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

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

Многие ли из нас задумываются, что происходит после того, как мы нажимаем кнопку вызова на мобильном телефоне? Как работают сотовые сети ?

Скорее всего, нет. Чаще всего мы набираем федеральный номер собеседника на автомате, как правило, по делу, поэтому что там и как устроено нас не интересует в конкретный момент времени. А ведь это удивительные вещи. Как можно позвонить человеку, находящемуся в горах или посреди океана? Почему во время разговора мы можем плохо слышать друг друга, а то и вовсе прерваться. Наша статья попробует пролить свет на принцип работы сотовой связи.

Итак, большая часть плотно заселенной территории России, покрыта так называемыми БС, что без сокращения именуются Базовыми Станциями. Многие могли обращать на них свое внимание, путешествуя между городами. В открытом поле, Базовые станции больше похожи на вышки, которые имеют красный и белый цвет. А вот в городе такие БС продуманно размещены на крышах нежилых высоток. Эти вышки способны поймать сигнал от любого сотового телефона, находящегося территориально в радиусе не более, чем 35 километров. "Общение" между БС и телефоном происходит через специальный служебный или голосовой канал.

Как только человек набирает нужный ему номер на мобильном устройстве, аппарат находит самую близко расположенную к нему Базовую Станцию поэтому специальному служебному каналу и просит у нее выделить голосовой канал. Вышка после получения запроса от устройства отправляет запрос на так называемый контроллер, который сокращенно будем называть BSC. Этот самый контроллер перенаправляет запрос уже на коммутатор. "Умный" коммутатор MSC определит, к какому оператору подключен вызываемый абонент.

Если оказывается, что звонок совершается на телефон внутри одной сети, например от абонента Билайн другому абоненту этого оператора, или внутри МТС, внутри Мегафон и так далее, то коммутатор начнет выяснять местоположение вызываемого абонента. Благодаря Home Location Register коммутатор найдет, где находится необходимый человек. Он может быть где угодно, дома, на работе, на даче или вообще в другой стране. Это не помешает коммутатору перевести звонок на соответствующий коммутатор. И тут "клубок" начнет "разматываться". То есть звонок от коммутатора - "ответчика" пойдет на контроллер - "ответчика", затем на его Базовую Станцию и на мобильный телефон соответственно.

Если же коммутатор выяснит, что вызываемый абонент принадлежит другому оператору, то отправит запрос на коммутатор уже другой сети.
Согласитесь, схема достаточно простая, но трудно представима. Как "умная" Базовая Станция находит телефон, отправляет запрос, а коммутатор сам определяет оператора и другого коммутатора. Что такое Базовая станция на самом деле? Оказывается, это несколько железных шкафов, которые располагаются либор под самой крышей здания, на чердаке или в специальном контейнере. Главное условие - помещение должно отлично кондиционироваться.

Логично, что у БС есть антенна, которая и помогает ей "ловить" связь. Антенна у БС состоит из нескольких частей (секторов), каждый из которых отвечает за территорию. Часть антенны, которая расположена вертикально отвечает за связь с мобильными телефонами, а круглая предназначены для связи с контроллером.

Один сектор способен одновременно принимать звонки от семидесяти телефонных аппаратов. Если учесть, что одна БС может состоять из шести секторов, то одновременно она спокойно обслужит 6*72=432 звонка.

Как правило, такой мощности Базовой станции хватает "с головой". Конечно, случаются ситуации, когда все население нашей страны начинает одновременно звонить друг другу. Это новый Год. Некоторым достаточно лишь произнести в трубку заветную фразу «С Новым Годом!», другие же готовы проговаривать часы с безлимитным тарифом от "Корпорации Связи" , обсуждая гостей и планы на всю ночь.

Однако вне зависимости от продолжительности разговора, Базовые станции не справляются, и дозвониться до абонента бывает очень сложно. Но в будние дни большую часть года БС из шести секторов вполне достаточно, тем более для оптимальной загруженности оператору подбирают Станции в соответствии с заселенностью территории. Некоторые операторы отдают свое предпочтение большим БС в целях улучшения качества предоставляемой связи.

Существует три диапазона, в которых может работать БС и которые определяют количество поддерживаемых аппаратов и охватываемое расстояние. В диапазоне 900 МГЦ станция способна охватить большую территорию, а вот в диапазоне 1800 МГц расстояние существенно сократится, зато увеличится число подключаемых передатчиков. Третий диапазон в 2100 МГц предполагает уже связь нового поколения - 3G.
Понятно, что в малонаселенных пунктах целесообразнее установить Базовую Станцию на 900 МГц, а вот в городе подойдет 1800 МГц, чтобы лучше проникать сквозь толстые бетонные стены, причем понадобится этих БС в десять раз больше, чем в поселке. Отметим, что одна БС может поддерживать три диапазона сразу.

Станции в режиме 900 МГц охватывают территорию радиусом в 35 км, однако если в данный момент она обслуживает мало телефонов, то может "пробить" и до 70 км. Естественно, наши мобильные телефоны могут "находить" БС даже на расстоянии 70 км. Базовые Станции разработаны так, чтобы максимально покрывать земную поверхность и обеспечивать большое количество людей связью именно на земле, поэтому при возможности ловить сигналы на расстоянии минимум 35 километров, на такое же расстояние, но в небо, Базовые Станции не "пробивают".

Для того, чтобы обеспечить своих пассажиров сотовой связью, некоторые авиакомпании начинают размещать маленькие БС на бортах самолетов. Связь "небесной" Базовой Станции с "земной" осуществляется с помощью спутникового канала. Так как работа мобильных устройств может помешать процессу полета, бортовые БС легко могут включаться / выключаться, имеют несколько режимов работы, вплоть до полного отключения передачи голосовых сообщений. Во время полета телефон может случайно быть переведен на базовую станцию с худшим сигналом или без свободных каналов. В таком случае звонок прервется. Все это тонкости работы сотовой связи в небе в движении.

Помимо самолетов, некоторые проблемы возникают и у жителей пентхаусов. Даже безлимитный тариф и ВИП - условия у оператора сотовой связи не помогут в случае разных БС. Житель квартиры на высоком этаже, переходя из одной комнаты в другую, потеряет связь. Это может произойти из-за того, что телефон в одной комнате "видит" одну БС, а в другой он "обнаруживает" другую. Поэтому при разговоре связь прерывается, так как эти БС находятся на относительном расстоянии друг от друга и даже не считаются "соседними" у одного оператора.

Структурная схема GSM сотового телефона

Структурная схема сотового радиотелефона, работающего в цифровом стан­дарте GSM (рис. 5.3), состоит из аналоговой и цифровой частей, которые обыч­но располагаются на отдельных платах. Аналоговая часть включает в себя прием­ное и передающее устройства, которые по своим характеристикам и построению напоминают описанные выше.

В системах стандарта GSM передатчик и приемник сотового телефона рабо­тают не одновременно. Передача осуществляется только в течение 1/8 длитель­ности кадра. Это значительно уменьшает расход энергии аккумуляторной бата-реи и увеличивает время функционирования как в режиме передачи (разговора), так и в режиме приема (ожидания). Кроме того, заметно снижаются требования к ВЧ-фильтру приемника, выполненному на ПАВ, что делает возможным интегра­цию МШУ со смесителем. Блок сопряжения прием-передача - это электронный коммутатор, подключающий антенну либо к выходу передатчика, либо ко входу приемника, поскольку сотовый телефон никогда не работает на прием и передачу одновременно.

Рис. 5.3. Функциональная схема радиотелефона цифрового стандарта GSM

Принимаемый сигнал после прохождения входного полосового фильтра уси­ливается МШУ и поступает на первый вход первого смесителя. На второй вход поступает сигнал гетеродина f прм с синтезатора частот. Сигнал первой промежу­точной частоты f пр, проходит через полосовой фильтр на ПАВ и усиливается уси­лителем первой промежуточной частоты УПЧ1, после чего поступает на первый вход второго смесителя. На второй его вход поступает сигнал гетеродина f г с ге­нератора частот. Полученный сигнал второй промежуточной частоты f пр2 фильт­руется полосовым фильтром на ПАВ, усиливается усилителем УПЧ2, демодулируется и поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), где преобразу­ется в сигнал, необходимый для работы цифрового логического блока, выполненного на центральном процессоре CPU.

В режиме передачи информационный цифровой сигнал, сформированный в логическом блоке, поступает на 1/О-генератор, где происходит формирование модулирующего сигнала. Последний поступает в фазовый модулятор, с которого сигнал f фм поступает в смеситель. На второй вход смесителя поступает сигнал f прд с синтезатора частот. Полученный сигнал f с1 через полосовой фильтр поступает в усилитель мощности (УМ), управляемый с помощью центрального процессора CPU. Усиленный до необходимого уровня сигнал f с1 через полосовой керамиче­ский фильтр поступает к антенне А и излучается в окружающее пространство.

Цифровая логическая часть сотового телефона (рис. 5.4) обеспечивает фор­мирование и обработку всех необходимых сигналов. Сердцевиной этой важной части цифрового телефона является центральный процессор CPU. Он выполнен в виде СБИС на микромощных полевых транзисторах со структурой «металл-ди­электрик-полупроводник» (МДП или MOS).

В состав цифровой части телефона входят:

Цифровой сигнальный процессор (CPU) со своей оперативной и постоян­ной памятью, осуществляющий управление работой сотового телефона. CPU телефонов несколько проще, чем микропроцессоры компьютеров, но тем не менее являются сложнейшими микроэлектронными изделиями.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который преобразует анало­говый сигнал с выхода микрофона в цифровую форму. При этом вся после­дующая обработка и передача сигнала речи производится в цифровой фор­ме, вплоть до обратного цифро-аналогового преобразования.

Кодер речи, осуществляющий кодирование сигнала речи, имеющего уже цифровую форму, по определенным законам с использованием алгоритма сжатия для сокращения избыточности сигнала. Таким образом осуществляется сокращение объема информации, которую необходимо передавать по радиоканалу связи.

Кодер канала, добавляющий в цифровой сигнал, получаемый с выхода ко­дера речи, дополнительную (избыточную) информацию, предназначенную для защиты от ошибок при передачи сигнала по линии связи. С этой же це­лью информация подвергается определенной переупаковке (перемежению). Кроме того, кодер канала вводит в состав передаваемого сигнала информа­цию управления, поступающего от логической части.

Декодер канала, выделяющий из входного потока данных управляющую информацию и направляющий ее в логический блок. Принятая информация проверяется на наличие ошибок, которые по возможности исправляются. Для последующей обработки принятая информация подвергается обратной по отношению к кодеру переупаковке.

Рис. 5.4. Цифровая и логическая часть мобильного сотового телефона

Декодер речи, восстанавливающий поступающий на него с декодера канала цифровой сигнал речи, переводящий его в естественную форму, со свойст­венной ему избыточностью, но по-прежнему в цифровом виде. Отметим, что для сочетания кодера и декодера, расположенных в одном корпусе ин­тегральной микросхемы, иногда употребляют название кодек (например, кодек речи, канальный кодек).

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), преобразующий принятый сигнал речи в аналоговую форму и подающий этот сигнал на вход усилите­ля динамика.

Эквалайзер, служащий для частичной компенсации искажений сигнала из-за многолучевого распространения. Эквалайзер является адаптивным фильтром, настраиваемым по обучающей последовательности символов, входящих в состав передаваемой информации. Этот блок, вообще говоря, не является функционально необходимым и в некоторых случаях может от­сутствовать.

Клавиатура, представляющая собой наборное поле с цифровыми и функ­циональными клавишами для набора номера вызываемого абонента, а так­же команд, определяющих режим работы сотового телефона.

Дисплей, служащий для отображения различной информации, предусмот­ренной устройством и режимом работы станции.

Блок шифрования и дешифрования сообщений, предназначенный для обеспечения конфиденциальности передачи информации.

Детектор речевой активности (voice activity detector), включающий пе­редатчик на излучение только на те интервалы времени, когда абонент го­ворит. На время паузы в работе передатчика в тракт дополнительно вводит­ся так называвемый комфортный шум. Это сделано в интересах экономного расходования энергии источника питания, а также снижения уровня помех для других станций.

Терминальные устройства, используемые для подключения через специ­альные адаптеры с использованием соответствующих интерфейсов, факс-аппаратов, модемов и др.

SIM-карта (SIM - subscriber identification module, буквально - мо­дуль идентификации абонента) - пластиковая пластина с микросхемой, вставляемая в специальное гнездо абонентского аппарата. В SIM-карте хранятся:

Данные, присваиваемые каждому абоненту: международный идентифика­ционный номер подвижного абонента (IMSI), ключ аутентификации або­нента (Ki) и класс управления доступом;

Временные данные о сети: временные идентификационный номер под­вижного абонента (TMSI), идентификатор области местоположения (LAI), ключ шифрования (Ке), данные о запрещенных для доступа под­вижных сетях;

Данные, относящиеся к обслуживанию: предпочтительный язык обще­ния, уведомления об оплате и перечень заявленных услуг.

Одна из основных задач SIM-карты состоит в обеспечении защиты от несанк­ционированного использования сотового телефона. На уровне абонентского ин­терфейса на SIM-карте записывается персональный идентификационный номер (PIN-номер) длиной от 4 до 8 разрядов, который микропроцессор SIM-карты по­сле включения станции сверяет с номером, набираемым пользователем с помо­щью клавиатуры. Если три раза подряд набран ошибочный PIN-номер, использо­вание SIM-карты блокируется до тех пор, пока абонент не введет 8-разрядный персональный ключ разблокирования (PUK).

Если ошибочный PUK вводится 10 раз подряд, использование SIM-карты пол­ностью блокируется и абонент будет вынужден обратиться к оператору сети.

Кроме того, благодаря SIM-картам имеется возможность звонить не только со своего сотового телефона, но и с любого другого GSM-телефона, достаточно вста­вить SIM-карту в аппарат и набрать личный идентификационный PIN-номер.

5.3 Услуги сотовой связи. Конфиденциальность связи. Фрод в сотовой связи. Биологическая безопасность.

В системах второго поколения пользователю могут быть предоставлены основные и дополнительные услуги связи. Основные услуги связи: телефонная связь, экстренные вызовы, передача коротких сообщений, факсимильная связь. Услуга экстренного вызова позволяет устанавливать абонентской станции речевую связь с ближайшим центром экстренной службы. К дополнительным услугам связи относятся:

· услуги по распознаванию номера;
· переадресация и перенаправление вызова;
· услуги завершения связи (вызов на удержании, вызов с ожиданием и т.п.);
· конференц-связь;
· услуги по учету стоимости переговоров;
· услуги группового соединения;
· услуги по ограничению вызовов и др.

В условиях конкурентной борьбы за абонента операторы крупных сетей стараются внедрять новые услуги. В последнее время были введены такие услуги, как подключение абонента на условиях предоплаты, услуга WAP – доступ в сеть Интернет непосредственно с мобильного терминала, система глобального позиционирования GPS, видеосвязь и др.. Но такие возможности появились с появлением коммуникаторов (смартфонов).

Конфиденциальность связи обеспечивается защитой от несанкционированного доступа к каналам связи. Для этого используются различные методы шифрования. Например в стандарте GSM шифрование осуществляется путем помехоустойчивого кодирования и перемежения и заключается в поразрядном сложении по модулю 2 информационной битовой последовательности и псевдослучайной битовой последовательности, составляющей основу шифра. Повторное применение операции сложения по модулю 2 с той же псевдослучайной последовательностью к зашифрованной инфомационной последовательности восстанавливает исходную информационную битовую последовательность, то есть реалищует дешифрацию шифрованного сообщения (рис.).

Существует еще возможность защиты от подслушивания – это скремлирование (scrambling – перемешивание, перетасовка), являющееся своебразным шифрование путем перестановки участков спектра или сегментов речи, осуществляемое во внешнем по

Рис.5.5. Принцип шифрования и дешифрации информации в стандарте GSM.

отношению к мобильному телефону устройстве с соответствующим дескремблированием на приемном конце.

Фрод (от англ. fraud - обман, мошенничество) - одна из серьезных про­блем сотовой связи. Фрод можно определить как незаконную деятельность, на­правленную на использование услуг сотовой связи без надлежащей оплаты или за счет оплаты этих услуг людьми, такими услугами не пользующимися.

Время от времени мировую и нашу прессу потрясают сообщения о мошенни­чествах в области сотовой связи. Самое неприятное, когда зарегистрированный за кем-то сотовый телефон попадает в руки мошенников, способных обмануть по­ставщиков сотовой связи и бесконтрольно осуществлять переговоры в большом объеме. Порой для этого используются примитивные приемы (например, злост­ные неплатежи), а порой весьма тонкие методы, основанные на прекрасном зна­нии документации по сотовым сетям связи. Практикуется переделка номеров со­товых аппаратов и всевозможная «химия» с шифрами и паролями.

Потери от фрода, даже после многих лет борьбы с ним, достигают несколь­ких процентов от общего объема услуг сотовой связи. К примеру, в 1996 г. в США они составили сумму чуть более 1 млрд долл. при общем доходе от сотовой связи 21 млрд долл. Данные о таких потерях большинство операторов старается не публиковать, и они становятся известными общественности спустя годы после крупных «проколов».

Если у вас появилось подозрение, что кто-то пользуется (явно или неявно) вашим аппаратом, то необходимо немедленно поставить в известность об этом поставщика услуг сотовой связи. Например, такое подозрение может базировать­ся на заметном увеличении объема оплаты услуг сотовой связи по сравнению с привычным для вас уровнем. Если не проконтролировать случившееся, то вы мо­жете неожиданно получить счет на сотни, если не на тысячи долл.. И будете втя­нуты в долгую судебную тяжбу с неясным исходом.

Кроме фрода, огромный ущерб сотовой связи наносит продажа «серых» теле­фонов. Это могут быть приобретенные по дешевке забракованные аппараты, кото­рые затем кустарно доводятся до рабочего состояния - нередко далеко не по всем функциональным возможностям. Такие аппараты доставляют массу хлопот не только их владельцам, позарившимся на дешевизну, но и операторам сотовой связи. Ибо, плохо выполняя (или вообще не выполняя) многие функции, они вы­зывают шквал звонков в службы сервиса.

Подслушивание разговоров по сотовым телефонам - тоже далеко не без­обидная вещь. Особенно уязвимы в этом аналоговые сети. Но и в цифровых се­тях, даже при наличии соответствующего оборудования для кодирования и деко­дирования разговоров, подслушивание их тоже вполне возможно. Об этом стоит помнить, ведя разговоры.

Приемы незаконного использования сотовых те­лефонов разнообразны, хотя и существует мнение о том, что об этом надо знать. Только вот в каком объеме? К примеру, всякому ясно, что сотовый телефон можно использо­вать в качестве очень простого радиовзрывателя. Однако описание пусть даже простой схемы такого применения едва ли можно приветствовать. Соответствую­щие органы мигом могут признать это пособием для террористов. Поэтому, пре­дупредив пользователя о наличии брешей в законном применении сотовых теле­фонов, мы на этом окончим описание этих тонких моментов в применении мо­бильных телефонов.

Биологическая безопасность.

Время от времени появляются сенсационные новости о развитии раковых опухолейот использовании сотового телефона. Где-то в США вроде были даже судебные процессы по этому поводу. Встречаются и сообщения о взрывах авто­стоянокво время заправки автомобилей, о сбившихся с курса самолетах, об остановившихся по вине сотовых телефонов реакторах атомных электростанций и т.д. В подавляющем большинстве случаев документального подтверждения такие «новости» не находят.

В самом деле частоты сотовой связи относятся к тому виду электромагнитно­го излучения, которое легко поглощается тканями наших рук, головы и головного мозга. Исследования показали, что до 60 % энергии излучения сотового телефона поглощается тканями головы человека. Правда, только часть энергии СВЧ-излучения попадает вглубь головы. Большая часть поглощается кожей и костями черепа.

Между тем никаких официальных данных о каком-либо влиянии излучения сотовых телефонов на организм человека нет. И не потому, что соответствующие исследования не проводились. А потому, что нормы на мощность излучения на­много меньше тех норм, которые были установлены для людей соответствующи­ми инстанциями.

Степень поглощения энергии электромагнитного излучения организмом чело­века является величина SAR (Specific Absorption Rates). Она выражается в энер­гии поглощенного излучения на единицу массы (г или кг) биоткани. При этом за 20 минут воздействия ткань нагревается на 1 °С.

Нетрудно понять, что такой чисто «термодинамический» подход отнюдь не способствует успокоению людей. Ибо не надо обладать обширными медицински­ми познаниями, чтобы считать, что действие излучения сводится отнюдь не толь­ко к нагреву тканей организма. Нельзя не учитывать, что на генетическом уровне куда менее мощное излучение способно вызвать нарушение клеточной структуры тела или повреждение генов. Поэтому, в Европе, к примеру, установлена норма SAR в 2 мВт /г.

Между прочим, есть простой способ кардинально ослабить степень воздейст­вия радиоизлучения мобильных телефонов на организм человека, и прежде всего на его голову. Это применение специальной гарнитуры hands free (свободные руки). Эта гарнитура представляет собой закрепляемый на голове наушник и микрофон, а также пульт управления радиотелефоном. Сам телефон может быть установлен в отдалении. Возможно подключение к нему и внешней антенны, ко­торая может быть установлена за окном или даже на крыше автомобиля.

Кстати, из всех видов опасности, связанной с сотовыми телефонами, на пер­вом месте стоит отвлечение пользователя от своей основной работы. Например, весьма часты автомобильные аварии, связанные с тем, что водитель во время езды берет телефон в руки, и особенно когда он набирает номер. Во многих стра­нах, включая и Россию, это запрещено и преследуется штрафами. Гарнитура hands free и голосовое управление телефоном - вот основные средства против этого фактора.

Контрольные вопросы

1. Назовите типовые блоки абонентской мобильной станции?

2. Раскажите устройство и основное назначение узлов аналогового мобильного телефона?

3. Раскажите устройство и основное назначение узлов цифрового мобильного телефона?

4. Дайте определение «фрод» и чем он опасен?

5. Перечислите основные меры, направленные на снижения влияния излучения сотовой связи на организм человека?

6. Основные симптомы проявления болезни обусловленной радиоизлучением?

7. Перечислите основные услуги предоставляемой сотовой связью?

8. Как обеспечивается конфиденциальность связи в мобильных сетях?

Принцип работы сотовой связи

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

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

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

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

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

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

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

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

Всенаправленные антенны излучают и принимают сигналы одинаково во всех направлениях.

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

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

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

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

Рисунок 6.3 – Принцип повторного использования частот в сотовой связи

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

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

F = GN (6.1)

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

G – число каналов в соте;

N – число сот в кластере.

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

C = mGN = mF (6.2)

где С – суммарное число каналов в заданной зоне;

m – число кластеров в заданной зоне.

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

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

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

С – общее число полнодуплексных каналов в соте.

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

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

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

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

Перемещение на i сот (через центры соседних сот):

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

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 6.6 – Передача обслуживания