигнала от одного терминала к другому при их значительном удалении друг от друга. Поскольку транкинговые сети обычно обеспечивают связь сотрудникам ведомств (МВД, МЧС, «Скорая помощь» и т.д.) или на технологических площадках большого размера (вдоль автотрасс, на стройке, на территории заводов и т.д.), то транкинговые терминалы не имеют развлекательных возможностей и дизайнерских изысков в оформлении.
Носимые радиостанции устанавливают связь друг с другом напрямую, без промежуточных коммуникационных систем. Мобильную связь такого типа предпочитают как государственные (милиция, пожарная охрана и т.д.) и ведомственные структуры (для коммуникаций в пределах складского комплекса, паркинга или стройки), так и частные лица (грибники, охотники-рыболовы или туристы), в ситуациях, когда проще и дешевле использовать для связи между собой карманные радиостанции, чем сотовые телефоны (например, в отдаленных районах, где отсутствует покрытие сотовых сетей).
Пейджинговая связь обеспечивает получение коротких сообщений на абонентские терминалы – пейджеры. В настоящее время пейджинговые коммуникации в гражданской связи практически не используются, из-за своих ограничений они вытеснены в область узкоспециализированных решений (например, служат для оповещения персонала в крупных медицинских учреждениях, передачи данных на информационные электронные табло и т.д.).
С 2004 все более широкое распространение получает новый подвид мобильной связи, предоставляющий возможность высокоскоростной передачи данных по радиоканалу (в большинстве случаев для этого используется протокол Wi-Fi). Зоны с Wi-Fi-покрытием, доступным для публичного использования (платного или бесплатного), называются хот-спотами. Абонентскими терминалами в этом случае являются компьютеры – как ноутбуки, так и КПК. Они могут обеспечивать и двустороннюю голосовую связь через Интернет, но эта возможность используется крайне редко, в основном соединение применяется для доступа к наиболее распространенным интернет-сервисам – электронной почте, веб-сайтам, системам мгновенного обмена сообщениями (например, ICQ) и т.д.
Куда движется мобильная связь.
В развитых регионах основным направлением развития мобильной связи на ближайшее будущее является конвергенция: обеспечение абонентским терминалам автоматического переключения с одной сети на другую с целью наиболее эффективного использования возможностей всех коммуникационных систем. Экономить средства абонентов и улучшать качество связи позволит автоматическое переключение, например, с GSM на DECT (и обратно), со спутниковой связи на «наземную», а при обеспечении беспроводной передачи данных – между GPRS, EDGE, Wi-Fi и другими стандартами, многие из которых (например, WiMAX) только ожидают своего часа.
Место мобильной связи в мировой экономике.
Коммуникации являются наиболее динамично развивающейся отраслью мировой экономики. Но мобильные коммуникации даже по сравнению с другими направлениями «телекома» развиваются опережающими темпами.
Еще в 2003 общее число мобильных телефонов на планете превысило количество стационарных аппаратов, подключенных к проводным сетям общего пользования. В некоторых странах количество абонентов мобильной связи уже в 2004 было больше числа жителей. Это означает, что некоторые люди использовали более одного «мобильного» – например, два сотовых телефона, обслуживаемых у разных операторов, или телефон для голосовой связи и беспроводной модем для мобильного доступа в Интернет. Кроме того, все больше модулей беспроводной связи требовалось для обеспечения технологических коммуникаций (в этих случаях абонентами являются не люди, а специализированные компьютеры).
В настоящее время операторы сотовой связи обеспечивают полное покрытие территории всех экономически развитых регионов планеты, однако экстенсивное развитие сетей продолжается. Новые базовые станции устанавливаются для улучшения приема в тех местах, где имеющаяся сеть по каким-либо причинам устойчивый прием обеспечить не может (например, в длинных тоннелях, на территории метрополитена и т.д.). Кроме того, сотовые сети постепенно проникают в регионы с низким уровнем доходов населения. Развитие технологий мобильной связи, сопровождающееся резким удешевлением оборудования и услуг, делает сотовые сервисы доступными все большему числу людей на планете.
Производство сотовых телефонов является одним из наиболее динамично развивающихся направлений индустрии высоких технологий.
Быстро растет и индустрия обслуживания мобильных телефонов, предлагающая аксессуары для персонификации аппаратов: от оригинальных звонков (рингтонов) до брелоков, графических заставок, наклеек на корпус, сменных панелей, чехлов и шнурков для ношения аппарата.
Виды телефонов.
Сотовый (мобильный) телефон – абонентский терминал, работающий в сотовой сети. По сути, каждый сотовый телефон является специализированным компьютером, который ориентирован, в первую очередь, на обеспечение (в зоне покрытия домашней или гостевой сети) голосового общения абонентов, но также поддерживает обмен текстовыми и мультимедийными сообщениями, снабжен модемом и упрощенным интерфейсом. Передачу голоса и данных современные мобильные телефоны обеспечивают в цифровой форме.
Раннее существовавшее разделение аппаратов на «недорогие», «функциональные», «бизнес-» и «имиджевые» модели все больше теряет смысл – бизнес-аппараты приобретают черты имиджевых моделей и развлекательные функции, в результате использования аксессуаров недорогие телефоны становятся имиджевыми, а у имиджевых быстро растет функциональность.
Миниатюризация трубок, пик которой пришелся на 1999–2000, завершилась по вполне объективным причинам: аппараты достигли оптимального размера, дальнейшее их уменьшение делает неудобным нажатие кнопок, чтение текста на экране и т.д. Зато сотовый телефон стал настоящим предметом искусства: к разработке внешнего вида аппаратов привлекают ведущих дизайнеров, а владельцам предоставляются широкие возможности персонифицировать свои аппараты самостоятельно.
В настоящее время производители уделяют особое внимание функциональности мобильных телефонов, причем как основным (увеличивается время автономной работы, улучшаются экраны и т.д.), так и дополнительным их возможностям (в аппараты встраивают цифровые фотокамеры, диктофоны, МР3-плееры и прочие «сопутствующие» устройства).
Практически все современные аппараты, за исключением некоторых моделей нижнего ценового диапазона, позволяют загружать программы. Большинство аппаратов может исполнять Java-приложения, увеличивается количество телефонов, использующих операционные системы, унаследованные от КПК или портированные с них: Symbian, Windows Mobile for Smartphones и т.д. Телефоны со встроенными операционными системами называют смартфонами (от комбинации английских слов «smart» и «phone» – «умный телефон»).
В качестве абонентских терминалов сегодня могут использоваться также коммуникаторы – карманные компьютеры, снабженные модулем с поддержкой GSM/GPRS, а иногда EDGE и стандартов третьего поколения.
Неголосовые сервисы сотовых сетей.
Абонентам сотовых сетей доступен целый ряд неголосовых сервисов, «ассортимент» которых зависит от возможностей конкретного телефона и от спектра предложений компании-оператора. Перечень сервисов в домашней сети может отличаться от списка услуг, доступных в роуминге.
Сервисы могут быть коммуникационными (обеспечивающими различные формы связи с другими людьми), информационными (например, сообщающими о прогнозе погоды или рыночных котировках), обеспечивающими доступ в Интернет, коммерческими (для оплаты с телефонов различных товаров и услуг), развлекательными (мобильные игры, викторины, казино и лотереи) и другими (сюда относится, например, мобильное позиционирование). Сегодня появляется все больше сервисов, находящихся «на стыке», например, большинство игр и лотерей являются платными, появляются игры, использующие технологии мобильного позиционирования, и т.д.
Практически всеми операторами и большинством современных аппаратов поддерживаются следующие сервисы:
– SMS – Short Message Service – передача коротких текстовых сообщений;
– MMS – Multimedia Messaging Service – передача мультимедиа-сообщений: фотографий, видеороликов и т.п.;
– автоматический роуминг;
– определение номера звонящего абонента;
– заказ и получение различных средств персонификации непосредственно по каналам сотовой связи;
– выход в Интернет и просмотр специализированных (WAP) сайтов;
– закачка рингтонов, картинок, информационных материалов со специализированных ресурсов;
– передача данных с помощью встроенного модема (она может осуществляться по различным протоколам в зависимости от того, какие технологии поддерживает конкретный аппарат).
Мобильная связь в России.
В СССР гражданских систем мобильной связи не было. С некоторой натяжкой «гражданской» можно назвать систему мобильной телефонии «Алтай», построенную на базе стандарта МРТ-1327, которая на рубеже 1970–80-х создавалась для обеспечения связью представителей партийного, государственного и хозяйственного руководства. «Алтай» успешно эксплуатируется и поныне. Разумеется, он не может конкурировать с сотовыми сетями, но находит применение для решения некоторых узкоспециализированных задач: обеспечения связью мобильных подразделений городских аварийных служб, телефонизации летних кафе и т.д.
Первые коммерческие сотовые сети, построенные по стандарту NMT, были созданы в России осенью 1991. Пионерами мобильной телефонии в нашей стране были компании «Дельта Телеком» (Санкт-Петербург) и «Московская сотовая связь». Первый звонок по сотовому телефону был сделан 9 сентября 1991 в Санкт-Петербурге: Анатолий Собчак, занимавший тогда пост мэра города, звонил своему коллеге – мэру Нью-Йорка.
В июле 1992 первые звонки были совершены в AMPS-сети «БиЛайн».
Первая российская сеть стандарта GSM, созданная компанией МТС, начала подключение абонентов в июле 1994.
В 2005 в России существуют три федеральных оператора сотовой связи, предоставляющих услуги в стандарте GSM: МТС, «БиЛайн» и «МегаФон». Спектр и качество предлагаемых ими телекоммуникационных услуг, а также расценки на них примерно одинаковы. К 2005 количество базовых станций в сетях ведущих столичных операторов в Москве и ближайшем Подмосковье составило около 3000, а площадь зоны покрытия превысила площади большинства европейских государств. Кроме них, существуют и вполне эффективно работают многочисленные локальные операторы – как дочерние структуры «большой тройки», так и самостоятельные компании.
Операторы активно развивают рынок, увеличивая покрытие своих сетей и популяризируя мобильную связь среди самых разных слоев населения. Если в середине 1990-х сотовый телефон был доступен только представителям самых обеспеченных слоев населения, то сегодня мобильной связью может пользоваться практически каждый. Российские операторы внедряют в своих сетях новейшие сервисы и предлагают построенные на их основе услуги, нередко даже опережая большинство европейских компаний. В настоящее время все три федеральных GSM-оператора ведут подготовительную работу к развертыванию коммерческих сетей третьего поколения.
Кроме GSM-сетей федеральных и локальных операторов сотовой связи в России продолжают эксплуатироваться сети других стандартов: DAMPS, IS-95, NMT-450, DECT и IMT-MC-450. Последний стандарт имеет статус федерального, и построенные на его базе сети (например, SkyLink) развиваются весьма активно. Однако ни по площади покрытия, ни по количеству обслуживаемых абонентов сети всех стандартов, отличных от GSM, заметную конкуренцию ведущей тройке федеральных операторов создать не могут.
Литература:
Маляревский А., Олевская Н. Ваш мобильный телефон
(популярный самоучитель). М, «Питер», 2004
Закиров З.Г., Надеев А.Ф., Файзуллин Р.Р. Сотовая связь стандарта GSM. Современное состояние, переход к сетям третьего поколения
(«Библиотека МТС»). М., «Эко-Трендз», 2004
Попов В.И. Основы сотовой связи стандарта GSM
(«Инженерная энциклопедия ТЭК»). М., «Эко-Трендз», 2005
Загрузка...
