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.

Мобильная сотовая связь

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

Примечательно, что в английском варианте связь называется «ячеистой» или «клеточной» (cellular), что не учитывает шестиугольности сот .

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.

История

Первое использование подвижной телефонной радиосвязи в США относится к 1921 г.: полиция Детройта использовала одностороннюю диспетчерскую связь в диапазоне 2 МГц для передачи информации от центрального передатчика к приёмникам, установленным на автомашинах. В 1933 г. полиция Нью-Йорка начала использовать систему двусторонней подвижной телефонной радиосвязи также в диапазоне 2 МГц. В 1934 г. Федеральная комиссия связи США выделила для телефонной радиосвязи 4 канала в диапазоне 30…40 МГц, и в 1940 г. телефонной радиосвязью пользовались уже около 10 тысяч полицейских автомашин. Во всех этих системах использовалась амплитудная модуляция . Частотная модуляция начала применяться с 1940 г. и к 1946 г. полностью вытеснила амплитудную. Первый общественный подвижный радиотелефон появился в 1946 г. (Сент-Луис, США; фирма Bell Telephone Laboratories), в нём использовался диапазон 150 МГц. В 1955 г. начала работать 11-канальная система в диапазоне 150 МГц, а в 1956 г. - 12-канальная система в диапазоне 450 МГц. Обе эти системы были симплексными, и в них использовалась ручная коммутация. Автоматические дуплексные системы начали работать соответственно в 1964 г. (150 МГц) и в 1969 г. (450 МГц).

В СССР В 1957 г. московский инженер Л. И. Куприянович создал опытный образец носимого автоматического дуплексного мобильного радиотелефона ЛК-1 и базовую станцию к нему. Мобильный радиотелефон весил около трех килограммов и имел радиус действия 20-30 км. В 1958 году Куприянович создает усовершенствованные модели аппарата весом 0,5 кг и размером с папиросную коробку. В 60-х гг Христо Бочваров в Болгарии демонстрирует свой опытный образец карманного мобильного радиотелефона. На выставке «Интероргтехника-66» Болгария представляет комплект для организации местной мобильной связи из карманных мобильных телефонов РАТ-0,5 и АТРТ-0,5 и базовой станции РАТЦ-10, обеспечивающей подключение 10 абонентов.

В конце 50-х гг в СССР начинается разработка системы автомобильного радиотелефона «Алтай» , введенная в опытную эксплуатацию в 1963 г. Система «Алтай» первоначально работала на частоте 150 МГц. В 1970 г. система «Алтай» работала в 30 городах СССР и для нее был выделен диапазон 330 МГц.

Аналогичным образом, с естественными отличиями и в меньших масштабах, развивалась ситуация и в других странах. Так, в Норвегии общественная телефонная радиосвязь использовалась в качестве морской мобильной связи с 1931 г.; в 1955 г. в стране было 27 береговых радиостанций. Наземная мобильная связь начала развиваться после второй мировой войны в виде частных сетей с ручной коммутацией. Таким образом, к 1970 г. подвижная телефонная радиосвязь, с одной стороны, уже получила достаточно широкое распространение, но с другой - явно не успевала за быстро растущими потребностями, при ограниченном числе каналов в жёстко определённых полосах частот. Выход был найден в виде системы сотовой связи, что позволило резко увеличить ёмкость за счёт повторного использования частот в системе с ячеистой структурой.

Конечно, как это обычно бывает в жизни, отдельные элементы системы сотовой связи существовали и раньше. В частности, некоторое подобие сотовой системы использовалось в 1949 г. в Детройте (США) диспетчерской службой такси - с повторным использованием частот в разных ячейках при ручном переключении каналов пользователями в оговоренных заранее местах. Однако архитектура той системы, которая сегодня известна как система сотовой связи, была изложена только в техническом докладе компании Bell System, представленном в Федеральную комиссию связи США в декабре 1971 г. И с этого времени начинается развитие собственно сотовой связи, которое стало поистине триумфальным с 1985 г., в последние десять с небольшим лет.

В 1974 г. Федеральная комиссия связи США приняла решение о выделении для сотовой связи полосы частот в 40 МГц в диапазоне 800 МГц; в 1986 г. к ней было добавлено ещё 10 МГц в том же диапазоне. В 1978 г. в Чикаго начались испытания первой опытной системы сотовой связи на 2 тыс. абонентов. Поэтому 1978 год можно считать годом начала практического применения сотовой связи. Первая автоматическая коммерческая система сотовой связи была введена в эксплуатацию также в Чикаго в октябре 1983 г. компанией American Telephone and Telegraph (AT&T). В Канаде сотовая связь используется с 1978 г., в Японии - с 1979 г., в Скандинавских странах (Дания, Норвегия, Швеция, Финляндия) - с 1981 г., в Испании и Англии - с 1982 г. По состоянию на июль 1997 г. сотовая связь работала более чем в 140 странах всех континентов, обслуживая более 150 млн абонентов.

Первой коммерчески успешной сотовой сетью была финская сеть Autoradiopuhelin (ARP). Это название переводится на русский как «Автомобильный радиотелефон». Запущенная в г., она достигла 100%-ного покрытия территории Финляндии в . Размер соты был равен около 30 км , в г. в ней было более 30 тыс. абонентов . Работала она на частоте 150 МГц .

Принцип действия сотовой связи

Основные составляющие сотовой сети - это сотовые телефоны и базовые станции . Базовые станции 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 (NMT-450) или по цифровому (DAMPS , GSM, 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 разных стран могут заключать договоры роуминга . Благодаря таким договорам абонент, находясь за границей, может совершать и принимать звонки через сеть другого оператора (правда, по повышенным тарифам).

Сотовая связь в России

В России сотовая связь начала внедряться с 1990 г., коммерческое использование началось с 9 сентября 1991 г., когда в Санкт-Петербурге компанией «Дельта Телеком» была запущена первая в России сотовая сеть (работала в стандарте NMT-450) и был совершён первый символический звонок по сотовой связи мэром Санкт-Петербурга Анатолием Собчаком . К июлю 1997 г. общее число абонентов в России составило около 300 тысяч. На 2007 год основные протоколы сотовой связи, используемые в России - GSM-900 и GSM-1800 . Помимо этого, работают и UMTS. В частности, первый фрагмент сети этого стандарта в России был введён в эксплуатацию 2 октября 2007 года в Санкт-Петербурге компанией «МегаФон ». В Свердловской области продолжает эксплуатироваться сеть сотовой связи стандарта DAMPS , принадлежащей компании Сотовая Связь «МОТИВ» .

В России в декабре 2008 г насчитывалось 187,8 млн пользователей сотовой связи (по числу проданных сим-карт). Уровень проникновения сотовой связи (количество SIM-карт на 100 жителей) на эту дату составил, таким образом, 129,4 %. В регионах, без учёта Москвы, уровень проникновения превысил 119,7 %.

Доля рынка крупнейших сотовых операторов на декабрь 2008 года составила: 34,4 % у МТС , 25,4 % у «Вымпелкома » и 23,0 % у «МегаФона ».

В декабре 2007 года число пользователей сотовой связи в России выросло до 172,87 млн абонентов, в Москве - до 29,9, в Питере - до 9,7 млн. Уровень проникновения в России - до 119,1 %, Москве - 176 %, Санкт-Петербурге - 153 %. Доля рынка крупнейших сотовых операторов на декабрь 2007 года составила: МТС 30,9 %, «ВымпелКом» 29,2 %, «МегаФон» 19,9 %, другие операторы 20 %.

Согласно данным британской исследовательской компании Informa Telecoms & Media за 2006 год, средняя стоимость минуты сотовой связи для потребителя в России составила $0,05 - это самый низкий показатель из стран «большой восьмёрки ».

Компания IDC на основе исследования российского рынка сотовой связи сделала вывод, что в 2005 году общая продолжительность разговоров по сотовому телефону жителей РФ достигла 155 миллиардов минут, а текстовых сообщений было отправлено 15 миллиардов штук.

Согласно исследованию компании J"son & Partners, количество зарегистрированных в России сим-карт по состоянию на конец ноября 2008 года достигло 183,8 млн .

См. также

Источники

Ссылки

• Информационный сайт о поколениях и стандартах сотовой связи .
• Сотовая связь в России 2002-2007, данные официальной статистики

Сотовая связь в России
Сотовые операторы	Utel Акос Алтайсвязь Байкалвестком Билайн ЕТК МегаФон Мотив МТС НСС НТК СМАРТС Скай Линк Сонет Сотел ССБ СТеК GSM ТомскТелеКом УУСС Цифровая экспансия‎
Сети продаж сотовых телефонов	Divizion Simфония АльтТелеком Банзай Беталинк Евросеть ИОН Связной Спектр Связи Телефон.Ру Телефорум Точка Ультра Цифроград Эльдорадо
Стандарты сотовой связи	D-AMPS GSM IMT-MC-450 IS-95

Принцип работы сотовой связи

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

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

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

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

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

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

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

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

Всенаправленные антенны излучают и принимают сигналы одинаково во всех направлениях.

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

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

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

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

Рисунок 6.3 – Принцип повторного использования частот в сотовой связи

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

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

F = GN (6.1)

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

G – число каналов в соте;

N – число сот в кластере.

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

C = mGN = mF (6.2)

где С – суммарное число каналов в заданной зоне;

m – число кластеров в заданной зоне.

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

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

(6.3)

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

С – общее число полнодуплексных каналов в соте.

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

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

(6.4)

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

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

Перемещение на i сот (через центры соседних сот):

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

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 6.6 – Передача обслуживания

Люди уже давно научились общаться на расстоянии. В древности с вестями посылали гонца, позже писали письма. Теперь, чтобы сказать далёкому другу пару слов, можно просто позвонить ему. Главное иметь при себе сотовый телефон. Но как они соединяются между собой, если у них даже нет проводов? В этом рассказе я расскажу вам как работает телефон.

Что это такое?

Мобильный телефон больше похож на рацию, чем на обычный проводнойтелефон. Для передачи сигнала используются радиоволны.

Разница в том, что рации подключены к одной антенне, и могут соединяться, лишь поймав сигнал от неё. Сотовые телефоны не привязаны к конкретной станции. Во время передвижения они подключаются к той антенне, от которой поступает самый сильный сигнал, поэтому мы можем пользоваться связью практически во всем мире, не меняя сим-карту. Антенны, или базовые станции, построены по всему миру, они прячутся в рекламных щитах, часах, столбах и даже в деревьях. Каждая из них отвечает за свою зону, имеющую форму шестиугольника. На схемах эти граничащие друг с другом территории напоминают пчелиные соты. Отсюда и название - сотовая связь.

Кто был первым?

Как вы думаете, кто самым первым поговорил по мобильному телефону? Разумеется, что это был сотрудник компании Motorola, которая их выпустила. В 1973 году, находясь на одной из улиц Нью-Йорка, он позвонил и похвастался звонком с необычного в то время телефона своему главному конкуренту. Этот телефон стал прототипом первого мобильника, поступившего на прилавки магазинов спустя 10 лет.

Чтобы телефон заработал, нужно вставить в него сим-карту. На ней записана информация об абоненте, то есть о человеке, который ею пользуется. Мобильный телефон начинает проверять все доступные ему частоты, их около 160. Шесть лучших сигналов записываются на сим-карту, это и есть сигналы именно вашей сети.

После того как вы набрали номер вашего приятеля, ваш телефон передает информацию о вас на антенну с самым мощным сигналом. Ваш оператор (например, МТС или Билайн) узнаёт вас, находит свободный канал, на котором может происходить ваш разговор, и соединяет вас. Все это занимает всего несколько секунд.

Сам разговор - это достаточно сложный технический процесс. Наш голос разбивается на отрезки длительностью 20 миллисекунд и преобразовывается в цифровой формат, затем кодируется специальной системой. Зашифрованные сигналы обрабатываются ещё раз, чтобы убрать посторонний шум.

Сейчас сотовый телефон служит не только для разговоров. В одном маленьком устройстве умещается такие простые механизмы как простые часы, будильник, калькулятор, календарь, фонарик, так и сложные фотоаппарат, выход в интернет, плеер и многое другое.

Сотовым телефоном пользовались практически все, но мало кто задумывался – как же все это работает? В данном литературном опусе мы попытаемся рассмотреть, как же происходит связь с точки зрения Вашего оператора связи.

Когда Вы набираете номер и начинаете звонить, ну, или Вам кто-нибудь звонит, то Ваш аппарат по радиоканалу связывается с одной из антенн ближайшей базовой станции.

Каждая из базовых станций содержит от одной до двенадцати приемо-передающих антенн, направленных в разные стороны, чтобы обеспечить связью абонентов со всех сторон. На профессиональном жаргоне антенны также называют «секторами». Вы их сами наверняка неоднократно видели – большие серые прямоугольные блоки.

От антенны сигнал по кабелю передается непосредственно в управляющий блок базовой станции. Совокупность секторов и управляющего блока обычно и называется – BS, Base Station, базовая станция . Несколько базовых станций, чьи антенны обслуживают какую-либо определенную территорию или район города, подсоединены к специальному блоку – так называемому LAC, Local Area Controller, «контроллер локальной зоны» , часто называемому просто контроллером . К одному контроллеру обычно подключается до 15 базовых станций.

В свою очередь, контроллеры, которых также может быть несколько, подключены к самому центральному «мозговому» блоку – MSC, Mobile services Switching Center, Центр Управления Мобильными услугами , в простонародье более известный как коммутатор . Коммутатор обеспечивает выход (и вход) на городские телефонные линии, на других операторов сотовой связи и так далее.

То есть в итоге вся схема выглядит примерно так:

В небольших GSM-сетях используется только один коммутатор, в более крупных, обслуживающих более миллиона абонентов, могут использоваться два, три и более MSC , объединенных между собой.

Зачем же такая сложность? Казалось бы, можно антенны просто подключить к коммутатору – и все, никаких проблем бы не было... Но не все так просто. Дело тут в одном простом английском слове – handover . Этим термином обозначается эстафетная передача обслуживания в сотовых сетях. То есть, когда вы идете по улице или едите на машине (электричке, велосипеде, роликовых коньках, асфальтоукладчике...) и при этом разговариваете по телефону, то, для того чтобы связь не прерывалась (а она не прерывается), необходимо вовремя переключать Ваш телефон из одного сектора в другой, из одной BS в другую, из одной Local Area в другую и так далее. Соответственно, если бы сектора были напрямую подключены к коммутатору, то всеми этими переключениями пришлось бы управлять коммутатору, которому и без того есть, чем заняться. Многоуровневая схема сети дает возможность равномерно распределить нагрузку, что снижает вероятность отказа оборудования и, как следствие, потери связи.

Пример – если вы с телефоном переходите из зоны действия одного сектора в зону действия другого, то переводом телефона занимается управляющий блок BS, не затрагивая при этом «вышестоящие» устройства – LAC и MSC . Соответственно, если переход происходит между разными BS , то им управляет LAC и так далее.

Работу коммутатора следует рассмотреть чуть подробнее. Коммутатор в сотовой сети осуществляет практически те же функции, что и АТС в проводных телефонных сетях. Именно он определяет, куда Вы звоните, кто Вам звонит, отвечает за работу дополнительных услуг, и, в конце концов – вообще, определяет, можно ли звонить или нет.

На последнем пункте остановимся – а что происходит, когда Вы включаете свой телефон?

Вот, включаете Вы свой телефон. На Вашей SIM-карте есть специальный номер, так называемый IMSI – International Subscriber Identification Number, Международный Опознавательный Номер Абонента . Это номер уникален для каждой SIM-карты в мире, и как раз по нему операторы отличают одного абонента от другого. При включении телефона он посылает этот код, базовая станция передает его на LAC, LAC – на коммутатор, в свою очередь. Тут в действие вступают два дополнительных модуля, связанных с коммутатором – HLR, Home Location Register и VLR, Visitor Location Register . Соответственно, Регистр Домашних Абонентов и Регистр Гостевых Абонентов . В HLR хранятся IMSI всех абонентов, которые подключены к данному оператору. В VLR в свою очередь содержатся данные обо всех абонентах, которые в данный момент пользуются сетью данного оператора. IMSI передается в HLR (разумеется, в сильно зашифрованном виде; вдаваться подробно в особенности шифрования мы не будем, скажем только, что за этот процесс отвечает еще один блок – AuC, Центр Аутентификации), HLR , в свою очередь, проверяет – есть ли у него такой абонент, и, если есть, то не заблокирован ли он, например, за неуплату. Если все в порядке, то этот абонент прописывается в VLR и с этого момента может совершать звонки. У крупных операторов может быть не один, а несколько параллельно работающих HLR и VLR . А теперь попробуем все вышесказанное отобразить на рисунке:

Вот мы вкратце рассмотрели, как работает сотовая сеть. На самом деле там все куда сложнее, но если описывать все как есть досконально, то данное изложение по объему вполне может превысить «Войну и мир».

Далее мы рассмотрим, а как (и главное – за что!) оператор списывает у нас деньги со счета. Как Вы уже наверное слышали, тарифные планы бывают трех разных типов – так называемые «кредитные», «авансовые» и «припейд», от английского Pre-Paid , то есть предоплаченный. В чем же различие? Рассмотрим, как может происходить списание денег при разговоре:

Допустим, Вы куда-либо позвонили. На коммутаторе зафиксировалось – абонент такой-то звонил туда-то, поговорил, допустим, сорок пять секунд.

Первый случай – у Вас кредитная или авансовая система оплаты. В таком случае происходит следующее: данные о Ваших и не только Ваших звонках накапливаются в коммутаторе и затем, в порядке общей очереди, передаются в специальный блок, называемый Биллингом , от английского to bill – платить по счетам. Биллинг отвечает за все вопросы, связанные с деньгами абонентов – рассчитывает стоимость звонков, списывает абонентскую плату, списывает деньги за услуги и так далее.

Скорость передачи информации из MSC в Биллинг зависит от того, какова вычислительная мощность биллинга , или, другими словами, с какой скоростью он успевает переводить технические данные о совершенных звонках в непосредственные деньги. Соответственно, чем больше абоненты разговаривают, или чем более «тормозной» биллинг, тем медленнее будет двигаться очередь, соответственно, тем больше будет задержка между самим разговором и фактическим списанием денег за этот разговор. С этим фактом связано часто высказываемое некоторыми абонентами недовольство – «Мол, деньги воруют! Два дня не разговаривал – энную сумму списали...». Но при этом совсем не учитывается, что за разговоры, которые происходили, например, три дня назад, деньги-то сразу и не списали... Хорошее люди стараются не замечать... А в эти дни, например, биллинг мог просто не работать – из-за аварии, или из-за того, что его как-нибудь модернизировали.

В обратную сторону – от биллинга к MSC – стоит другая очередь, в которой биллинг сообщает коммутатору о состоянии счетов абонентов. Опять же довольно частый случай – задолженность счета может достигать нескольких десятков долларов, а по телефону еще можно звонить – это как раз из-за того, что «обратная» очередь еще не подошла и коммутатор пока не знает о том, что Вы злостные неплательщик и Вас давно надо заблокировать.

Авансовый же от кредитного тарифы отличаются лишь способом расчета с абонентом – в первом случае человек вносит какую-либо сумму на счет, и деньги за разговоры постепенно вычитаются из этой суммы. Это способ удобен тем, что позволяет в какой-то мере планировать и ограничивать свои расходы на связь. Второй вариант – кредитный, при котором суммарная стоимость всех разговоров за какой-либо период («биллинговый цикл »), обычно за месяц, выставляется в виде счета, который абонент должен оплатить. Кредитная система удобна тем, что страхует Вас от тех случаев, когда срочно необходимо позвонить, а деньги на счету вдруг закончились и телефон заблокирован.

Припейды устроены совсем по-другому:

В припейде биллинг как таковой обычно называют «Припейд платформой ».

Непосредственно в момент начала телефонного соединения устанавливается прямая связь между коммутатором и припейд платформой . Никаких очередей, данные передаются в обе стороны непосредственно в процессе разговора, в режиме реального времени. В связи с этим припейдам присущи следующие характерные черты – это отсутствие абонентской платы (так как нет такого понятия, как биллинговый период ), ограниченный набор дополнительных услуг (их технически трудно тарифицировать в режиме «реального времени»), невозможность «уйти в минус» - разговор просто прервется, как только кончатся деньги на счету. Явным достоинством припейдов является возможность точно контролировать количество денег на счету, и, как следствие, свои расходы.

В припейдах еще иногда наблюдается некоторое забавное явление – если припейд платформа по каким либо причинам отказывается работать, например, из-за перегрузки, то, соответственно, для абонентов припейд-тарифов в это время все звонки становятся абсолютно бесплатными. Что, собственно, их – абонентов - не может не радовать.

А как же рассчитываются наши деньги, когда мы разговариваем, находясь в роуминге ? Да и как вообще телефон работает в роуминге? Что же, попробуем ответить и на эти вопросы:

Номер IMSI состоит из 15-ти цифр, и первые 5 цифр, так называемые СС – Country Code (3 цифры) и NC – Network Code (5 цифр) – четко характеризуют оператора, к которому подключен данный абонент. По этим пяти цифрам VLR гостевого оператора находит HLR домашнего оператора и смотрит в нем – а, собственно, можно ли этому абоненту пользоваться роумингом у данного оператора? Если да, то IMSI прописывается у VLR гостевого оператора, а в HLR домашнего – ссылка на тот самый гостевой VLR , чтобы знать, где искать абонента.

Со списанием денег в биллинге ситуация тоже не очень простая. Из-за того, что звонки обрабатывает гостевой коммутатор, но деньги подсчитывает свой, «домашний» биллинг , вполне возможны большие задержки в списании средств – до месяца. Хотя существуют и системы, например, «Camel2 », которые и в роуминге работают по принципу припейда, то есть списывают деньги в реальном времени.

Тут возникает очередной вопрос – а за что списываются деньги в роуминге ? Если «дома» все понятно – есть четко прописанные тарифные планы, то с роумингом ситуация другая – денег списывают много и непонятно, за что. Ну что же, попробуем разобраться:

Все телефонные звонки в роуминге делятся на 3 основных категории:

Входящие звонки – в таком случае стоимость звонка складывается из:

Стоимости международного звонка из дома в гостевой регион
+
Стоимость входящего звонка у гостевого оператора
+
Некая надбавка, зависящая от конкретного гостевого оператора

Исходящий звонок домой:

Стоимость международного звонка из гостевого региона домой
+
Стоимость исходящего звонка у гостевого оператора

Исходящий звонок по гостевому региону:

Стоимость исходящего звонка у гостевого оператора
+
Некая надбавка, зависящая от конкретного оператора

Как видно, стоимость звонков в роуминге зависит только от двух вещей – от того, к какому оператору абонент подключен дома и того, каким оператором абонент пользуется в гостях. При этом выявляется одна очень важная вещь – стоимость минуты в роуминге абсолютно не зависит от выбранного абонентом тарифного плана.

Хотелось бы добавить еще одно замечание – если два телефона одного оператора вместе находятся в роуминге у другого оператора (ну, например, двое друзей поехали отдыхать), то разговаривать им друг с другом выйдет весьма накладно – звонящий платит, как за исходящий домой, а принимающий звонок – как за входящий из дома. Это один из недостатков стандарта GSM – то, что связь в этом случае идет через дом. Хотя технически вполне реально устроить связь «напрямую», но кто из операторов на это пойдет, если можно оставить все как есть и зарабатывать деньги?

Еще один вопрос, в последнее время часто интересующий владельцев более чем одного мобильного телефона – а сколько будет стоить переадресованный звонок с одного телефона на другой? И на этот вопрос ответить вполне реально:

Допустим, с телефона B установлена переадресация на телефон С. С телефона А звонят на телефон B – соответственно, звонок переадресовывается на аппарат С. В этом случае платят:

Телефон А – как за исходящий на телефон В
(вообщем-то, это логично – ведь он на него и звонит)
Телефон В – платит цену переадресации
(обычно несколько центов за минуту)
+
стоимость международного звонка из региона, где зарегистрирован В, в регион, где зарегистрирован С
(если телефоны одного региона, то это составляющая равна нулю).
Телефон С – платит как за входящий с телефона А

В завершении тем хотелось бы упомянуть еще один тонкий момент – а сколько будет стоить переадресация в роуминге? А вот тут начинается самое интересное:

Например, в телефоне стоит переадресация по условию занятости на домашний номер. Тогда при входящем звонке образуется так называемая «роуминговая петля » - звонок пойдет на домашний телефон через гостевой коммутатор , соответственно, стоимость такого переадресованного звонка для роумера будет равна сумме стоимостей входящего и исходящего домой звонков плюс еще стоимость самой переадресации. И что забавно при этом – роумер может даже не знать, что подобный звонок имел место быть, и впоследствии удивиться, увидев счет за связь.

Отсюда следует практический совет – при поездках желательно отключать все виды переадресации (можно оставить только безусловную – в этом случае «роуминговой петли» не получается), особенно переадресации на голосовую почту – иначе впоследствии можно долго удивляться – «Куда ж это деньги делись-то, а?»

Список терминов, использовавшихся в тексте:

AuC – Autentification Center, Центр Аутентификации, отвечает за кодирование информации при передаче в сети и приеме из сети
Billing – Биллинг, система учета денежных средств у оператора
BS – Base Station, базовая станция, несколько приемо-передающих антенн, принадлежащих одному управляющему устройству.
Camel2 – одна из систем Prepaid, в которой реализовано мгновенное списывание средств в роуминге
CC – Country Code, код страны в стандарте GSM (для России – 250)
GSM – Global System for Mobile Communications, самый распрострастраненный в мире стандарт сотовой связи
Handover – передача управления трубкой от одной антенны/базовой станции/LAC к другой
HLR – Home Location Register, реестр домашних абонентов, содержит подробную информацию о всех абонентах, подключенных к данному оператору.
IMEI – International Mobile Equipment Identification, международный серийный номер оборудования в стандарте GSM, уникален у каждого аппарата
IMSI – International Mobile Subscriber Identification, международный серийный номер подписчика на услуги стандарта GSM, уникален у каждого абонента
LAC – Local Area Controller, Контроллер Локальной Зоны, устройства, управляющее работой некоторого количесва базовых станций, чьи антенны обслуживают опеределенную территорию.
Local Area – Локальная зона, территория, обслуживаемая BS, входящими в состав одного LAC
MSC - Mobile services Switching Center, Центр Управления Мобильными услугами, коммутатор – центральное звено сети GSM.
NC – Network Code, Сетевой Код, код конкретного оператора в данной стране в стандарте GSM (для MTS – 01, BeeLine – 99).
Prepaid – Припейд, предоплата – система биллинга, основанная на мгновенном списании средств.
Roaming – Роуминг, пользование сетью другого, «гостевого» оператора.
SIM – Subscriber Identification Module, Модуль Опознавания Абонента, СИМ-карта – электронный блок, вставляемые в телефон, на котором записан IMSI абонента.
VLR – Visitor Location Register, реестр активных абонентов – содержит информацию об всех абонентах, кто в данный момент пользуется услугами данного оператора.