Как устроена и работает мобильная сотовая связь. Сотовая связь Как работает сотовая сеть

Вряд ли возможно сегодня найти человека, который бы никогда не пользовался сотовым телефоном. Но каждый ли понимает, как работает сотовая связь? Как устроено и работает то, к чему мы все давно привыкли? Передаются ли сигналы от базовых станций про проводам или все это действует как-то иначе? А может быть вся сотовая связь функционирует лишь за счет радиоволн? На эти и другие вопросы попробуем дать ответ в нашей статье, оставив описание стандарта GSM за ее рамками.

В момент, когда человек пытается совершить вызов со своего мобильного телефона, или когда начинают звонить ему, телефон посредством радиоволн подключается к одной из базовых станций (наиболее доступной), к одной из ее антенн. Базовые станции можно наблюдать то там, то тут, взглянув на дома наших городов, на крыши и на фасады промышленных зданий, на высотки, наконец на специально возведенные для станций мачты красно-белого цвета (особенно вдоль автострад).

Станции эти выглядят как прямоугольные коробки серого цвета, из которых в разные стороны торчат разнообразные антенны (обычно до 12 антенн). Антенны здесь работают как на прием, так и на передачу, и принадлежат они оператору сотовой связи. Антенны базовой станции направлены во всевозможные стороны (сектора), чтобы обеспечить «покрытие сетью» абонентам со всех сторон на расстоянии до 35 километров.

Антенна одного сектора в состоянии обслуживать одновременно до 72 звонков, и если антенн 12, то представьте себе: 864 звонка способна в принципе обслужить одна крупная базовая станция одновременно! Хотя обычно ограничиваются 432 каналами (72*6). Каждая антенна соединена кабелем с управляющим блоком базовой станции. А уже блоки нескольких базовых станций (каждая станция обслуживает свою часть территории) присоединяются к контроллеру. К одному контроллеру присоединяется до 15 базовых станций.

Базовая станция в принципе способна функционировать на трех диапазонах: сигнал 900 МГц лучше проникает внутрь зданий и сооружений, распространяется дальше, поэтому именно данный диапазон часто используют в деревнях и на полях; сигнал на частоте 1800 МГц распространяется не так далеко, но на одном секторе устанавливают больше передатчиков, поэтому в городах ставят чаще именно такие станции; наконец 2100 МГц — это сеть 3G.

Контроллеров, конечно, в населенном пункте или районе, может быть несколько, поэтому контроллеры, в свою очередь, присоединяются кабелями к коммутатору. Задача коммутатора — связать сети операторов мобильной связи друг с другом и с городскими линиями обычной телефонной связи, междугородной связи и международной связи. Если сеть небольшая, то достаточно одного коммутатора, если крупная — используются два и более коммутаторов. Коммутаторы объединяются между собой проводами.

В процессе перемещения человека, разговаривающего по мобильнику, по улице, например: идет он пешком, едет в общественном транспорте, или передвигается на личном авто, - его телефон не должен ни на мгновение потерять сеть, нельзя оборвать разговор.

Непрерывность связи получается благодаря способности сети базовых станций очень оперативно переключать абонента с одной антенны на другую в процессе его перемещения от зоны действия одной антенны — в зону действия другой (от соты к соте). Абонент сам не замечает, как перестает быть связан с одной базовой станцией, и подключен уже к другой, как переключается от антенны — к антенне, от станции — к станции, от контроллера — к контроллеру…

При этом коммутатор обеспечивает оптимальное распределение нагрузки по многоуровневой схеме сети, чтобы снизить вероятность выхода оборудования из строя. Многоуровневая сеть строится так: сотовый телефон — базовая станция — контроллер — коммутатор.

Допустим, мы совершаем вызов, и вот сигнал уже добрался до коммутатора. Коммутатор передает наш звонок в сторону абонента назначения — в городскую сеть, в сеть международной или междугородней связи, либо на сеть другого мобильного оператора. Все это происходит очень быстро с использованием высокоскоростных оптоволоконных кабельных каналов.

Далее наш звонок поступает на коммутатор, что расположен на стороне принимающего звонок (вызываемого нами) абонента. В «приемном» коммутаторе уже есть данные о том, где находится вызываемый абонент, в какой зоне действия сети: какой контроллер, какая базовая станция. И вот, с базовой станции начинается опрос сети, находится адресат, и на его телефон «поступает вызов».

Вся цепочка описанных событий, с момента набора номера до момента раздавшегося на принимающей стороне звонка, длится обычно не более 3 секунд. Так мы можем сегодня звонить в любую точку мира.

Андрей Повный

Связь называют мобильной, если источник информации либо её получатель (или оба) перемещаются в пространстве. Радиосвязь с момента возникновения была мобильной. Первые радиостанции предназначались для связи с подвижными объектами – кораблями. Ведь один из первых приборов радиосвязи А.С. Попова был установлен на броненосце «Адмирал Апраксин». И именно благодаря радиосвязи с ним удалось зимой 1899–1900 гг. спасти этот корабль, затёртый во льдах в Балтийском море.

Долгие годы для осуществления индивидуальной радиосвязи между двумя абонентами требовался свой отдельный канал радиосвязи, работающий на одной частоте. Одновременную радиосвязь по многим каналам можно было бы обеспечить, выделив каждому каналу определённую полоску частот. Но ведь частоты нужны и для радиовещания, телевидения, радиолокации, радионавигации, военных нужд. Поэтому и число каналов радиосвязи было весьма ограничено. Она использовалась для военных целей, правительственной связи. Так, в автомобилях, которыми пользовались члены политбюро ЦК КПСС, были установлены телефоны мобильной связи. Устанавливалась они в полицейских машинах и радиотакси. Для того чтобы мобильная связь стала массовой, понадобилась новая идея её организации.

Каждая сота должна обслуживаться базовым радиопередатчиком с ограниченным радиусом действия и фиксированной частотой. Это даёт возможность повторно использовать ту же частоту в других сотах. Во время разговора сотовый радиотелефон соединён с базовой станцией радиоканалом, по которому передаётся телефонный разговор. Размеры соты определяются максимальной дальностью связи радиотелефонного аппарата с базовой станцией. Эта максимальная дальность является радиусом соты.

Идея мобильной сотовой связи состоит в том, что, ещё не выйдя из зоны действия одной базовой станции, мобильный телефон попадает в зону действия любой соседней вплоть до наружной границы всей зоны сети.

Для этого созданы системы антенн-ретрансляторов, перекрывающих свою «соту» – область поверхности Земли. Чтобы связь была надежной, расстояние между двумя соседними антеннами должно быть меньше радиуса их действия. В городах оно составляет около 500 м, а в сельской местности – 2-3 км. Мобильный телефон может принимать сигналы сразу от нескольких антенн-ретрансляторов, но настраивается он всегда на самый мощный сигнал.

Идея мобильной сотовой связи заключалась ещё и в применении компьютерного контроля за телефонным сигналом от абонента, когда он переходит от одной сотовой ячейки к другой. Именно компьютерный контроль позволил в течение всего лишь тысячной доли секунды переключать мобильный телефон с одного промежуточного передатчика на другой. Всё происходит так быстро, что абонент просто этого не замечает.

Центральной частью системы мобильной связи являются компьютеры. Они отыскивают абонента, находящегося в любой из сот, и подключают его к телефонной сети. Когда абонент перемещается из одной ячейки в другую, они передают абонента с одной базовой станции на другую, а также подключают абонента из «чужой» сотовой сети к «своей», когда он оказывается в зоне её действия, – осуществляют роуминг (что по-английски означает «странствие» или «бродяжничество»).

Эксплуатация первой в Европе системы сотовой связи стандарта NMT-450 (Nordic Mobile Telephone), предназначенной для работы в диапазоне 450 МГц, началась в 1981 г. в Швеции, Исландии, Дании, Норвегии, Финляндии и Саудовской Аравии. Затем началась эксплуатация систем связи того же типа в странах Европы и Юго-Восточной Азии. В 1985 г. на базе этого стандарта был разработан стандарт NMT-900 диапазона 900 МГц, позволивший увеличить абонентскую ёмкость системы связи. Подобные стандарты были введены в США, Франции и Великобритании.

Однако все эти стандарты являются аналоговыми и относятся к первому поколению систем сотовой связи. В них используется аналоговый способ передачи информации с помощью частотной (ЧМ) или фазовой (ФМ) модуляции, как в обычных радиостанциях. Этот способ имеет ряд существенных недостатков, главными из которых являются возможность прослушивания разговоров другими абонентами и невозможность борьбы с замиранием сигналов при передвижении абонента и под влиянием ландшафта и зданий. Перегруженность частотных диапазонов вызывала помехи при разговорах.

Поэтому к концу 1980-х гг. началось создание второго поколения систем сотовой связи, основанных на базе цифровых методов обработки сигналов. В 1990 г. был разработан стандарт GSM-900 для диапазона 900 МГц, который расшифровывается как Global System for Mobile Communications. А в 1991 г. на основе GSM был разработан стандарт для диапазона 1800 МГц. Подобные стандарты были приняты в США и Японии.

В России аналоговые системы сотовой связи на основе стандарта NMT-450 появились с опозданием на 10 лет, но зато цифровые системы на основе стандарта GSM – с опозданием только на три года. Стандарты NMT и GSM утверждены в нашей стране в качестве федеральных. В Москве активнее всего развиваются сотовые сети на основе цифрового стандарта GSM, а в регионах – аналоговые сети. Системы стандарта GSM в России наиболее активно продвигают на рынке три оператора – МТС, «Билайн» и «МегаФон». Сегодня на основе этого стандарта работают уже более 70 % всех сотовых телефонов в мире. России пошло на пользу опоздание с внедрением сотовой связи. У нас был сразу принят цифровой стандарт GSM. Многие современные сотовые телефоны оснащены возможностью высокоскоростного доступа в Интернет по стандарту GPRS (General Packet Radio Service).

Персональная сотовая мобильная связь пользуется всё большей популярностью, особенно у молодёжи. Общее число её пользователей в мире превышает 600 млн абонентов.

Важным преимуществом мобильной сотовой связи является возможность пользоваться ею вне общей зоны своего оператора – роуминг. Для этого различные операторы договариваются между собой о взаимной возможности пользования своим зонами для пользователей. Абонент, покидая общую зону своего оператора, автоматически переключается на зоны других операторов даже при перемещении из одной страны в другую, например, из России в Германию или во Францию. Либо, находясь в России, пользователь может звонить по сотовой связи в любую страну. Таким образом, сотовая связь обеспечивает пользователю возможность связываться по телефону с любой страной, где бы он ни находился.

6.3.1. Организация сотовой сети

Сотовые телефоны перестали быть роскошью и производственной необходимостью. Они входят в нашу повседневную жизнь, активно изменяя как стиль, так и содержание наших будней. Основная идея организации сотовой телефонной сети предельно проста. Вся обслуживаемая территория разбивается на кусочки-соты, в которых имеются базовые станции, соединяющие мобильные телефоны между собой и с внешним миром. На карте такая сеть мобильной связи напоминает пчелиные соты, откуда и пошло название этого вида телекоммуникации. Телефоны в соседних сотах не мешают друг другу, потому что работают на разных частотах, а вот отстоящие более чем на соту просто не слышат друг друга благодаря тому, что земля круглая, и радиоволны, распространяясь, затухают.

Базовая станция с антеннами и трубка в руках абонента всегда находятся недалеко друг от друга и работают на минимальных мощностях, поэтому телефон становится поистине мобильным, компактным и лёгким. Между собой базовые станции соединяются высокоскоростной линией связи, по которым наши разговоры и приходят к сотовому оператору. Собравшись на головной сотовой станции, все звонки тарифицируются и коммутируются с адресатами. Естественно, что сотовые операторы имеют выход на телефонную сеть общего пользования, и звонок, если он проходит вне данной сети, начинает своё путешествие по земным линиям связи.

Благодаря единому управлению при переходе из соты в соту телефон автоматически передаётся на обслуживание новой базовой станции. Процесс передачи обслуживания сопровождается сменой рабочей частоты и занимает некоторое время, практически незаметное при разговоре.

Мобильный телефон не имеет постоянной прописки, и ему приходится периодически регистрироваться в сети, соответственно, сотовый оператор даже при роуминге (т.е. когда его абонент путешествует по чужой территории) знает, где именно находится выходящий на связь аппарат, и при запросе подтверждает платёжеспособность хозяина телефона.

6.3.2. Аналоговые стандарты сотовой связи

Имея много общего, системы сотовой связи существенно отличаются друг от друга и, в первую очередь, по тому аналоговую или цифровую форму передачи информации они используют. Сначала все системы были аналоговыми, а аппараты очень похожими на обычные связные рации. Наиболее широко распространились по миру две такие системы: американская AMPS (Advanced Mobile Phone Service) и европейская NMT (Nordic Mobile Telephone). Сегодня они по-прежнему успешно работают на обширных территориях малонаселённых районов крупных стран, когда плотность звонящих невелика. Эти стандарты имеют ограниченную ёмкость и не позволяют более чем полусотне человек одновременно выходить на связь в пределах одной соты.

AMPS работает в диапазоне 800 МГц, NMT-450 – соответственно, вблизи 450 МГц, а активно используемый сегодня в скандинавских странах NMT-900 – около 900 МГц. В NMT максимальный радиус соты может равняться 40 км, в AMPS он не более 20 км. Выходная мощность мобильных трубок в NMT-450 достигает 2-3 Вт, в AMPS не превышает 0,6 Вт, для стационарных и автомобильных вариантов в NMT-450 она может доходить до 15 Вт, а у базовой станции – 50–100 Вт.

Звуковой сигнал в аналоговых сетях не подвергается существенной обработке, и задержка связи составляет всего несколько десятков миллисекунд при местных звонках. Соответственно, звучание человеческого голоса в таких телефонах выглядит наиболее естественно и привычно. Характерные для аналоговых сетей шумы и помехи во многом похожи на типичные для проводных телефонов шорохи и трески.

В аналоговых сотовых системах вопрос конфиденциальности телефонных переговоров полностью открыт, и любопытные конкуренты могут свободно слушать интересующие их разговоры, не только сидя в машине под окнами офиса, но и находясь за пару кварталов от объекта наблюдения. Более того, практически сразу появились «усовершенствованные» модели аналоговых телефонов, способные перехватывать идентификационные номера законных пользователей сотовых сетей. Причём нелегальные аппараты, звонящие за чужой счёт, были довольно-таки интеллектуальны, и, прежде чем выйти в эфир, проверяли, не находится ли тот, кто за них платит, на связи.

Воровство так распространилось в мире аналоговой сотовой связи, что изготовителям оборудования пришлось срочно усложнять процедуру опознания своих абонентов. И сегодня проблема двойников, по крайней мере в NMTi, решена. Однако возможность прослушивания даже при включении «шифрования» осталась.

Роуминг в сотовых сетях возможен только в пределах выбранного вами стандарта, поскольку телефоны, работающие в разных стандартах, принципиально несовместимы. Там же, где есть нужная сеть, имеет место так называемый полуавтоматический роуминг, требующий участия владельца для выбора нужного кода страны.

Телефоны стандарта NMT ещё совсем недавно были существенно крупнее своих собратьев по сотовой связи, но сегодня благодаря успехам электроники только выдвижная антенна порой выдаёт тот факт, что это аппарат аналогового стандарта.

В США очень быстро столкнулись с тем, что аналоговый стандарт не может обеспечить связью всех желающих. И новый почти полностью цифровой стандарт D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone Service), пришедший на смену AMPS, при прежнем максимальном радиусе соты 20 км повысил число одновременно идущих в соте разговоров до трёхсот. Это был шаг, существенно улучшивший конфиденциальность телефонных разговоров и снявший проблему двойников. Переход к цифре, естественно, немного сказался на качестве речи. Данный стандарт позволяет вполне спокойно обеспечивать стабильной мобильной связью не слишком плотно расположенных абонентов. Он не стал международным стандартом, поэтому, путешествуя с таким телефоном по миру, далеко не везде удастся выйти на связь.

В мире было разработано и внедрено 9 аналоговых стандартов, работавших на разных частотах и не совместимых друг с другом. Сейчас успешно работают два из них: скандинавский NMT и американский AMPS, причём оба используются и в нашей стране.

6.3.3. Эволюция к цифровым стандартам

Цифровых стандартов с возможностью организации сот радиусом от 0,5 до 20–30 км сегодня 4: американские D-AMPS и CDMA, глобальный общеевропейский GSM и сугубо японский JDC (Japan Digital Cell).

Первопроходцам всегда труднее, и сегодня, чтобы удержаться на плаву, сотовым операторам, работающим в NMT и D-AMPS, приходится не только снижать цены, но и предлагать услуги, которых изначально данные стандарты не предполагали. Автодозвон, определение номера, голосовая почта, конференц-связь, передача данных и даже работа в Internet сегодня стали доступны не только современным цифровым стандартам.

Широкая популярность сотовых сетей заставила разработчиков всерьёз задуматься об увеличении их ёмкости и стандартизации в рамках всей планеты. Поскольку только при унификации телефонов можно спокойно путешествовать по всему миру, оставаясь на связи благодаря услугам автоматического роуминга. К этому времени, началу 90-х гг., уже было ясно, что решение этих двух задач возможно только при переходе к цифровым способам передачи речи и управления связью.

Разработкой общемирового стандарта занялись как в Европе, так и в Америке. Старый и Новый свет пошли немного разными путями, и в итоге имеется два стандарта, работающих не только на разных частотах, но и использующих принципиально разные способы разделения одновременно звонящих абонентов. Американцы в той же полосе частот, где работали раньше AMPS и D-AMPS, с 1995 г. начали внедрение CDMA (Code Division Multiple Access). При прежнем размере сот и той же базовой инфраструктуре переход к новому стандарту увеличил количество одновременно звонящих в соте до тысячи, повысил экономичность аппаратов, существенно улучшил конфиденциальность переговоров и исключил проблему двойников.

Каждый CDMA-телефон имеет свой индивидуальный идентификационный номер, и поменять аппарат без участия сотового оператора просто невозможно. Видимо, в том числе и поэтому пока не поступало сообщений о клонировании (т.е. дублировании) такого типа телефонов. Записная книжка с номерами и ваш личный органайзер оказываются в неотъемлемой памяти телефона, и, меняя телефон, придётся перезаписывать всю полезную информацию.

Цифровые системы очень большое внимание уделяют кодированию речи, потому что без сжатия информационного потока цифровые системы не получат преимущества по количеству обслуживаемых абонентов. Вычислительные возможности телефонного микрокомпьютера, отвечающего за кодирование и декодирование речи, далеки от любого Pentium, и поэтому впору не сетовать на качество передачи речи в цифровых системах мобильной связи, а восхищаться тем, что голоса самых разных народов мира передаются столь узнаваемым образом.

6.3.4. CDMA и GSM

CDMA имеет на сегодня наибольшую скорость передачи данных (14,4 кбит/с) и достаточно хорошее качество звука. Аппараты, работающие в этом стандарте, вполне миниатюрны и достаточно долго удерживаются на связи. Этот стандарт сегодня широко распространён в Северной Америке и Южной Корее. В нашей стране также есть операторы, выбравшие данный стандарт, однако распространённость таких сетей пока невелика, и потенциальный роуминг сильно ограничен (а в ситуации, когда данная связь лицензирована только как беспроводная, и законодательно невозможен).

Наиболее популярным типом сотовой связи сегодня, безусловно, является GSM (Global System for Mobile Communications). Этот европейский цифровой стандарт глобальной мобильной связи, стартовав в 1991 г. в Европе, сегодня де-факто стал самым популярным стандартом в мире. Он очень быстро распространяется по нашей планете, и сегодня почти во всех странах, имея в руках GSM-телефон, можно спокойно звонить и отвечать на звонки, как будто вы находитесь дома. GSM был разработан с учётом многолетнего опыта эксплуатации сотовых сетей, ориентирован на всеобщее применение и допускает существенную модификацию без изменения основных функций.

В GSM радиус соты может достигать 35 км, и возможно до тысячи одновременных звонков. Максимальная импульсная мощность мобильных трубок не превышает 1 Вт, хотя для стационарных и автомобильных вариантов телефонов она может доходить и до 20 Вт. Аппараты этого стандарта на сегодня наиболее миниатюрны и дольше всех удерживаются на связи и в состоянии ожидания звонка.

Цифровые системы связи обеспечивают чистое и без помех звучание, лишь немного искажая тембр и интонационную окрашенность речи. Только при слабых уровнях сигнала и неустойчивой связи возможна ситуация, когда телефон как бы глотает кусочки слов. Выигрыш в выходной мощности и пропускной способности при переходе к цифре столь существенны, а разборчивость речи страдает так мало, что однозначно можно простить телефонам цифровую обработку человеческого голоса.

При разговоре мы примерно половину времени молчим, слушая собеседника. Цифровые системы активно используют это обстоятельство, почти полностью выключая передатчик в паузах речи, стараясь не засорять понапрасну эфир и экономя батарею. А чтобы не было звенящей тишины в ушах говорящего, телефон в это время подаёт в динамик «комфортный шум», напоминающий типичные звуки на том конце «провода».

Эфирное подслушивание GSM-переговоров затруднено, здесь разработчики постарались от души. И дело не только в сложном виде используемых сигналов и закрытости алгоритмов шифрования, но и в том, что процедура кодирования всё время меняется, и каждый новый звонок имеет свой ключ.

Интересным шагом в борьбе за плотность звонящих было введение GSM 1800, существенно увеличившее пропускную способность за счёт перехода к более мелким сотам и расширению диапазона частот. Судя по опыту эксплуатации таких сетей в крупнейших мегаполисах, этот шаг полностью снимает проблему перегрузки сети даже при поголовной «мобилизации» населения.

Во всём мире GSM работает на частоте 900 и 1800 МГц, но только не в Америке. Федеральная комиссия по радиосвязи сочла свободным и продала операторам лишь небольшой участок спектра в районе 1900 МГц, и тут же возник американский GSM 1900. Причём в этом диапазоне могут работать как GSM, так и CDMA и даже D-AMPS-сотовые операторы. Сегодня выпускаются не только «всемирные» телефоны, работающие на 1800 и 1900 МГц, но и воистину всеядные «трёхбендовые», умеющие выходить на связь во всех трёх GSM-диапазонах.

Сотовые сети и Internet во многом похожи друг на друга, и неслучайно почти все телефоны GSM имеют WAP-броузеры и активно обсуждаются проекты нового всемирного стандарта сотовой связи, который будет иметь существенно большую скорость передачи данных и обеспечивать вполне комфортную работу во всемирной паутине благодаря более широкой рабочей полосе и увеличенный по отношению к GSM и CDMA темп передачи речи, изображений и данных. Сегодня такая надстройка над GSM в виде GPRS-технологии уже освоена обоими московскими операторами и достигнута скорость 40,2 кбит/с на приём.

В GSM-телефонах используется сменный модуль, отвечающий за идентификацию абонента, – так называемая SIM-карта (Subscribe Identity Module). Эта маленькая микросхема не только отвечает за то, чтобы никто не звонил за ваши деньги, но и содержит обширную память, способную хранить до 255 номеров и имён ваших знакомых. Соответственно, переставив SIM-карту из одного телефона GSM в другой, переносишь не только записную книжку, но и свой телефонный номер, на который теперь будет отзываться фактически уже другой телефон.

Персонализация средств связи идет быстрыми темпами, и сегодня уже можно смело переходить от понятия «рабочий» и «домашний» телефон к понятию «личный индивидуальный телефонный номер», который всегда при вас. Наиболее логичным решением этой задачи является применение SIM-карт. Универсальность этой маленькой микросхемы позволяет использовать её во всех новых, готовых к запуску и разрабатываемых как сотовых, так и спутниковых системах связи.

Спектр услуг, предоставляемых сегодня операторами GSM, наиболее обширен, и он непрерывно пополняется. Короткие текстовые сообщения SMS (Short Message Servic) и возможность работы в Internet прямо с клавиатуры телефона, используя WAP-броузер, передача данных и факсов (скорость 9,6 кбит/с), конференц-связь и переадресация звонков, информационные услуги (цены, погода, адреса, телефоны) и формирование различных групп пользователей – это далеко не полный перечень тех возможностей, которые получает хозяин телефона GSM.

Раздел сотовых стандартов уже завершён, и почти все операторы выбирали какой-то один тип связи. У нас в стране сегодня работает несколько десятков сотовых операторов, обслуживающих почти два миллиона пользователей. Московский оператор «Би Лайн», развернув свою сеть D-AMPS, не стал внедрять в том же диапазоне CDMA, а занялся европейским GSM 1800. Другой столичный оператор МТС начал с работы в GSM 900, а сейчас они оба делают основную ставку на двухдиапазонный GSM 900/1800. Старейшая российская сотовая сеть МСС вместе с СОТЕЛ по-прежнему продолжает охватывать необъятные просторы нашей Родины стандартом NMT-450i, подумывая о цифровизации. Региональные операторы успешно осваивают все стандарты сотовой связи, включая CDMA. Московская сеть СОНЕТ выбрала CDMA пока в стационарном, но в перспективе, естественно, в мобильном виде.

И если операторы предоставляют услуги в разных стандартах, то производители стараются максимально расширить возможности сотовых телефонов, делая их всё более функциональными и многостандартными. Объединение в одном корпусе спутникового, сотового и офисного радиотелефона сегодня идёт полным ходом, и в XXI в. будет вполне реально в пустыне звонить по спутниковому каналу, в городе – по сотовому, а в офисе – по местной радио-АТС, и всё это будет происходить по одному аппарату и единому личному номеру владельца телефона.

Ведущие компании-производители сотовых телефонов ориентируются на единый европейский стандарт – GSM. Именно поэтому их аппаратура технически совершенна, но относительно недорога. Ведь они могут позволить себе выпускать огромные партии телефонов, находящих сбыт.

Удобным дополнением к сотовому телефону стала система коротких сообщений SMS (Short Message Service). Она используется для передачи коротких сообщений прямо на телефон современной цифровой системы GSM без применения дополнительного оборудования, только с помощью цифровой клавиатуры и экранчика-дисплея сотового телефона. Приём SMS-сообщений производится также на цифровой дисплей, которым оснащён любой сотовый телефон. SMS можно использовать в тех случаях, когда обычный телефонный разговор не является самым удобным видом связи (например, в шумном переполненном поезде). Можно послать знакомому по SMS свой номер телефона. Из-за низкой стоимости SMS является альтернативой телефонному разговору. Максимальная величина SMS-сообщения составляет 160 символов. Посылать его можно несколькими способами: звонком в специальную службу, а также с помощью своего телефона GSM с функцией отправки, с помощью Интернета. Система SMS может обеспечивать дополнительные услуги: посылать на Ваш телефон GSM курс валют, прогноз погоды и т.д. По существу, телефон GSM с системой SMS является альтернативой пейджеру.

Но и система SMS – не последнее слово в сотовой связи. В наиболее современных сотовых телефонах (например, фирмы Nokia) появилась функция Chat (в русской версии – «диалог»). С её помощью можно общаться в режиме реального времени с другими владельцами сотовых телефонов, как это делается в Интернете. По существу, это новый вид обмена посланиями SMS. Для этого вы составляете послание своему собеседнику и отправляете его. Текст вашего послания появляется на дисплеях обоих сотовых телефонов – вашего и вашего собеседника. Потом он вам отвечает и на дисплеях высвечивается его послание. Таким образом, вы ведёте электронный диалог. Но если сотовый телефон вашего собеседника не поддерживает данную функцию, то он будет получать обычные SMS-сообщения.

Появились и сотовые телефоны с поддержкой высокоскоростного доступа в Интернет через GPRS (General Packet Radio Service) – стандарт пакетной передачи данных по радиоканалам, при котором телефону не нужно «дозваниваться»: аппарат постоянно поддерживает соединение, отправляет и принимает пакеты данных. Выпускаются и сотовые телефонные аппараты со встроенной цифровой фотокамерой.

По данным исследовательской компании Informa Telecoms & Media (ITM), число пользователей мобильной связи в мире в 2007 г. составляет 3,3 млрд чел.

Наконец, самые сложные и дорогие аппараты – это смартфоны и коммуникаторы, сочетающие возможности сотового телефона и карманного компьютера.

6.3.5. Технологии передачи сообщений Short Message Service (SMS)

Short Message Service (SMS) на сегодняшний день является самым распространённым и используемым способом отправки и получения коротких сообщений посредством мобильной связи стандарта GSM. SMS хорошо себя зарекомендовал как средство коммуникаций в направлении человек – человек и при отправке сообщений, носящих преимущественно информационный характер, от сервера к абоненту и между серверами.

Работа SMS обеспечивается за счёт SMS-центра (Short Message Service Center или SMSC), который выступает в качестве банка данных, где хранятся сообщения, и движущего средства, переправляющего их дальше. Короткие сообщения пересылаются по тому же каналу сотовой сети, что и телефонные звонки. А в случае сети, обеспечивающей пакетную передачу данных, сообщения могут отправляться даже непосредственно во время разговора по телефону.

В спецификациях к стандартным коротким сообщениям указано, что оно не может превышать 160 знаков. Теоретически, сообщение может быть в 255 раз больше, но, к сожалению, ни один из существующих телефонных аппаратов не сможет сохранить такое количество информации. В среднем их память рассчитана всего лишь на четыре полных сообщения.

6.3.6. Multimedia Message Service (MMS)

MMS относится к новому поколению решений для мобильных сообщений. До сих пор окончательно не стандартизированный этот сервис обещает добавить телефонам множество функций, которые не может обеспечить EMS.

Стандарт MMS предназначен для сетей GPRS, которые в отличие от более простого GSM обладают постоянным подключением к сети, более высокой пропускной способностью и возможностью пакетной передачи данных, что в совокупности с более мощными устройствами и обеспечивает переход к мультимедийным сообщениям.

Работа MMS основана на стандартах SMS и e-mail. Он включил в себя лучшее от обеих систем, и в результате получился «гибридный» стандарт, оптимизированный для использования с мобильными устройствами. Это позволяет упростить процесс интеграции с существующими системами, приложениями и, главное, пользователями. Одним из достоинств нового стандарта является то, что при отправке сообщения могут быть использованы как номера телефонов, так и адреса электронной почты.

Стандарт Multimedia Message Service позволяет включать в сообщение текст, картинки в формате JPEG, сжатые посредством кодировщика AMR аудиофайлы, SMS-сообщение, спрятанное внутри MMS.

В будущем MMS планируется добавить поддержку видеоформатов и различные «надбавки», например Synchronised Multimedia Integration Language (SMIL), которая позволит представлять медиаданные в структурированной форме.

Так же, как и SMS требует наличие некоего сервис-центра для хранения и отправки сообщений, для работы MMS необходим сервис-центр для управления потоком мультимедийных сообщений.

MMS-центр (в документации он называется MMS Relay/Server) отвечает за следующий набор задач:

Получение и отправка медиасообщений с и на мобильные устройства;

Конвертирование медиа-форматов в зависимости от возможностей телефонного аппарата, на которое отправляется сообщение;

Генерация информации о счёте;

Получение и доставка сообщений с и на зарубежные MMS-центры;

Получение и доставка сообщений с и на внешние системы, например электронную почту;

Получение и доставка сообщений внешним провайдерам, обеспечивающим дополнительные услуги.

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

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

Принцип действия сотовой связи

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

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

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

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

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

"ФИЗИОЛОГИЯ"

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

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

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

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

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

"АНАТОМИЯ"

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Знаете ли вы, что происходит после того, как вы набрали номер друга на мобильном телефоне? Как сотовая сеть находит его в горах Андалусии или на побережье далекого острова Пасхи? Почему иногда неожиданно разговор прерывается? На прошлой неделе я побывал в компании Beeline и попытался разобраться, как устроена сотовая связь…

Большая площадь населенной части нашей страны покрыта Базовыми Станциями (БС). В поле они выглядят как красно-белые вышки, а в городе спрятаны на крышах нежилых домов. Каждая станция ловит сигнал от мобильных телефонов на удалении до 35 километров и общается с мобильным телефоном по служебным или голосовым каналам.

После того, как вы набрали номер друга, ваш телефон связывается с ближайшей к вам Базовой Станцией (БС) по служебному каналу и просит выделить голосовой канал. Базовая Станция отправляет запрос на контроллер (BSC), а тот переадресует его на коммутатор (MSC). Если ваш друг является абонентом той же сотовой сети, то коммутатор сверится с Home Location Register (HLR), выяснит, где в данный момент находится вызываемый абонент (дома, в Турции или на Аляске), и переведет звонок на соответствующий коммутатор, откуда тот его переправит на контроллер и затем на Базовую Станцию. Базовая Станция свяжется с мобильным телефоном и соединит вас с другом. Если ваш друг абонент другой сети или вы звоните на городской телефон, то ваш коммутатор обратится к соответствующему коммутатору другой сети. Сложно? Давайте разберемся подробнее. Базовая Станция представляет из себя пару железных шкафов, запертых в хорошо кондиционируемом помещении. Учитывая, что в Москве было на улице +40, мне захотелось немного пожить в этом помещении. Обычно, Базовая Станция находится либо на чердаке здания, либо в контейнере на крыше:

2.

Антенна Базовой Станции разделена на несколько секторов, каждый из которых «светит» в свою сторону. Вертикальная антенна осуществляет связь с телефонами, круглая соединяет Базовую Станцию с контроллером:

3.

Каждый сектор может обслуживать до 72 звонков одновременно, в зависимости от настройки и конфигурации. Базовая Станция может состоять из 6 секторов, таким образом, одна Базовая Станция может обслуживать до 432 звонков, однако, обычно на станции установлено меньшее количество передатчиков и секторов. Сотовые операторы предпочитают ставить больше БС для улучшения качества связи. Базовая Станция может работать в трех диапазонах: 900 МГц — сигнал на этой частоте распространяется дальше и лучше проникает внутрь зданий 1800 МГц — сигнал распространяется на более короткие расстояния, но позволяет установить большее количество передатчиков на 1 секторе 2100 МГц — Сеть 3G Вот так выглядит шкаф с 3G оборудованием:

4.

На Базовые Станции в полях и деревнях устанавливают передатчики 900 МГц, а в городе, где Базовые Станции натыканы как иглы у ежика, в основном, связь осуществляется на частоте 1800 МГц, хотя на любой Базовой Станции могут присутствовать передатчики всех трех диапазонов одновременно.

5.

6.

Сигнал частотой 900 МГц может бить до 35 километров, хотя «дальность» некоторых Базовых Станций, стоящих вдоль трасс, может доходить до 70 километров, за счет снижения числа одновременно обслуживаемых абонентов на станции в два раза. Соответственно, наш телефон с его маленькой встроенной антенной также может передавать сигнал на расстояние до 70 километров… Все Базовые Станции проектируются таким образом, чтобы обеспечить оптимальное покрытие радиосигналом на уровне земли. Поэтому, несмотря на дальность в 35 километров, на высоту полета самолетов радиосигнал просто не посылается. Тем не менее, некоторые авиакомпании уже начали устанавливать на своих самолетах маломощные базовые станции, которые обеспечивают покрытие внутри самолета. Такая БС соединяется с наземной сотовой сетью с помощью спутникового канала. Система дополняется панелью управления, которая позволяет экипажу включать и выключать систему, а также отдельные типы услуг, например, выключать голос на ночных рейсах. Телефон может измерять уровень сигнала от 32 Базовых Станций одновременно. Информацию о 6-ти лучших (по уровню сигнала) он отправляет по служебному каналу, и уже контроллер (BSC) решает, какой БС передать текущий звонок (Handover), если вы находитесь в движении. Иногда телефон может ошибиться и перебросить вас на БС с худшим сигналом, в этом случае разговор может прерваться. Также может оказаться, что на Базовой Станции, которую выбрал ваш телефон, все голосовые линии заняты. В этом случае разговор также прервется. Еще мне рассказали о так называемой «проблеме верхних этажей». Если вы живете в пентхаусе, то иногда, при переходе из одной комнаты в другую, разговор может прерываться. Это происходит потому, что в одной комнате телефон может «видеть» одну БС, а во второй — другую, если она выходит на другую сторону дома, и, при этом эти 2 Базовые Станции находятся на большом удалении друг от друга и не прописаны как «соседние» у сотового оператора. В этом случае передача звонка с одной БС на другую происходить не будет:

Связь в метро обеспечивается так же, как и на улице: Базовая Станция – контроллер – коммутатор, с той лишь разницей, что применяются там маленькие Базовые Станции, а в тоннеле покрытие обеспечивается не обычной антенной, а специальным излучающим кабелем. Как я уже писал выше, одна БС может производить до 432 звонков одновременно. Обычно этой мощности хватает за глаза, но, например, во время некоторых праздников БС может не справиться с количеством желающих позвонить. Обычно это случается на Новый Год, когда все начинают поздравлять друг друга. SMS передаются по служебным каналам. На 8 марта и 23 февраля люди предпочитают поздравлять друг друга с помощью SMS, пересылая смешные стишки, и телефоны зачастую не могут договориться с БС о выделении голосового канала. Мне рассказали интересный случай. Из одного района Москвы стали поступать жалобы от абонентов о том, что они не могут никуда дозвониться. Технические специалисты стали разбираться. Большинство голосовых каналов было свободно, а все служебные были заняты. Оказалось, что рядом с этой БС находился институт, в котором шли экзамены и студенты беспрерывно обменивались эсэмэсками. Длинные SMS телефон делит на несколько коротких и отправляет каждое отдельно. Сотрудники технической службы советуют отправлять такие поздравления с помощью MMS. Это будет быстрее и дешевле. С Базовой Станции звонок попадает на контроллер. Выглядит он так же скучно, как и сама БС — это просто набор шкафов:

7.

В зависимости от оборудования, контроллер может обслуживать до 60 Базовых Станций. Связь между БС и контроллером (BSC) может осуществляться по радиорелейному каналу либо по оптике. Контроллер осуществляет управление работой радиоканалов, в т.ч. контролирует передвижение абонента, передачу сигнала с одной БС на другую. Гораздо интереснее выглядит коммутатор:

8.

9.

Каждый коммутатор обслуживает от 2 до 30 контроллеров. Он занимает уже большой зал, заставленный различными шкафами с оборудованием:

10.

11.

12.

Коммутатор осуществляет управление трафиком. Помните старые фильмы, где люди сначала дозванивались до «девушки», а затем она уже соединяла их с другим абонентом, перетыкивая проводки? Этим же занимаются и современные коммутаторы:

13.

Для контроля за сетью у Билайна есть несколько автомобилей, которые они ласково называют «ежики». Они передвигаются по городу и измеряют уровень сигнала собственной сети, а также уровень сети коллег из «Большой Тройки»:

14.

Вся крыша такого автомобиля утыкана антеннами:

15.

Внутри стоит оборудование, осуществляющее сотни звонков и снимающее информацию:

16.

Круглосуточный контроль за коммутаторами и контроллерами осуществляется из Центра Управления Полетами Центра Контроля Сети (ЦКС):

17.

Существует 3 основных направления по контролю за сотовой сетью: аварийность, статистика и обратная связь от абонентов. Так же, как и в самолетах, на всем оборудовании сотовой сети стоят датчики, которые посылают сигнал в ЦКС и выводят информацию на компьютеры диспетчеров. Если какое-то оборудование вышло из строя, то на мониторе начнет «мигать лампочка». ЦКС также отслеживает статистику по всем коммутаторам и контроллерам. Он анализирует ее, сравнивая с предыдущими периодами (часом, сутками, неделей и т.д.). Если статистика какого-то из узлов стала резко отличаться от предыдущих показателей, то на мониторе опять начнет «мигать лампочка». Обратную связь принимают операторы абонентской службы. Если они не могут решить проблему, то звонок переводится на технического специалиста. Если же и он оказывается бессильным, то в компании создается «инцидент», который решают инженеры, занимающиеся эксплуатацией соответствующего оборудования. За коммутаторами круглосуточно следят по 2 инженера:

18.

На графике показана активность московских коммутаторов. Хорошо видно, что ночью практически никто не звонит:

19.

Контроль за контроллерами (простите за тавтологию) осуществляется со второго этажа Центра Контроля Сети:

22.

21.

Принцип работы радиосвязи

Радио (лат.radio- излучаю, испускаю лучи radius- луч) - разновидность беспроводной связи, при которой в качестве носителя сигнала используются радиоволны, свободно распространяемые в пространстве.

Принцип работы
Передача происходит следующим образом: на передающей стороне формируется сигнал с требуемыми характеристиками (частота и амплитуда сигнала). Далее передаваемыйсигналмодулируетболее высокочастотное колебание (несущее). Полученный модулированный сигнал излучается антенной в пространство. На приёмной стороне радиоволны наводят модулированный сигнал в антенне, после чего он демодулируется (детектируется) и фильтруется ФНЧ (избавляясь тем самым от высокочастотной составляющей- несущей).Полученный модулированный сигнал излучается антенной в пространство.
На приёмной стороне радиоволны наводят модулированный сигнал в антенне, после чего он демодулируется (детектируется) и фильтруется ФНЧ (избавляясь тем самым от высокочастотной составляющей- несущей).). Таким образом, происходит извлечение полезного сигнала. Получаемый сигнал может несколько отличаться от передаваемого передатчиком (искажения вследствие помех и наводок).

Частотные диапазоны
Частотная сетка, используемая в радиосвязи, условно разбита на диапазоны:

• Длинные волны(ДВ)- f = 150-450 кГц (л = 2000-670 м)
• Средние волны(СВ)- f = 500-1600 кГц (л = 600-190 м)
• Короткие волны(КВ)- f = 3-30 МГц (л = 100-10 м)
• Ультракороткие волны(УКВ)- f = 30 МГц- 300 МГц (л = 10-1 м)
• Высокие частоты (ВЧ- сантиметровый диапазон)- f = 300 МГц- 3 ГГц (л = 1-0,1 м)
• Крайне высокие частоты (КВЧ- миллиметровый диапазон)- f = 3 ГГц- 30 ГГц (л = 0,1-0,01 м)
• Гипервысокие частоты (ГВЧ- микрометровый диапазон)- f = 30 ГГц- 300 ГГц (л = 0,01-0,001 м)

В зависимости от диапазона радиоволны имеют свои особенности и законы распространения:

• ДВ сильно поглощаются ионосферой, основное значение имеют приземные волны, которые распространяются, огибая землю. Их интенсивность по мере удаления от передатчика уменьшается сравнительно быстро.
• СВ сильно поглощаются ионосферой днём, и район действия определяется приземной волной, вечером хорошо отражаются от ионосферы и район действия определяется отражённой волной.
• КВ распространяются исключительно посредством отражения ионосферой, поэтому вокруг передатчика существует т.н.зона радиомолчания. Днём лучше распространяются более короткие волны (30 МГц), ночью- более длинные (3 МГц). Короткие волны могут распространяться на большиме расстояния при малой мощности передатчика.
• УКВ распространяются прямолинейно и, как правило, не отражаются ионосферой. Легко огибают препятствия и имеют высокую проникающую способность.
• ВЧ не огибают препятствия, распространяются в пределах прямой видимости. Используются в WiFi, сотовой связи ит.д.
• КВЧ не огибают препятствия, отражаются большинством препятствий, распространяются в пределах прямой видимости. Используются для спутниковой связи.
• Гипервысокие частоты не огибают препятствия, отражаются подобно свету, распространяются в пределах прямой видимости. Использование ограничено.

Распространение радиоволн
Радиоволны распространяются в пустоте и в атмосфере; земная твердь и вода для них непрозрачны. Однако, благодаря эффектам дифракции и отражения, возможна связь между точками земной поверхности, не имеющими прямой видимости (в частности, находящимися на большом расстоянии).
Распространение радиоволн от источника к приёмнику может происходить несколькими путями одновременно. Такое распространение называетсямноголучёвостью. Вследствие многолучёвости и изменений параметров среды, возникаютзамирания(англ.fading)- изменение уровня принимаемого сигнала во времени. При многолучёвости изменение уровня сигнала происходит вследствие интерференции, то есть в точке приёма электромагнитное поле представляет собой сумму смещённых во времени радиоволн диапазона.

Радиолокация

Радиолока́ция - область науки и техники, объединяющая методы и средства обнаружения, измерения координат, а также определение свойств и характеристик различных объектов, основанных на использовании радиоволн. Близким и отчасти перекрывающимся термином является радионавигация, однако в радионавигации более активную роль играет объект, координаты которого измеряются, чаще всего это определение собственных координат. Основное техническое приспособление радиолокации - радиолокационная станция (англ. Radar).

Различают активную, полуактивную, активную с пассивным ответом и пассивную РЛ. Подразделяются по используемому диапазону радиоволн, по виду зондирующего сигнала, числу применяемых каналов, числу и виду измеряемых координат, месту установки РЛС.

Принцип действия

Радиолокация основана на следующих физических явлениях:

• Радиоволны рассеиваются на встретившихся на пути их распространения электрических неоднородностях (объектами с другими электрическими свойствами, отличными от свойств среды распространения). При этом отражённая волна, также, как и собственно, излучение цели, позволяет обнаружить цель.
• На больших расстояниях от источника излучения можно считать, что радиоволны распространяются прямолинейно и с постоянной скоростью, благодаря чему имеется возможность измерять дальность и угловые координаты цели (Отклонения от этих правил, справедливых только в первом приближении, изучает специальная отрасль радиотехники - Распространение радиоволн. В радиолокации эти отклонения приводят к ошибкам измерения).
• Частота принятого сигнала отличается от частоты излучаемых колебаний при взаимном перемещении точек приёма и излучения (эффект Доплера), что позволяет измерять радиальные скорости движения цели относительно РЛС.
• Пассивная радиолокация использует излучение электромагнитных волн наблюдаемыми объектами, это может быть тепловое излучение, свойственное всем объектам, активное излучение, создаваемое техническими средствами объекта, или побочное излучение, создаваемое любыми объектами с работающими электрическими устройствами.

Сотовая связь

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 базовых станций (БС). Соты частично перекрываются и вместе образуют сеть. На идеальной (ровной и без застройки) поверхности зона покрытия одной БС представляет собой круг, поэтому составленная из них сеть имеет вид сот с шестиугольными ячейками (сотами).

Сеть составляют разнесённые в пространстве приёмопередатчики, работающие в одном и том же частотном диапазоне, и коммутирующее оборудование, позволяющее определять текущее местоположение подвижных абонентов и обеспечивать непрерывность связи при перемещении абонента из зоны действия одного приёмопередатчика в зону действия другого.

Принцип действия сотовой связи

Основные составляющие сотовой сети - это сотовые телефоны и базовые станции, которые обычно располагают на крышах зданий и вышках. Будучи включённым, сотовый телефон прослушивает эфир, находя сигнал базовой станции. После этого телефон посылает станции свой уникальный идентификационный код. Телефон и станция поддерживают постоянный радиоконтакт, периодически обмениваясь пакетами. Связь телефона со станцией может идти по аналоговому протоколу (AMPS, NAMPS, NMT-450) или по цифровому (DAMPS, CDMA, GSM, UMTS). Если телефон выходит из поля действия базовой станции (или качество радиосигнала сервисной соты ухудшается), он налаживает связь с другой (англ. handover ).

Сотовые сети могут состоять из базовых станций разного стандарта, что позволяет оптимизировать работу сети и улучшить её покрытие.

Сотовые сети разных операторов соединены друг с другом, а также со стационарной телефонной сетью. Это позволяет абонентам одного оператора делать звонки абонентам другого оператора, с мобильных телефонов на стационарные и со стационарных на мобильные.

Операторы могут заключать между собой договоры роуминга. Благодаря таким договорам абонент, находясь вне зоны покрытия своей сети, может совершать и принимать звонки через сеть другого оператора. Как правило, это осуществляется по повышенным тарифам. Возможность роуминга появилась лишь в стандартах 2G и является одним из главных отличий от сетей 1G.

Операторы могут совместно использовать инфраструктуру сети, сокращая затраты на развертывание сети и текущие издержки.

Услуги сотовой связи

Операторы сотовой связи предоставляют следующие услуги:

• Голосовой звонок;
• Автоответчик в сотовой связи (услуга);
• Роуминг;
• АОН (Автоматический определитель номера) и АнтиАОН;
• Приём и передача коротких текстовых сообщений (SMS);
• Приём и передача мультимедийных сообщений - изображений, мелодий, видео (MMS-сервис);
• Мобильный банк (услуга);
• Доступ в Интернет;
• Видеозвонок и видеоконференция

Телевидение

Телеви́дение (греч. τήλε - далеко и лат. video - вижу; от новолатинского televisio - дальновидение) - комплекс устройств для передачи движущегося изображения и звука на расстояние. В обиходе используется также для обозначения организаций, занимающихся производством и распространением телевизионных программ.

Основные принципы

Телевидение основано на принципе последовательной передачи элементов изображения с помощью радиосигнала или по проводам. Разложение изображения на элементы происходит при помощи диска Нипкова, электронно-лучевой трубки или полупроводниковой матрицы. Количество элементов изображения выбирается в соответствии с полосой пропускания радиоканала и физиологическими критериями. Для сужения полосы передаваемых частот и уменьшения заметности мерцания экрана телевизора применяют чересстрочную развёртку. Также она позволяет увеличить плавность передачи движения.

Телевизионный тракт в общем виде включает в себя следующие устройства:

1. Телевизионная передающая камера. Служит для преобразования изображения, получаемого при помощи объектива на мишени передающей трубки или полупроводниковой матрице, в телевизионный видеосигнал.
2. Видеомагнитофон. Записывает и в нужный момент воспроизводит видеосигнал.
3. Видеомикшер. Позволяет переключаться между несколькими источниками изображения: видеокамерами, видеомагнитофонами и другими.
4. Передатчик. Сигнал радиочастоты модулируется телевизионным видеосигналом и передается по радио или по проводам.
5. Приёмник - телевизор. С помощью синхроимпульсов, содержащихся в видеосигнале, телевизионное изображение воспроизводится на экране приемника (кинескоп, ЖК-дисплей, плазменная панель).

Кроме того, для создания телевизионной передачи используется звуковой тракт, аналогичный тракту радиопередачи. Звук передаётся на отдельной частоте обычно при помощи частотной модуляции, по технологии, аналогичной FM-радиостанциям. В цифровом телевидении звуковое сопровождение, часто многоканальное, передаётся в общем с изображением потоке данных.