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?

Для этого предлагаем вам отправиться в компанию «Билайн ».

На территории России установлено огромное количество БС - базовых станций. Наверное, многие из вас сами видели возвышающиеся в полях красно-белые конструкции или установленные на крышах нежилых зданий сооружения. Каждая такая базовая станция способна поймать сигнал от сотового телефона на расстоянии до 35 км, связываясь с ним по служебным или голосовым каналам .

После того, как вы набрали на своем телефоне номер нужного абонента , происходит следующее: мобильник находит ближайшую БС, связывается с ней по служебному каналу и запрашивает голосовой канал . После этого БС отсылает запрос на контроллер (BSC), который затем поступает на коммуникатор. Если вызываемый абонент обслуживается у того же оператора , что и вы, то коммуникатор проведет сверку с базой данных Home Location Register (HLR), чтобы выяснить, где именно находится тот, кому вы звоните, и перенаправит вызов на нужный коммутатор , который затем переведет звонок на контроллер и далее на Базовую Станцию. Ну и наконец, Базовая Станция свяжется с мобильным телефоном нужного человека и соединит вас с ним. А если тот, с кем вы хотите поговорить, является абонентом другого сотового оператора , или вы звоните на городской номер , то коммутатор «найдет» соответствующий коммутатор другой сети и обратится к нему. Звучит достаточно запутанно, правда? Попробуем разобрать этот вопрос более подробно.

Но вернемся к оборудованию. Как мы уже говорили, с БС вызов переводится на контроллер (BSC). Внешне он мало чем отличается от Базовой Станции :

Количество БС, которые в состоянии обслужить контроллер, может достигать шести десятков. Контроллер и БС связываются по оптическому или радиорелейному каналам . Контроллер управляет работой радиоканалов.

Ниже вы можете увидеть, что из себя представляет коммутатор :

Количество обслуживаемых коммутатором контроллеров варьируется от двух до тридцати. Коммутаторы размещают в больших помещениях, заполненных металлическими шкафами с оборудованием.

Задача коммутатора состоит в управлении трафиком . Если раньше чтобы поговорить друг с другом, абонентам нужно было сначала связываться с телефонисткой, которая затем вручную переставляла нужные провода, то теперь с ее ролью отлично справляется коммутатор .

Внутри автомобилей располагаются устройства, предназначенные для съема и обработки данных :

Контроллеры и коммутаторы находятся под бдительным контролем 24 часа в сутки. Слежение ведется в так называемом ЦКС (Центре Управления Полeтами Цeнтра Контрoля Сeти).

Сотовая связь считается одним из самых полезных изобретений человечества - наряду с колесом, электричеством, интернетом и компьютером. И лишь за несколько десятилетий эта технология пережила целый ряд революций. С чего начиналось беспроводное общение, как работают соты и какие возможности откроет новый мобильный стандарт 5G?

Первое использование подвижной телефонной радиосвязи относится к 1921 году - тогда в США полиция Детройта использовала одностороннюю диспетчерскую связь в диапазоне 2 МГц для передачи информации от центрального передатчика к приемникам в автомобилях полицейских.

Как появилась сотовая связь

Впервые идея сотовой связи была выдвинута в 1947 году - над ней работали инженеры из Bell Labs Дуглас Ринг и Рэй Янг. Однако реальные перспективы ее воплощения стали вырисовываться только к началу 1970-х годов, когда сотрудники компании разработали рабочую архитектуру аппаратной платформы сотовой связи.

Так, американские инженеры предложили размещать передающие станции не в центре, а по углам «ячеек», а чуть позже была придумана технология, позволяющая абонентам передвигаться между этими «сотами», не прерывая связи. После этого осталось разработать действующее оборудование для такой технологии.

Задачу успешно решила компания Motorola - ее инженер Мартин Купер 3 апреля 1973 года продемонстрировал первый работающий прототип мобильного телефона. Он позвонил начальнику исследовательского отдела компании-конкурента прямо с улицы и рассказал ему о собственных успехах.

Руководство Motorola немедленно вложило в перспективный проект 100 миллионов долларов, однако на коммерческий рынок технология вышла только через десять лет. Такая задержка связана с тем, что сначала требовалось создать глобальную инфраструктуру базовых станций сотовой связи.

В продажу первый сотовый телефон поступил 6 марта 1983 года. Он весил почти 800 граммов, мог работать на одном заряде 30 минут в режиме разговора и заряжался около 10 часов. При этом аппарат стоил 3995 долларов - баснословную сумму по тем временам. Несмотря на это, мобильник мгновенно стал популярен.

Почему связь называется сотовой

Принцип мобильной связи прост - территория, на которой обеспечивается соединение абонентов, разбивается на отдельные ячейки или «соты», каждую из которых обслуживает базовая станция. При этом в каждой «соте» абонент получает идентичные услуги, поэтому сам он никак не чувствует пересечения этих виртуальных границ.

Обычно базовая станция в виде пары железных шкафов с оборудованием и антенн размещается на специально построенной вышке, однако в городе их нередко размещают на крышах высотных зданий. В среднем каждая станция ловит сигнал от мобильных телефонов на удалении до 35 километров.

Для улучшения качества обслуживания операторы также устанавливают фемтосоты - маломощные и миниатюрные станции сотовой связи, предназначенные для обслуживания небольшой территории. Они позволяют резко улучшить покрытие в тех местах, где это необходимо.Сотовую связь в России объединят с космосом

Находящийся в сети мобильник прослушивает эфир и находит сигнал базовой станции. В современную SIM-карту, кроме процессора и оперативки, вшит уникальный ключ, позволяющий авторизоваться в сотовой сети. Связь телефона со станцией может осуществляться по разным протоколам - например, цифровым DAMPS, CDMA, GSM, UMTS.

Сотовые сети разных операторов соединены друг с другом, а также со стационарной телефонной сетью. Если телефон выходит из поля действия базовой станции, аппарат налаживает связь с другими - установленное абонентом соединение незаметно передается другим «сотам», что обеспечивает непрерывную связь при перемещениях.

В России для вещания сертифицированы три диапазона - 800 МГц, 1800 МГц и 2600 МГц. Диапазон 1800 МГц считается самым популярным в мире, так как сочетает высокую емкость, большой радиус действия и высокую проникающую способность. Именно в нем сейчас работают большинство мобильных сетей.

Какие стандарты мобильной связи бывают

Первые мобильники работали с технологий 1G - это самое первое поколение сотовой связи, которое опиралось на аналоговые телекоммуникационные стандарты, главным из которых стал NMT - Nordic Mobile Telephone. Он предназначался исключительно для передачи голосового трафика.

К 1991 году относят рождение 2G - главным стандартом нового поколения стал GSM (Global System for Mobile Communications). Данный стандарт поддерживается до сих пор. Связь в этом стандарте стала цифровой, появилась возможность шифрования голосового трафика и отправки СМС.

Скорость передачи данных внутри GSM не превышала 9,6 кбит/с, что делало невозможной передачу видео или высококачественного звука. Проблему был призван решить стандарт GPRS, известный как 2.5G. Он впервые позволил пользоваться сетью Интернет владельцам мобильных телефонов.

Еще одним отличием 3G стало присвоение каждому абоненту IP-адреса, что позволило превратить мобильники в маленькие компьютеры, подключенные к интернету. Первая коммерческая сеть 3G была запущена 1 октября 2001 года в Японии. В дальнейшем пропускная способность стандарта неоднократно увеличивалась.

Наиболее современный стандарт - связь четвертого поколения 4G, которая предназначена только для высокоскоростных сервисов передачи данных. Пропускная способность сети 4G способна достигать 300 Мбит/сек, что дает пользователю практически неограниченные возможности работы в интернете.

Сотовая связь будущего

Стандарт 4G заточен на непрерывную передачу гигабайтов информации, в нем даже отсутствует канал для передачи голоса. За счет чрезвычайно эффективных схем мультиплексирования загрузка фильма высокого разрешения в такой сети займет у пользователя 10-15 минут. Однако даже его возможности уже считаются ограниченными.

В 2020 году ожидается официальный запуск нового поколения связи стандарта 5G, который позволит передачу больших объемов данных на сверхвысоких скоростях до 10 Гбит/сек. Кроме этого, стандарт позволит подключить к высокоскоростному интернету до 100 миллиардов устройств.

Именно 5G позволит появиться настоящему интернету вещей - миллиарды устройств будут обмениваться информацией в реальном времени. По оценке экспертов, сетевой трафик скоро вырастет на 400%. Например, автомобили начнут постоянно находиться в глобальной Сети и получать данные о дорожной обстановке.

Низкая степень задержки обеспечит связь между транспортными средствами и инфраструктурой в режиме реального времени. Ожидается, что надежное и постоянно действующее соединение впервые откроет возможность для запуска на дорогах полностью автономных транспортных средств.

Российские операторы уже экспериментируют с новыми спецификациями - например, работы в этом направлении ведет «Ростелеком». Компания подписала соглашение о строительстве сетей 5G в инновационном центре «Сколково». Реализация проекта входит в государственную программу «Цифровая экономика», недавно утвержденную правительством.

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

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

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

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

2.

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

3.

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

4.

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

5.

6.

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

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

7.

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

8.

9.

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

10.

11.

12.

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

13.

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

14.

Вся крыша такого автомобиля утыкана антеннами:

15.

Внутри стоит оборудование, осуществляющее сотни звонков и снимающее информацию:

16.

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

17.

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

18.

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

19.

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

22.

21.