Мобільний стільниковий зв'язок

стільниковий зв'язок- один з видів мобільного радіозв'язку, в основі якого лежить стільникова мережа. Ключова особливістьполягає в тому, що загальна зона покриття ділиться на осередки (стільники), що визначаються зонами покриття окремих базових станцій (БС). Стільники частково перекриваються і разом утворюють мережу. На ідеальній (рівній і без забудови) поверхні зона покриття однієї БС є коло, тому складена з них мережа має вигляд сот з шестикутними осередками (стільниками).

Примітно, що в англійському варіанті зв'язок називається «комірковим» або «клітинним» (cellular), що не враховує шестикутності сот .

Мережа складають рознесені в просторі приймачі, що працюють в тому самому частотному діапазоні, і комутуюче обладнання, що дозволяє визначати поточне місце розташування рухомих абонентів і забезпечувати безперервність зв'язку при переміщенні абонента із зони дії одного приймача в зону дії іншого.

Історія

Перше використання рухомого телефонного радіозв'язку в США відноситься до 1921: поліція Детройта використовувала односторонню диспетчерську зв'язок в діапазоні 2 МГц для передачі інформації від центрального передавача до приймачів, встановленим на автомашинах. У 1933 р. поліція Нью-Йорка почала використовувати систему двостороннього рухомого телефонного радіозв'язку також у діапазоні 2 МГц. У 1934 р. Федеральна комісія зв'язку США виділила для телефонного радіозв'язку 4 канали в діапазоні 30 ... 40 МГц, і в 1940 р. телефонним радіозв'язком користувалися вже близько 10 тисяч поліцейських автомашин. У всіх цих системах використовувалася амплітудна модуляція. Частотна модуляція почала застосовуватися з 1940 і до 1946 повністю витіснила амплітудну. Перший громадський рухомий радіотелефон виник 1946 р. (Сент-Луїс, США; фірма Bell Telephone Laboratories), у ньому використовувався діапазон 150 МГц. У 1955 р. почала працювати 11-канальна система у діапазоні 150 МГц, а 1956 р. - 12-канальна система у діапазоні 450 МГц. Обидві ці системи були симплексні, і в них використовувалася ручна комутація. Автоматичні дуплексні системи почали працювати відповідно у 1964 р. (150 МГц) та у 1969 р. (450 МГц).

У СРСР У 1957 р. московський інженер Л. І. Купріянович створив дослідний зразок автоматичного дуплексного мобільного радіотелефону ЛК-1, що носиться, і базову станцію до нього. Мобільний радіотелефон важив близько трьох кілограмів та мав радіус дії 20-30 км. У 1958 році Купріянович створює вдосконалені моделі апарату вагою 0,5 кг та розміром з цигаркову коробку. У 60-х рр. Христо Бочваров у Болгарії демонструє свій досвідчений зразок кишенькового мобільного радіотелефону. На виставці «Інтероргтехніка-66» Болгарія представляє комплект для місцевої організації мобільного зв'язкуз кишенькових мобільних телефонів РАТ-0,5 та АТРТ-0,5 та базової станціїРАТЦ-10, що забезпечує підключення до 10 абонентів.

Наприкінці 50-х рр. в СРСР починається розробка системи автомобільного радіотелефону «Алтай», введена в дослідну експлуатацію у 1963 р. Система «Алтай» спочатку працювала на частоті 150 МГц. У 1970 р. система «Алтай» працювала у 30 містах СРСР і для неї було виділено діапазон 330 МГц.

Аналогічним чином, з природними відмінностями і менших масштабах, розвивалася ситуація та інших країнах. Так, у Норвегії громадський телефонний радіозв'язок використовувався як морський мобільний зв'язок з 1931 р.; 1955 р. у країні було 27 берегових радіостанцій. Наземний мобільний зв'язок почав розвиватися після другої світової війни у ​​вигляді приватних мереж із ручною комутацією. Таким чином, до 1970 р. рухомий телефонний радіозв'язок, з одного боку, вже отримала досить широке поширення, але з іншого - явно не встигала за потребами, що швидко зростають, при обмеженому числі каналів у жорстко певних смугах частот. Вихід було знайдено у вигляді системи стільникового зв'язку, що дозволило різко збільшити ємність рахунок повторного використання частот у системі з осередковою структурою.

Звичайно, як це зазвичай буває в житті, окремі елементи системи стільникового зв'язку існували і раніше. Зокрема, деяка подоба стільникової системивикористовувалося в 1949 р. в Детройті (США) диспетчерською службою таксі - з повторним використанням частот у різних осередках при ручному перемиканні каналів користувачами в заздалегідь обумовлених місцях. Однак архітектура тієї системи, яка сьогодні відома як система стільникового зв'язку, була викладена тільки в технічній доповіді компанії Bell System, представленій до Федеральної комісії зв'язку США в грудні 1971 р. І з цього часу починається розвиток власне стільникового зв'язку, що стало воістину тріумфальним з 1985 р., в останні десять років.

У 1974 р. Федеральна комісія зв'язку США прийняла рішення про виділення для стільникового зв'язку смуги частот 40 МГц в діапазоні 800 МГц; в 1986 р. до неї було додано ще 10 МГц у тому діапазоні. У 1978 р. у Чикаго почалися випробування першої дослідної системи стільникового зв'язку на 2 тис. абонентів. Тому 1978 можна вважати роком початку практичного застосування стільникового зв'язку. Перша автоматична комерційна система стільникового зв'язку була введена в експлуатацію також у Чикаго у жовтні 1983 р. компанією American Telephone and Telegraph (AT&T). У Канаді стільниковий зв'язок використовується з 1978 р., в Японії - з 1979 р., у Скандинавських країнах (Данія, Норвегія, Швеція, Фінляндія) - з 1981 р., в Іспанії та Англії - з 1982 р. Станом на липень 1997 р. стільниковий зв'язок працював більш ніж у 140 країнах усіх континентів, обслуговуючи понад 150 млн. абонентів.

Першою комерційно успішною стільниковою мережею була фінська мережа Autoradiopuhelin (ARP). Ця назва перекладається російською як «Автомобільний радіотелефон». Запущена в м., вона досягла 100% покриття території Фінляндії в . Розмір стільники дорівнював близько 30 км, у м. в ній було більше 30 тис. абонентів. Працювала вона на частоті 150 МГц.

Принцип дії стільникового зв'язку

Основні складові стільникової мережі - це стільникові телефони та базові станції. Базові станції зазвичай розташовують на дахах будівель та вежах. Будучи увімкненим, стільниковий телефон прослуховує ефір, знаходячи сигнал базової станції. Після цього телефон надсилає станції свій унікальний ідентифікаційний код. Телефон та станція підтримують постійний радіоконтакт, періодично обмінюючись пакетами. Зв'язок телефону зі станцією може йти за аналоговим протоколом (NMT-450) або цифровим (DAMPS, GSM, англ. handover).

Стільникові мережі можуть складатися з базових станцій різного стандарту, що дозволяє оптимізувати роботу мережі та покращити її покриття.

Стільникові мережі різних операторів з'єднані один з одним, а також зі стаціонарною телефонною мережею. Це дозволяє абонентам одного оператора робити дзвінки абонентам іншого оператора, з мобільних телефонів на стаціонарні та зі стаціонарних на мобільні.

Оператори різних країн можуть укладати договори роумінгу. Завдяки таким договорам абонент, перебуваючи за кордоном, може здійснювати та приймати дзвінки через мережу іншого оператора (щоправда, за підвищеними тарифами).

Стільниковий зв'язок у Росії

У Росії стільниковий зв'язок почала впроваджуватися з 1990 р., комерційне використання почалося з 9 вересня 1991 р., коли в Санкт-Петербурзі компанією «Дельта Телеком» була запущена перша в Росії стільникова мережа (працювала в стандарті NMT-450) і був здійснений перший символічний дзвінок по стільниковому зв'язку мером Санкт-Петербурга Анатолієм Собчаком. До липня 1997 р. загальна кількість абонентів у Росії становила близько 300 тисяч. На 2007 рік основні протоколи стільникового зв'язку, що використовуються в Росії - GSM-900 та GSM-1800. Крім того, працюють і UMTS. Зокрема, перший фрагмент мережі цього стандарту в Росії був введений в експлуатацію 2 жовтня 2007 в Санкт-Петербурзі компанією «Мегафон». У Свердловській області продовжує експлуатуватися мережа стільникового зв'язку стандарту DAMPS, що належить компанії Стільниковий Зв'язок «МОТИВ».

У Росії в грудні 2008 р. налічувалося 187,8 млн користувачів стільникового зв'язку (за кількістю проданих сім-карт). Рівень проникнення стільникового зв'язку (кількість SIM-карт на 100 мешканців) на цю дату становив таким чином 129,4 %. У регіонах, без урахування Москви, рівень проникнення перевищив 119,7%.

Частка ринку найбільших стільникових операторівна грудень 2008 року склала: 34,4% у МТС, 25,4% у «Вимпелкому» та 23,0% у «Мегафону».

У грудні 2007 року кількість користувачів стільникового зв'язку в Росії зросла до 172,87 млн. абонентів, у Москві - до 29,9, у Пітері - до 9,7 млн. Рівень проникнення в Росії - до 119,1%, Москві - 176% , Санкт-Петербурзі – 153%. Частка ринку найбільших стільникових операторів на грудень 2007 року становила: МТС 30,9%, "Вимпелком" 29,2%, "Мегафон" 19,9%, інші оператори 20%.

Згідно з даними британської дослідницької компанії Informa Telecoms & Media за 2006 рік, середня вартість хвилини стільникового зв'язку для споживача в Росії склала $0,05 – це найнижчий показник із країн «великої вісімки».

Компанія IDC на основі дослідження російського ринкустільникового зв'язку зробила висновок, що в 2005 році загальна тривалість розмов по мобільному телефону жителів РФ досягла 155 мільярдів хвилин, а текстових повідомленьбуло надіслано 15 мільярдів штук.

Згідно з дослідженням компанії J"son & Partners, кількість зареєстрованих в Росії сім-карт станом на кінець листопада 2008 року досягла 183,8 млн. доларів.

Див. також

Джерела

Посилання

• Інформаційний сайт про покоління та стандарти стільникового зв'язку.
• Стільниковий зв'язок у Росії 2002-2007, дані офіційної статистики

Навряд чи можливо сьогодні знайти людину, яка б ніколи не користувалася стільниковим телефоном. Але чи кожен розуміє, як працює стільниковий зв'язок? Як влаштовано та працює те, до чого ми всі давно звикли? Чи передаються сигнали від базових станцій про дроти чи все це діє якось інакше? А можливо весь стільниковий зв'язок функціонує лише за рахунок радіохвиль? На ці та інші питання спробуємо відповісти в нашій статті, залишивши опис стандарту GSM за її рамками.

У момент, коли людина намагається здійснити виклик зі свого мобільного телефону, або коли починають дзвонити йому, телефон за допомогою радіохвиль підключається до однієї з базових станцій (найбільш доступною), до однієї з її антен. Базові станції можна спостерігати то там, то тут, глянувши на будинки наших міст, на дахи та на фасади промислових будівель, на висотки, нарешті, на спеціально зведені для станцій щогли червоно-білого кольору (особливо вздовж автострад).

Ці станції виглядають як прямокутні коробки. сірого кольору, З яких у різні боки стирчать різноманітні антени (зазвичай до 12 антен). Антени тут працюють як на прийом, так і на передачу, і вони належать оператору стільникового зв'язку. Антени базової станції направлені у всілякі сторони (сектори), щоб забезпечити покриття мережею абонентам з усіх боків на відстані до 35 кілометрів.

Антена одного сектора може обслуговувати одночасно до 72 дзвінків, і якщо антен 12, то уявіть собі: 864 дзвінка здатна в принципі обслужити одна велика базова станція одночасно! Хоча зазвичай обмежуються 432 каналами (72*6). Кожна антена з'єднана кабелем із керуючим блоком базової станції. А блоки кількох базових станцій (кожна станція обслуговує свою частину території) приєднуються до контролера. До одного контролера приєднується до 15 базових станцій.

Базова станція в принципі здатна функціонувати на трьох діапазонах: сигнал 900 МГц краще проникає всередину будівель та споруд, поширюється далі, тому саме цей діапазон часто використовують у селах та на полях; сигнал на частоті 1800 МГц поширюється не так далеко, але на одному секторі встановлюють більше передавачів, тому в містах ставлять найчастіше саме такі станції; нарешті 2100 МГц – це мережа 3G.

Контролерів, звісно, ​​у населеному пункті чи районі, може бути кілька, тому контролери, у свою чергу, приєднуються кабелями до комутатора. Завдання комутатора - зв'язати мережі операторів мобільного зв'язку один з одним та з міськими лініями звичайного телефонного зв'язку, міжміського зв'язкута міжнародного зв'язку. Якщо мережа невелика, достатньо одного комутатора, якщо велика — використовуються два і більше комутаторів. Комутатори поєднуються між собою проводами.

У процесі переміщення людини, яка розмовляє по мобільному, вулицею, наприклад: йде вона пішки, їде в громадському транспорті, або пересувається на особистому авто, - його телефон не повинен ні на мить втратити мережу, не можна обірвати розмову.

Безперервність зв'язку виходить завдяки можливості мережі базових станцій дуже оперативно перемикати абонента з однієї антени на іншу в процесі його переміщення від зони дії однієї антени - в зону дії іншої (від стільника до соті). Абонент сам не помічає, як перестає бути пов'язаний з однією базовою станцією, і вже підключений до іншої, як переключається від антени — до антени, від станції — до станції, від контролера — до контролера…

При цьому комутатор забезпечує оптимальний розподіл навантаження за багаторівневою схемою мережі, щоб знизити можливість виходу обладнання з ладу. Багаторівнева мережа будується так: стільниковий телефон – базова станція – контролер – комутатор.

Допустимо, ми здійснюємо виклик, і ось сигнал уже дістався комутатора. Комутатор передає наш дзвінок у бік абонента призначення — до міської мережі, до мережі міжнародного чи міжміського зв'язку, або до мережі іншого мобільного оператора. Все це відбувається дуже швидко з використанням високошвидкісних оптоволоконних кабельних каналів.

Далі наш дзвінок надходить на комутатор, що розташований на стороні абонента, що приймає дзвінок (викликаного нами). У «приймальному» комутаторі вже є дані про те, де знаходиться абонент, в якій зоні дії мережі: який контролер, яка базова станція. І ось, з базової станції починається опитування мережі, знаходиться адресат, і на його телефон надходить виклик.

Весь ланцюжок описаних подій, з моменту набору номера до моменту дзвінка, що пролунав на приймаючій стороні, триває зазвичай не більше 3 секунд. Так ми можемо сьогодні дзвонити до будь-якої точки світу.

Андрій Повний

Чи багато хто з нас замислюється, що відбувається після того, як ми натискаємо кнопку виклику на мобільному телефоні? Як працюють стільникові мережі?

Скоріше за все ні. Найчастіше ми набираємо федеральний номер співрозмовника на автоматі, як правило, у справі, тому що там і як влаштовано нас не цікавить у конкретний момент часу. Адже це дивовижні речі. Як можна зателефонувати людині, яка перебуває в горах або серед океану? Чому під час розмови ми можемо погано чути один одного, а то й зовсім перерватися. Наша стаття спробує пролити світло на принцип роботи стільникового зв'язку.

Отже, більшість щільно заселеної території Росії, покрита так званими БС, що скорочення називаються Базовими Станціями. Багато хто міг звертати на них свою увагу, мандруючи між містами. У відкритому полі, Базові станції більше схожі на вежі, які мають червоний і білий колір. А ось у місті такі БС продумано розміщені на дахах нежилих висоток. Ці вежі здатні зловити сигнал від будь-якого стільникового телефону, що знаходиться територіально в радіусі не більше ніж 35 кілометрів. "Спілкування" між БС та телефоном відбувається через спеціальний службовий або голосовий канал.

Як тільки людина набирає потрібний йому номер на мобільному пристрої, апарат знаходить найближчу розташовану до нього Базову Станцію тому спеціальному службовому каналу і просить у неї виділити голосовий канал. Вишка після отримання запиту від пристрою надсилає запит на так званий контролер, який скорочено називатимемо BSC. Цей контролер перенаправляє запит вже на комутатор. "Розумний" комутатор MSC визначить, до якого оператора підключений абонент.

Якщо виявляється, що дзвінок здійснюється на телефон всередині однієї мережі, наприклад від абонента Білайн іншому абоненту цього оператора, або всередині МТС, всередині Мегафон і так далі, то комутатор почне з'ясовувати розташування абонента. Завдяки Home Location Register комутатор знайде, де знаходиться потрібна людина. Він може бути будь-де, вдома, на роботі, на дачі або взагалі в іншій країні. Не завадить комутатору перевести дзвінок на відповідний комутатор. І тут "клубок" почне "розмотуватися". Тобто дзвінок від комутатора – "відповідача" піде на контролер – "відповідача", потім на його Базову Станцію та на мобільний телефон відповідно.

Якщо ж комутатор з'ясує, що абонент належить іншому оператору, то відправить запит на комутатор вже іншої мережі.
Погодьтеся, схема досить проста, але важко уявна. Як "розумна" Базова Станція знаходить телефон, відправляє запит, а комутатор сам визначає оператора та іншого комутатора. Що таке базова станція насправді? Виявляється, це кілька залізних шаф, які розташовуються абор під дахом будівлі, на горищі або в спеціальному контейнері. Головна умова - приміщення має добре кондиціонуватися.

Логічно, що БС є антена, яка і допомагає їй "ловити" зв'язок. Антена БС складається з декількох частин (секторів), кожен з яких відповідає за територію. Частина антени, яка розташована вертикально, відповідає за зв'язок з мобільними телефонами, а кругла призначені для зв'язку з контролером.

Один сектор може одночасно приймати дзвінки від сімдесяти телефонних апаратів. Якщо врахувати, що одна БС може складатися із шести секторів, то одночасно вона спокійно обслужить 6*72=432 дзвінки.

Як правило, такої потужності Базової станції вистачає "з головою". Звичайно, трапляються ситуації, коли все населення нашої країни починає одночасно дзвонити одне до одного. Це новий рік. Декому досить лише вимовити в трубку заповітну фразу «З Новим Роком!», інші ж готові промовляти годинник з безлімітним тарифом від "Корпорації Зв'язку", обговорюючи гостей та плани на всю ніч.

Однак, незалежно від тривалості розмови, Базові станції не справляються, і додзвонитися до абонента буває дуже складно. Але в будні дні більшу частину року БС із шести секторів цілком достатньо, тим більше для оптимальної завантаженості оператору підбирають станції відповідно до заселеності території. Деякі оператори віддають перевагу великим БС з метою поліпшення якості зв'язку, що надається.

Існує три діапазони, в яких може працювати БС і які визначають кількість підтримуваних апаратів і відстань, що охоплюється. У діапазоні 900 МГЦ станція здатна охопити велику територію, а ось в діапазоні 1800 МГц відстань істотно скоротиться, зате збільшиться кількість передавачів, що підключаються. Третій діапазон 2100 МГц передбачає вже зв'язок нового покоління - 3G.
Зрозуміло, що в малонаселених пунктах доцільніше встановити Базову Станцію на 900 МГц, а ось у місті підійде 1800 МГц, щоб краще проникати крізь товсті бетонні стіни, причому цих БС знадобиться вдесятеро більше, ніж у селищі. Зазначимо, що одна БС може підтримувати три діапазони одразу.

Станції в режимі 900 МГц охоплюють територію радіусом 35 км, проте якщо в Наразівона обслуговує мало телефонів, може "пробити" і до 70 км. Звичайно, наші мобільні телефони можуть "знаходити" БС навіть на відстані 70 км. Базові Станції розроблені так, щоб максимально покривати земну поверхню і забезпечувати велику кількість людей зв'язком саме на землі, тому при можливості ловити сигнали на відстані мінімум 35 кілометрів на таку ж відстань, але в небо Базові Станції не "пробивають".

Для того щоб забезпечити своїх пасажирів стільниковим зв'язком, деякі авіакомпанії починають розміщувати маленькі БС на бортах літаків. Зв'язок "небесної" Базової Станції із "земною" здійснюється за допомогою супутникового каналу. Оскільки робота мобільних пристроївможе завадити процесу польоту, бортові БС легко можуть включатися/вимикатися, мають кілька режимів роботи, аж до повного відключенняпередачі голосових повідомлень. Під час польоту телефон може бути випадково переведений на базову станцію з гіршим сигналом або без вільних каналів. У такому разі дзвінок перерветься. Все це тонкощі роботи стільникового зв'язку в небі у русі.

Крім літаків деякі проблеми виникають і у жителів пентхаусів. Навіть безлімітний тарифі ВІП - умови оператора стільникового зв'язку не допоможуть у разі різних БС. Житель квартири на високому поверсі, переходячи з однієї кімнати до іншої, втратить зв'язок. Це може статися через те, що телефон в одній кімнаті бачить одну БС, а в іншій він виявляє іншу. Тому під час розмови зв'язок переривається, оскільки ці БС перебувають у відносній відстані друг від друга і навіть вважаються " сусідніми " в одного оператора.

Структурна схема GSM стільниковоготелефону

Структурна схема стільникового радіотелефону, що працює в цифровому стандарті GSM (рис. 5.3), складається з аналогової та цифрової частин, які зазвичай розміщуються на окремих платах. Аналогова частина включає приймальний і передавальний пристрої, які за своїми характеристиками і побудови нагадують описані вище.

У системах стандарту GSM передавач та приймач мобільного телефону працюють не одночасно. Передача здійснюється лише протягом 1/8 тривалості кадру. Це значно зменшує витрату енергії акумуляторної батареї та збільшує час функціонування як у режимі передачі (розмови), так і в режимі прийому (очікування). Крім того, помітно знижуються вимоги до ВЧ-фільтру приймача, виконаного на ПАР, що уможливлює інтеграцію МШУ зі змішувачем. Блок сполучення приймання - це електронний комутатор, що підключає антену або до виходу передавача, або до входу приймача, оскільки стільниковий телефон ніколи не працює на прийом і передачу одночасно.

Рис. 5.3. Функціональна схемарадіотелефону цифрового стандарту GSM

Приймається сигнал після проходження вхідного смугового фільтра посилюється МШУ і надходить на перший вхід першого змішувача. На другий вхід надходить сигнал гетеродину fпрм із синтезатора частот. Сигнал першої проміжної частоти fпр., проходить через смуговий фільтр на ПАР і посилюється підсилювачем першої проміжної частоти УПЧ1, після чого надходить на перший вхід другого змішувача. На другий його вхід надходить сигнал гетеродина fг із генератора частот. Отриманий сигнал другої проміжної частоти fпр2 фільтрується смуговим фільтром на ПАР, посилюється підсилювачем УПЧ2, демодулюється і надходить на аналого-цифровий перетворювач (АЦП), де перетворюється на сигнал, необхідний роботи цифрового логічного блоку, виконаного на центральному процесорі CPU.

У режимі передачі інформаційний цифровий сигнал, сформований у логічному блоці, надходить на 1/О-генератор, де відбувається формування модулюючого сигналу. Останній надходить у фазовий модулятор, з якого сигнал fфм надходить у змішувач. На другий вхід змішувача надходить сигнал fпрд із синтезатора частот. Отриманий сигнал fс1 через смуговий фільтр надходить у підсилювач потужності (РОЗУМ), керований за допомогою центрального процесора CPU. Посилений до необхідного рівня сигнал fс1 через смуговий керамічний фільтр надходить до антени А і випромінюється в навколишній простір.

Цифрова логічна частина мобільного телефону (рис. 5.4) забезпечує формування та обробку всіх необхідних сигналів. Серцевиною цієї важливої ​​частини цифрового телефону є центральний процесор CPU. Він виконаний у вигляді НВІС на мікропотужних польових транзисторахзі структурою "метал-діелектрик-напівпровідник" (МДП або MOS).

До складу цифрової частини телефону входять:

Цифровий сигнальний процесор (CPU)зі своєю оперативною та постійною пам'яттю, що здійснює управління роботою стільникового телефону. CPU телефонів трохи простіше, ніж мікропроцесори комп'ютерів, але є складними мікроелектронними виробами.

Аналого-цифровий перетворювач (АЦП),який перетворює аналоговий сигнал з виходу мікрофона на цифрову форму. При цьому вся подальша обробка та передача сигналу мови проводиться у цифровій формі, аж до зворотного цифро-аналогового перетворення.

Кодер мови,здійснює кодування сигналу мови, що має вже цифрову форму, за певними законами з використанням алгоритму стиснення для скорочення надмірності сигналу. Таким чином, здійснюється скорочення обсягу інформації, яку необхідно передавати по радіоканалу зв'язку.

Кодер каналу,додає цифровий сигнал, одержуваний з виходу кодера мови, додаткову (надлишкову) інформацію, призначену для захисту від помилок при передачі сигналу по лінії зв'язку. З цією ж метою інформація піддається певному перепакуванню (перемежування).Крім того, кодер каналу вводить до складу сигналу, що передається інформацію управління, що надходить від логічної частини.

Декодер каналущо виділяє з вхідного потоку даних керуючу інформацію і спрямовує її в логічний блок. Ухвалена інформація перевіряється на наявність помилок, які по можливості виправляються. Для подальшої обробки прийнята інформація піддається зворотній по відношенню до кодера перепакування.

Рис. 5.4. Цифрова та логічна частина мобільного стільникового телефону

Декодер мови,відновлює надходить на нього з декодера каналу цифровий сигнал мови, що переводить його в природну форму, з властивою йому надмірністю, але як і раніше цифровому вигляді. Зазначимо, що з поєднання кодера і декодера, розташованих у одному корпусі інтегральної мікросхеми, іноді використовують назву кодек(наприклад, кодек мовлення, канальний кодек).

Цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП),перетворює прийнятий сигнал мови в аналогову форму і подає цей сигнал на вхід підсилювача динаміка.

Еквалайзер,службовець для часткової компенсації спотворень сигналу через багатопроменеве поширення. Еквалайзер є адаптивним фільтром, який налаштовується за навчальною послідовністю символів, що входять до складу переданої інформації. Цей блок, взагалі кажучи, не є функціонально необхідним і в деяких випадках може бути відсутнім.

Клавіатура,являє собою набірне поле з цифровими та функціональними клавішами для набору номера абонента, що викликається, а також команд, що визначають режим роботи стільникового телефону.

Дисплей,службовець для відображення різної інформації, передбаченої пристроєм та режимом роботи станції.

Блок шифрування та дешифрування повідомлень,призначений для забезпечення конфіденційності передачі інформації.

Детектор мовної активності(Voice activity detector), що включає передавач на випромінювання тільки на ті інтервали часу, коли абонент каже. На час паузи в роботі передавача в тракт додатково вводиться так званий комфортний шум. Це зроблено на користь економного витрачання енергії джерела живлення, і навіть зниження рівня перешкод інших станцій.

Термінальні пристрої,використовувані для підключення через спеціальні адаптери з використанням відповідних інтерфейсів, факс-апаратів, модемів та ін.

SIM-картка(SIM – subscriber identification module, буквально – модуль ідентифікації абонента) – пластикова пластина з мікросхемою, що вставляється у спеціальне гніздо абонентського апарату. У SIM-картці зберігаються:

Дані, що надаються кожному абоненту: міжнародний ідентифікаційний номер рухомого абонента (IMSI), ключ аутентифікації абонента (Ki) та клас управління доступом;

Тимчасові дані про мережу: тимчасові ідентифікаційний номер рухомого абонента (TMSI), ідентифікатор області розташування (LAI), ключ шифрування (Ке), дані про заборонені для доступу рухомі мережі;

Інформація щодо обслуговування: бажана мова спілкування, повідомлення про оплату та перелік послуг.

Одним із основних завдань SIM-карти є захист від несанкціонованого використання стільникового телефону. На рівні абонентського інтерфейсу на SIM-карті записується персональний ідентифікаційний номер (PIN-номер) довжиною від 4 до 8 розрядів, який мікропроцесор SIM-карти після ввімкнення станції звіряє з номером, який користувач набирає за допомогою клавіатури. Якщо три рази поспіль набрано помилковий PIN-номер, використання SIM-карти блокується доти, доки абонент не введе 8-розрядний персональний ключ розблокування (PUK).

Якщо помилковий PUK вводиться 10 разів поспіль, використання SIM-картки повністю блокується та абонент буде змушений звернутися до оператора мережі.

Крім того, завдяки SIM-картам є можливість дзвонити не тільки зі свого стільникового телефону, але й з іншого GSM-телефону, достатньо вставити SIM-карту в апарат і набрати особистий ідентифікаційний PIN-номер.

5.3 Послуги стільникового зв'язку. Конфіденційність зв'язку. Фрод у стільниковому зв'язку. Біологічна безпека.

У системах другого покоління користувачеві можуть надаватися основні та додаткові послуги зв'язку. Основні послуги зв'язку: телефонний зв'язок, екстрені виклики, надсилання коротких повідомлень, факсимільний зв'язок. Послуга екстреного дзвінка дозволяє встановлювати абонентській станції мовний зв'язок із найближчим центром екстреної служби. До додатковим послугамзв'язку відносяться:

· Послуги з розпізнавання номера;
· Переадресація та перенаправлення виклику;
· послуги завершення зв'язку (виклик на утриманні, виклик з очікуванням тощо);
· конференц зв'язок;
· Послуги з обліку вартості переговорів;
· Послуги групового з'єднання;
· Послуги з обмеження дзвінків та ін.

У разі конкурентної боротьби за абонента оператори великих мереж намагаються впроваджувати нові послуги. Останнім часом було введено такі послуги, як підключення абонента на умовах передоплати, послуга WAP – доступ до мережі Інтернет безпосередньо з мобільного терміналу, система глобального позиціонування GPS, відеозв'язок та ін. Але такі можливості з'явилися з появою комунікаторів (смартфонів).

Конфіденційність зв'язкузабезпечується захистом від несанкціонованого доступу до каналів зв'язку. І тому використовуються різні методи шифрування. Наприклад у стандарті GSM шифрування здійснюється шляхом завадостійкого кодування і перемежування і полягає в порозрядному додаванні за модулем 2 інформаційної бітової послідовності та псевдовипадкової бітової послідовності, що становить основу шифру. Повторне застосування операції додавання по модулю 2 з тією ж псевдовипадковою послідовністю до зашифрованої послідовності інфомаційної відновлює вихідну інформаційну бітову послідовність, тобто реаліщує дешифрацію шифрованого повідомлення (рис.).

Існує ще можливість захисту від підслуховування – це скремблювання (scrambling – перемішування, перетасовування), що є своєрідним шифруванням шляхом перестановки ділянок спектру або сегментів мови, що здійснюється в зовнішньому

5.5. Принцип шифрування та дешифрації інформації у стандарті GSM.

по відношенню до мобільного телефону пристрої з відповідним дескремблювання на приймальному кінці.

Фрід(Від англ. fraud- обман, шахрайство) – одна з серйозних проблем стільникового зв'язку. Фрод можна визначити як незаконну діяльність, спрямовану використання послуг стільникового зв'язку без належної оплати чи з оплати цих послуг людьми, такими послугами не пользующимися.

Іноді світову і нашу пресу вражають повідомлення про шахрайства в галузі стільникового зв'язку. Найнеприємніше, коли зареєстрований за кимось стільниковий телефон потрапляє до рук шахраїв, здатних обдурити постачальників стільникового зв'язку та безконтрольно здійснювати переговори у великому обсязі. Іноді при цьому використовуються примітивні прийоми (наприклад, злісні неплатежі), а часом дуже тонкі методи, засновані на прекрасному знанні документації по мережах зв'язку. Практикується переробка номерів стільникових апаратів та різноманітна «хімія» з шифрами та паролями.

Втрати від фрода, навіть після багатьох років боротьби з ним, досягають кількох відсотків загального обсягу послуг стільникового зв'язку. Наприклад, в 1996 р. в США вони склали суму трохи більше 1 млрд дол. при загальному доході від стільникового зв'язку 21 млрд дол. Дані про такі втрати більшість операторів намагаються не публікувати, і вони стають відомими громадськості через роки після великих «проколів» .

Якщо у вас з'явилася підозра, що хтось користується (явно або неявно) вашим апаратом, необхідно негайно повідомити про це постачальника послуг стільникового зв'язку. Наприклад, така підозра може базуватися на помітному збільшенні обсягу оплати послуг стільникового зв'язку порівняно зі звичним для вас рівнем. Якщо не проконтролювати те, що сталося, то ви можете несподівано отримати рахунок на сотні, якщо не на тисячі дол.

Крім фрода, величезних збитків стільникового зв'язку завдає продаж «сірих» телефонів. Це можуть бути придбані дешево забраковані апарати, які потім кустарно доводяться до робочого стану – нерідко далеко не по всіх функціональним можливостям. Такі апарати завдають маси клопоту не тільки їхнім власникам, які задерлися на дешевизну, але й операторам стільникового зв'язку. Бо, погано виконуючи (або взагалі не виконуючи) багато функцій, вони викликають шквал дзвінків у служби сервісу.

Підслуховування розмов по стільникових телефонах – теж далеко не невинна річ. Особливо вразливі у цьому аналогові мережі. Але і в цифрових мережах, навіть за наявності відповідного обладнання для кодування та декодування розмов, підслуховування їх теж цілком можливе. Про це варто пам'ятати, говорячи.

Прийоми незаконного використання стільникових телефонів різноманітні, хоча існує думка у тому, що це треба знати. Тільки ось у якому обсязі? Наприклад, кожному зрозуміло, що стільниковий телефон можна використовувати як дуже простий радіопідривник. Однак опис нехай навіть простої схеми такого застосування навряд чи можна вітати. Відповідні органи миттю можуть визнати це посібником для терористів. Тому, попередивши користувача про наявність проломів у законному застосуванні мобільних телефонів, ми на цьому закінчимо опис цих тонких моментів у використанні мобільних телефонів.

Біологічна безпека.

Іноді з'являються сенсаційні новини про розвиток ракових пухлин від використання стільникового телефону. Десь у США начебто були навіть судові процеси з цього приводу. Зустрічаються і повідомлення про вибухи автостоянок під час заправки автомобілів, про літаки, що збилися з курсу, про стільникові телефони, що зупинилися з вини, реактори атомних електростанцій і т.д. Переважна більшість випадків документального підтвердження такі «новини» не знаходять.

Насправді частоти стільникового зв'язку відносяться до виду електромагнітного випромінювання, яке легко поглинається тканинами наших рук, голови та головного мозку. Дослідження показали, що до 60% енергії випромінювання мобільного телефону поглинається тканинами голови людини. Щоправда, лише частина енергії НВЧ-випромінювання потрапляє углиб голови. Більшість поглинається шкірою і кістками черепа.

Тим часом, жодних офіційних даних про будь-який вплив випромінювання стільникових телефонів на організм людини немає. І не тому, що відповідних досліджень не проводилося. А тому, що норми на потужність випромінювання набагато менші від тих норм, які були встановлені для людей відповідними інстанціями.

Ступінь поглинання енергії електромагнітного випромінювання організмом є величина SAR (Specific Absorption Rates). Вона виявляється у енергії поглиненого випромінювання на одиницю маси (г чи кг) біотканини. При цьому за 20 хвилин дії тканина нагрівається на 1 °С.

Неважко зрозуміти, що такий «термодинамічний» підхід аж ніяк не сприяє заспокоєнню людей. Бо не треба мати великі медичні знання, щоб вважати, що дія випромінювання зводиться не тільки до нагрівання тканин організму. Не можна не враховувати, що на генетичному рівні менш потужне випромінювання здатне викликати порушення клітинної структури тіла або пошкодження генів. Тому, у Європі, наприклад, встановлено норму SAR 2 мВт /р.

Між іншим, є простий спосіб кардинально послабити рівень впливу радіовипромінювання мобільних телефонів на організм людини, і насамперед на його голову. Це застосування спеціальної гарнітури hands free (вільні руки). Ця гарнітура являє собою навушник і мікрофон, що закріплюється на голові, а також пульт управління радіотелефоном. Телефон може бути встановлений на відстані. Можливе підключення до нього та зовнішньої антени, яка може бути встановлена ​​за вікном або навіть на даху автомобіля.

До речі, з усіх видів небезпеки, пов'язаної з стільниковими телефонамина першому місці стоїть відволікання користувача від своєї основної роботи. Наприклад, дуже часті автомобільні аварії, пов'язані з тим, що водій під час їзди бере телефон у руки, особливо коли він набирає номер. У багатьох країнах, включаючи Росію, це заборонено і переслідується штрафами. Гарнітура hands free та голосове керуваннятелефоном – ось основні засоби проти цього фактора.

Контрольні питання

1. Назвіть типові блоки мобільної станції?

2. Розкажіть пристрій та основне призначення вузлів аналогового мобільного телефону?

3. Розкажіть пристрій та основне призначення вузлів цифрового мобільного телефону?

4. Дайте визначення "фрод" і чим він небезпечний?

5. Перерахуйте основні заходи, спрямовані на зниження впливу випромінювання стільникового зв'язку на організм людини?

6. Основні симптоми прояву хвороби, зумовленої радіовипромінюванням?

7. Перерахуйте основні послуги, які надається стільниковим зв'язком?

8. Як забезпечується конфіденційність зв'язку в мобільних мережах?

Принцип роботи стільникового зв'язку

Основні принципи мобільної телефонії досить прості. Спочатку Федеральна комісія зі зв'язку встановила географічні зони покриття стільникових радіосистем на основі змінених даних перепису 1980 р. Ідея стільникового зв'язку полягає в тому, що кожна зона поділяється на комірки шестикутної форми, які, поєднуючись, утворюють структуру, що нагадує бджолині стільники, як показано на малюнку 6.1 а. Шестикутна форма була обрана тому, що забезпечує найбільш ефективну передачу, приблизно відповідаючи круговій діаграмі спрямованості і при цьому усуваючи щілини, які завжди виникають між сусідніми колами.

Сота визначається своїми фізичними розмірами, чисельністю населення та структурою трафіку. Федеральна комісія зв'язку не регламентує кількості сотів у системі та їх розмір, надаючи операторам можливість встановити ці параметри відповідно до очікуваної структури трафіку. Кожній географічній області виділяється фіксована кількість стільникових мовних каналів. Фізичні розміри стільника залежать від абонентської щільності та структури викликів. Наприклад, великі стільники (макросоти) зазвичай мають радіус від 1,6 до 24 км при потужності передавача базової станції від 1 Вт до 6 Вт. Найменші стільники (мікросоти) зазвичай мають радіус 460 м або менше за потужності передавача базової станції від 0,1 Вт до 1 Вт. На малюнку 6.1 б показана стільникова конфігурація з сотами двох розмірів.

Малюнок 6.1. - Стільникова структура осередків а); стільникова структура з сотами двох розмірів б) класифікація сот в)

Мікростільники найчастіше використовуються в регіонах з високою щільністю населення. В силу свого невеликого радіусу дії мікростільники менш схильні до впливів, що погіршують якість передачі, наприклад, відображенням і затримкам сигналу.

Макросота може накладатися на групу мікросот, при цьому мікростільники обслуговують мобільні апарати, що повільно переміщаються, а макросота - швидко переміщувані апарати. Мобільний апарат здатний визначати швидкість свого переміщення як швидку чи повільну. Це дозволяє зменшити кількість переходів з однієї стільники в іншу та корекції даних про місце знаходження.

Алгоритм переходу з однієї стільники в іншу може бути змінений за мінімальних відстаней між мобільним апаратом і базовою станцією мікростільники.

Іноді радіосигнали в соті дуже слабкі, щоб забезпечити надійний зв'язок усередині приміщень. Особливо це стосується добре екранованих ділянок та зон з високим рівнемперешкод. У разі використовуються дуже маленькі стільники – пикосоты. Пікосоти всередині приміщень можуть використовувати ті ж частоти, що і звичайні стільники даного регіону, особливо при сприятливому навколишньому середовищі, як, наприклад, підземних тунелях.

При плануванні систем, що використовують стільники шестикутної форми, передавачі базової станції можуть розміщуватися в центрі стільники, на ребрі стільники або у вершині стільники (рисунок 6.2 а, б відповідно). У стільниках з передавачем у центрі використовуються зазвичай всеспрямовані антени, а в стільниках з передавачами на ребре або у вершині – секторні спрямовані антени.

Всеспрямовані антени випромінюють та приймають сигнали однаково у всіх напрямках.

Рисунок 6.2 – Розміщення передавачів у стільниках: у центрі а); на ребрі б); у вершині в)

У системі стільникового зв'язку одна потужна стаціонарна базова станція, розташована високо над центром міста, може замінюватися численними однаковими малопотужними станціями, які встановлюються в зоні покриття на майданчиках, розташованих ближче до землі.

Стільники, що використовують ту саму групу радіоканалів, можуть уникнути взаємних впливів, якщо вони правильно рознесені. У цьому спостерігається повторне використання частот. Повторне використання частот – це виділення однієї і тієї ж групи частот (каналів) кільком сотам за умови, що ці стільники розділені значними відстанями. Повторне використання частот сприяє зменшення зони обслуговування кожної стільники. Базової станції кожної стільники виділяється група робочих частот, що відрізняються від частот сусідніх сот, а антени базової станції вибираються таким чином, щоб охопити бажану зону обслуговування в межах своєї стільники. Оскільки зона обслуговування обмежена межами однієї стільники, різні стільники можуть використовувати ту саму групу робочих частот без взаємних впливів за умови, що дві таких стільники знаходяться на достатній відстані один від одного.

Географічна зона обслуговування стільникової системи, що містить кілька груп сот ділиться на кластери (Рисунок 6.3). Кожен кластер складається з семи сотень, яким виділяється однакова кількість повнодуплексних каналів зв'язку. Стільники з однаковими літерними позначеннями використовують ту саму групу робочих частот. Як видно з малюнка, однакові групи частот використовуються у всіх трьох кластерах, що дозволяє втричі збільшити кількість доступних каналів мобільного зв'язку. Літери A, B, C, D, E, Fі Gпозначають сім груп частот.

Рисунок 6.3 – Принцип повторного використання частот у стільниковому зв'язку

Розглянемо систему з фіксованою кількістю повнодуплексних каналів, доступних у певній області. Кожна зона обслуговування поділяється на кластери і отримує групу каналів, які розподіляються між Nсотами кластера, групуючись у неповторні комбінації. Всі стільники мають однакову кількість каналів, але вони можуть обслуговувати зони разового розміру.

Таким чином, загальна кількість каналів стільникового зв'язку, доступних у кластері, можна уявити виразом:

F = GN (6.1)

де F- Число повнодуплексних каналів стільникового зв'язку, доступних в кластері;

G- Число каналів в соті;

N- Число сот у кластері.

Якщо кластер "копіюється" в межах заданої зони обслуговування mраз, то сумарна кількість повно дуплексних каналів складе:

C = mGN = mF (6.2)

де З– сумарне число каналів у заданій зоні;

m- Число кластерів у заданій зоні.

З виразів (6.1) та (6.2) видно, що сумарне число каналів у стільниковій телефонній системі прямо пропорційне кількості «повторень» кластера в заданій зоні обслуговування. Якщо розмір кластера зменшується, а розмір стільники залишається незмінним, то покриття заданої зони обслуговування потрібно більше кластерів, і сумарне число каналів у системі зросте.

Число абонентів, які можуть одночасно використовувати ту саму групу частот (каналів), перебуваючи не в сусідніх осередках невеликої зони обслуговування (наприклад, у межах міста), залежить від загальної кількості осередків у цій зоні. Зазвичай число таких абонентів дорівнює чотирьом, однак у густонаселених регіонах воно може бути значно більшим. Це число називають коефіцієнтом повторного використання частот або FRF – Frequency reuse factor. Математично його можна висловити відношенням:

де N– загальна кількість повно дуплексних каналів у зоні обслуговування;

З– загальна кількість повнодуплексних каналів у соті.

В умовах прогнозованого збільшення трафіку стільникового зв'язку збільшений попит на обслуговування задовольняють шляхом зменшення розміру стільники, поділяючи її на кілька сотень, кожна з яких має свою базову станцію. Ефективне поділ сот дозволяє системі обробляти більше дзвінків за умови, що стільники не будуть занадто маленькими. Якщо діаметр стільники стає менше 460 м, то базові станції сусідніх осередків впливатимуть одна на одну. Співвідношення між повторним використанням частот та розміром кластера визначає, як можна змінити масштаб стільникової системи у разі збільшення абонентської густини. Чим менше сот у кластері, тим більша ймовірність взаємних впливів між каналами.

Оскільки стільники мають шестикутну форму, кожна з них завжди має шість рівновіддалених сусідніх стільник, і кути між лініями, що з'єднують центр будь-якої стільники з центрами сусідніх стільник, кратні 60 °. Тому кількість можливих розмірів кластера та схем розміщення сотів обмежена. Для з'єднання сот між собою без пробілів (мозаїчним способом) геометричні розміри шестикутника повинні бути такими, щоб число сот у кластері задовольняло умові:

де N- Число сот у кластері; iі j- Негативні цілі числа.

Знаходження маршруту до найближчих стільників з суміщеним каналом (так званим стільників першого ярусу) відбувається таким чином:

Переміщення на iсот (через центри сусідніх сот):

Переміщення на jсот вперед (через центри сусідніх сот).

Наприклад, кількість сотів у кластері та розташування сотів першого ярусу для наступних значень: j = 2. i = 3 буде визначатися з виразу 6.4 (рисунок 6.4) N = 3 2 + 3 2 + 2 2 = 19.

На малюнку 6.5 показано шість найближчих стільників, що використовують ті ж канали, що й стільники А.

Процес передачі обслуговування з однієї стільники до іншої, тобто. коли мобільний апарат віддаляється від базової станції 1 до базової станції 2 (рисунок 6.6) включає чотири основні етапи:

1) ініціювання – мобільний апарат або мережа виявляє необхідність у передачі обслуговування та ініціює необхідні мережеві процедури;

2) резервування ресурсів – за допомогою відповідних мережевих процедур резервуються ресурси мережі, необхідні для передачі обслуговування (мовний канал і канал управління);

3) виконання - безпосередня передача управління від однієї базової станції до іншої;

4) закінчення – зайві мережеві ресурсизвільняються, стаючи доступними для інших мобільних апаратів.

Рисунок 6.6 – Передача обслуговування