Принцип работы сотовой связи. Принцип работы сотовой связи Принцип работы мобильного телефона схема
Как-то раз друг, работающий инженером у одного сотового оператора, предложил устроить экскурсию по высоткам Белгорода и рассказать о том, как работает сотовая связь. Я, само собой, отказаться от такого не мог, и этот обзор стал самым интересным, что мне приходилось видеть за последнее время, не говоря уже о том, что с этих крыш открываются невероятно красивые виды родного города. Прежде чем начать это рассказ, хочу искренне поблагодарить Кирилла и за организацию этой экскурсии, и за техническую консультацию в процессе написания этой статьи.
Первой крыша стала высотка на улице Костюкова рядом с жилым комплексом «Владимирский». Этот 18-этажный дом стоит на холме, таким образом являясь одной из самых высоких точек города.
В любом городе крыши высотных зданий всегда облюбованы операторами сотовой связи - здесь установлено множество антенн.
Эти антенны бывают двух типов. Панельные прямоугольные, похожие по форме на пастилу - антенны сотовой связи, или «сектора». Через них ваш сотовый телефон или модем связывается с управляющим блоком - базовой станцией. Обычно несколько подключённых к одной базовой станции секторных антенн установлены под разными углами, чтобы обеспечить связью абонентов со всех сторон. Для оптимального покрытия (как технически, так и экономически), базовые станции расставляют таким образом, что схема их расположения напоминает пчелиные соты - отсюда и термин «сотовая связь». В реальности, конечно, идеальные соты получаются редко, так как на их расположение влияет множество других факторов, как то рельеф, возможность установки БС и количество абонентов. Секторные антенны устанавливаются также и непосредственно в зданиях, для обеспечения сигнала внутри них. В частности, indoor-сектора установлены внутри различных белгородских ТРЦ (Сити-Молле, Мега-Гринне, Рио и др.), в противном случае ваши мобильники не ловили бы там сеть.
Круглая антенна - радиорелейная (РРЛ). При помощи таких антенн осуществляется связь между базовыми станциями, если никакой другой связи между ними нет. Такое соединение называется радиорелейным пролётом. При установке 2 антенн очень важно, чтобы они были чётко направлены друг на друга (этот процесс называется юстировкой), потому что при малейшем отклонении сигнал становится хуже, уменьшая пропускную способность. Антенны могут быть разного диаметра (от 30 см до двух с половиной метров) и работать в разных частотных диапазонах (в зависимости от длины пролёта, типа местности и требований оператора).
Базовой станцией называется помещение, в котором располагается оборудования. Это может быть контейнер, выгородка в здании, изредка - термошкаф. В контейнер подаётся внешнее 3-фазное электроснабжение на 380 вольт. Электричество попадает на вводной щит, от которого запитываются потребители переменного тока (кондиционеры и охранно-пожарная сигнализация). От вводного щита запитан ИБП (источник бесперебойного питания), преобразующий переменный ток в постоянный на 48 вольт, от которого работает большая часть оборудования базовой станции. На фото - стойки оборудования и ИБП базовой станции GSM.
Стойка GSM-овской базовой станции внутри.
Источник бесперебойного питания. У базовой станции и оборудования транспортной сети (внутренних блоков антенн РРЛ, мультиплексоров и прочего) должны быть разные источники питания, так как при отключении питания оборудование транспортной сети должно «продержаться» дольше.
Базовая станция является низшей ступенью в сетевой иерархии. Несколько десятков территориально связанных станций через кабель подключаются к BSC (Base Station Controller, контроллер базовых станций), осуществляющий контроль за их работоспособностью и многими процессами, такими как хэндовер (переключение абонента с одной станции на другую без разрыва соединения), обновление местоположения и сигнализирование, а также параметрами работы. Шкаф контроллера.
Оборудование контроллера.
Оптический магистральный мультиплексор (устройство, комбинирующее несколько различных потоков данных для передачи по одной линии связи).
BSC это серьёзный транспортный узел с кучей радиорелейного, оптического оборудования, критичный к качеству электропитания, из-за чего на случай перебоя с питанием оборудуется серьёзными аккумуляторами (на фото) или ДГУ (дизельным генератором).
Ядром сети в отдельно взятом городе или регионе, с которым соединены контроллеры базовых станций, является MSC (Mobile Switching Centre, центр мобильной коммутации) - автоматическая телефонная станция или коммутатор. Именно MSC определяет, куда направлять звонки, а также обрабатывает звонки из внешних сетей (городской, других операторов) и посылает информацию о длительности разговоров и заказанных услугах в биллинговый центр. Многоуровневая структура сети необходима для более равномерной нагрузки - ведь если бы MSC, например, должен был осуществлять функцию хэндовера и другие функции контроллера базовых станций, нагрузка на него выросла бы в разы. Для проложенных между регионами опорных сетей используются оптоволоконные кабели, позволяющие моментально передавать огромные потоки данных.
Привычное вам слово «симка» происходит от английского сокращения SIM (Subscriber Identity Module, модуль идентификации подписчика). Каждая карта имеет IMSI (International Subscriber Identification Number, международный опознавательный номер абонента, тот самый длинный номер, который написан на ней мелкими цифрами). Когда вы включаете телефон, он передаёт этот номер на БС, откуда он затем идёт на BSC и далее на MSC. MSC запрашивает операторскую базу данных (HLR) о наличии такого абонента, и о том, можно ли ему предоставлять услуги связи (заплатил ли он, подключены ли они), а затем прописывает его в VLR - временной базе данных абонентов, находящихся в зоне действия данного MSC (это включает как и абонентов данной сети, так и роумеров - абонентов других сетей, в данный момент подключённых к ней).
GSM (изначально происходит от Groupe Spécial Mobile) - разработанный в Европе стандарт мобильной связи, фактически ставший мировым (хотя существуют и другие стандарты, например популярный в Америке CDMA). Этот стандарт был ориентирован в первую очередь на голосовую передачу данных. Сети третьего поколения (UMTS), которые иногда для показания преемственности называют 3GSM и в которых используется протокол HSDPA, значительно увеличивающий скорость передачи, уже более заточены именно под данные, хотя при отсутствии GSM-сети через 3G всё же можно сделать звонок. Что же касается LTE, сети 4 поколения, то она полностью оптимизирована для высокоскоростной передачи данных (хотя в российских реалиях многое зависит от развития у операторов т.н. «транспортной сети» - совокупности ресурсов и возможностей по передаче больших объемов информации и распределения этих объемов по базовым станциям).
На фото ниже - базовая станция LTE. В случае отключения электричества аккумуляторов хватит ещё на 5 часов работы.
Большой преградой для развития скоростного мобильного интернета в России является дефицит радиочастот. Нельзя просто установить оборудование и начать обслуживание, нужно сначала получить разрешение на использование частоты. Однако, частоты, необходимые для развёртывания таких сетей, часто бывают зарезервированы Министерством обороны в соответствии со стандартами 60-70 годов прошлого века, когда оборудованию нужны были широкие диапазоны. Выделение («конверсия») таких частот для гражданского использования - процедура дорогая и сложная как технически, так и бюрократически. Помимо того, вплоть до декабря 2013 года в России по закону частоты выделялись только под конкретные технологии, и если компания получала частоту, на которой ей разрешалось предоставлять услуги GSM-связи, она не имела права использовать эту же частоту для LTE. Из-за этого, например, Теле2, не получившая в своё время отдельной частоты для 3G и 4G, долгое время не могла начать предоставлять услуги скоростного мобильного интернета.
Отвлечёмся немного от технической стороны, и посмотрим по сторонам. С этого дома город видно как на ладони. Посмотрим в самый центр. В середине - здание городской администрации. Из-за него выглядывает Преображенский собор. Видны диорама «Огненная дуга» и художественный музей, парк имени Ленина.
Памятник князю Владимиру отсюда кажется совсем крошечным.
Корпуса БелГУ.
Вокзал и городской пляж.
«Технолог», вдали видны районы Старый Город и Крейда.
Внутренний двор ЖК «Владимирский».
Надо зафигачить лук
И конечно, панорамы. Белгород, какая красота!
С большим приближением (к сожалению погода была не идеальной, хоть и светило солнце, воздух был затянут дымкой, несмотря на задранный контраст, видно не очень хорошо.
Если смотреть с этой же крыши в южную сторону. Южная половина города в народе называется «Харьковской горой».
Следующим объектом, который мы посетили, стала 70-метровая сотовая вышка недалеко от БГТУ.
На вышке располагаются антенны, а в металлических будках - оборудование базовых станций. Сама вышка окружена забором из колючей проволоки, чтобы туда не лазили.
Чтобы залезть на вышку, нужно быть в хорошей физической форме. Я, хоть и хожу всё время в спортзал, под конец начал уставать. А Кирилл, который сам здоровенный качок, предложил представить, каково лезть на неё, ещё и таща на себе тяжёлое оборудование.
Но вообще сам процесс залезания изрядно доставил. Это здорово. Никакой страховки нет - держитесь крепче.
Неиспользуемая советская радиорелейная антенна, установленная ещё в 1970-е годы, которую слишком сложно демонтировать из-за её веса и габаритов, поэтому она продолжает здесь висеть. Эта конкретная вышка довольно старая и была построена ещё в те времена, однако, большинство вышек, которые нам встречаются, появились уже во время бурного развития в России сотовой связи.
Монтаж таких вышек обычно осуществляется при помощи вертолёта. На место на длинномерных тягачах привозятся собранные части конструкции весом 2-3 тонны каждая, после чего машина их подымает , а монтажники закрепляют. Красно-белая раскраска, увеличивающая видимость конструкции для летательных аппаратов, является требованием, прописанным в Руководстве по эксплуатации гражданских аэродромов РФ. Такая раскраска наносится на все высотные конструкции, мачты и заводские трубы.
Наверху вышки, как и на высотках, установлены красные огни светового ограждения, нужные для тех же целей, что и раскраска, но в тёмное время суток.
Как правило, на одной вышке находится оборудование сразу нескольких компаний. Сама вышка, при этом, может принадлежать лишь одному оператору (а другие платят аренду), либо нескольким, либо вообще принадлежать какой-то другой организации, которая не занимается услугами связи, а лишь сдаёт объект в аренду. С недавнего времени в России стало появляться также и совместное использование базовых станций.
Вышка немного качается на ветру - так и должно быть.
Всё сильнее хочется стать бейсером.
Строящийся микрорайон Новый-2 и гаражи, сверху напоминающие трущобы какого-нибудь латиноамериканского города. Отдельный гаражный кооператив рядом с жилым массивом - это такое чисто советское изобретение, на западе вызывающее недоумение.
Улица Губкина, Харгора.
Чуть поодаль в середине видны корпуса БГТУ. Справа вдали городской пляж. Вверху слева - высотка, на которой мы только что были.
Общий вид с крыши здания. В самой левой части - начало района Болховец и западная промзона (жёлтое пятно на горизонте - карьер цементного завода). Район Левобережье, центр Хоркиной (синее здание), БелГУ, парк Победы, застроенный коттеджами район Супруновка, железная дорога, район «Салют», две городские телебашни, улица (правильнее было бы назвать её проспектом) Щорса, ТЦ «Сфера», Первомайский район.
Парк Победы и центральная часть города, Супруновка.
Улица Щорса.
Две городские телебашни - старая (слева) и новая. Ночью они красиво подсвечиваются. На них попасть очень и очень сложно (если вы только не Вадим Махоров).
Улицы Плеханова и Горовца.
Западная промзона (цементный завод, Энергомаш, Белаци).
Один из недостатков Белгорода заключается в том, что здесь практически полностью отсутствуют исторические достопримечательности, что делает его малоинтересным для туристов. Дореволюционные здания точечно встречаются в центре, но они со всех сторон окружены современными. Здесь нет ни одной старинной улицы, какие есть в городах вроде Тулы , Ярославля или Владимира, разве что пара улиц со сталинской архитектурой. Сейчас весь центр застраивается стеклобетонными высотками, а прочие районы полностью состоят из таких вот многоэтажек. Панельные дома на переднем плане характерны для 80-х годов, те что дальше - типичная современная архитектура белгородских спальных районов.
Устройство керамической облицовки зданий. Помимо новых домов, её часто применяют для реставрации построек эпохи Хрущёва и Брежнева - квадратные здания, которые уже через два года после побелки начинают выглядеть облезло, будучи облицованными, выглядят вполне себе современно и эстетично.
Вентиляция.
В заключение мы поднялись на крышу бывшего завода «Электроконтакт». В советское время завод производил различное электрооборудование, но в девяностых годах закрылся из-за нерентабельности. Сейчас в его зданиях располагаются офисы и магазины, цеха используются как склады или пустуют.
На крыше одного из зданий установлены радиомачты.
Уютная такая крыша.
Рядом находится одна из городских достопримечательностей, деревянный храм святых мучениц Веры, Надежды, Любови и матери их Софии. В 2009 году эпически сгорел , но с того времени был отстроен заново.
Крыши цехов напоминают улицы заброшенного посёлка. Интересно, как можно туда попасть?
Улица Горького и кольцо Щорса-Королёва-Горького.
Не побоюсь сказать, что в познавательном плане эта была самая интересная экскурсия с момента посещения Зоны отчуждения 6 лет назад. Больше всего на свете я обожаю индустриальные инсайдерские экскурсии, когда можно посмотреть на то, что находится рядом с нами, тесно связано с нашей жизнью, но при этом малоизвестно и закрыто человеку с улицы.
Побывал в Дубовом (пригород Белгорода на юге от Харгоры). Привет, Настя:-)
Такой тихий и приятный спальный райончик. Большую часть его занимают коттеджи.
В этом году тут наконец-то заработал горнолыжный комплекс, который строился очень долго (правда, судя по отзывам, заработал скорее условно).
Если вечером прийти на пешеходный мост над разделяющим северную и южную части города частным сектором, можно встретить Повелительницу коз. Можно ли её вносить в список городских сумасшедших?
Прогулочные лодки на Везёлке.
Почему современные выпускники все такие габаритные? Я в 17 лет весил 55 килограммов, а тут посмотришь - прямо дяди и тёти какие-то. Наверное, виноваты голодные девяностые, в которые мы росли:-)
Обычно вид заходящего за белгородский университет солнца ассоциируется с J:Морсовской песней «Паветра», но в этот момент было странно осознавать, что лето ещё даже не началось, хотя накрепко привязавшаяся к прошлому апрелю «Весна» «Воплів Відоплясова» сюда тоже уже как-то не подходила... Было бы интересно понять, откуда у меня такое желание привязывать ко всему саундтреки.
З тобою літаю я там, де літо, там, де літо,
Там, де душа моя, ллється через край.
З тобою літаю я там, де літо, там, де літо,
Там, де душа моя понесе мене за небокрай.
З нами літо бавилось і сміялось,
З нами літо ділилось своїм теплом,
А під вечір так непомітно вкривалось
Синє небо золотом і вином ©
Если все время сидеть в интернете, то складывается ложное впечатление, что кругом все всем должны. Даже, если не углубляться в политику, где вообще все как один эксперты и знают что нужно делать, но, как говорил герой одного анекдота, делать самому что-то некогда, потому что нужно «таксовать», то нас окружают толпы недовольных людей. Мобильной связью вообще недовольны все, как один. У меня нет готового рецепта как это недовольство исправить, но есть хорошая новость: если вы понимаете как эта чертова мобильная связь работает, то вы гораздо меньше нервничаете. Вот вы, например, когда-нибудь разговаривали о качестве связи с теми, кто ею занимается? Я так точно не раз разговаривал. И ни разу не встречал недовольного специалиста (хотя проблемы со связью, безусловно, бывают и у них). Они не суетятся, не нервничают, потому что почти всегда четко себе представляют что (и почему) происходит. И при каких условиях ситуация может измениться. Овладеть этим «кунг-фу» на самом деле несложно, и начать нужно с того, чтобы разобраться как работает мобильная связь и какие процессы в ней происходят, когда мы снимаем трубку, делаем вызов или используем телефон для интернета.
Радиосигнал
И начать нужно с банального: мобильная связь на самом деле (вот новость-то, да?) использует радиосигнал, который по определению не может быть таким же надежным соединением, как толстый медный кабель надежно спрятанный от любых воздействий (ну, кроме ковша экскаватора, конечно же) извне. Радиосигнал подвержен куче всяких других вещей в этом несправедливом мире. Хотя бы потому, что нас постоянно окружает множество невидимых глазу передач, проходящих на самых разных частотах. Конечно, все мы знаем из школьного курса физики, что сигнал радиоволны может быть на разных частотах (и разной мощности, добавлю, но для нашего понимания ситуации это уже чересчур сложно, не будем так углубляться). И когда мы говорим о том, что наши телефоны работают на частотах 900, 1800 и 1900 МГц, на самом деле это диапазоны частот. А конкретная базовая станция и ваш телефон могут работать на других, близких к ним: 1799 или 1801 ГГц. Именно такое разделение частот и позволяет в современном городе пользоваться мобильной связью тысячам людей одновременно, а не ждать пока свободная частота освободится. Что еще больше усложняет ситуации, если задуматься, что операторов мобильной связи у нас больше, чем один. И все они работают тоже одновременно.
Также из курса физики мы помним (ведь помним же, да?), что при прохождении препятствия сигнал ослабевает. Вспомните как обстоит дело с Bluetooth-сигналом, если вы выйдете в соседнюю комнату. А ведь расстояние менее заявленных стандартом 10 метров. Так что ж - вам врут? Нет, на пути стоит препятствие, а если стена еще и несущая, то внутри нее не гипсокартон, а железная арматура, что однозначно лишь ухудшает сигнал и уж никак не улучшает его. Аналогичная ситуация и с Wi-Fi, и с мобильной связью. Потому что в обоих случаях используется радиосигнал. Поэтому каждый раз, когда вы заходите в лифт или спускаетесь в подвал (например, в кафе), то связь может внезапно ухудшаться. И это нормально, потому что полностью соответствует законам физики, даже если вы о них ничего не знаете.
Базовые станции
Поставили как-то в одном селе базовую станцию.
Через некоторое время оператору, установившему базовую станцию,
стали приходить жалобы от местных жителей
на ухудшееся самочувствие.
«Это еще что», - ответили представители оператора, -
«вот посмотрите что начнется, когда мы ее включим»
Популярный в среде операторов анекдот
Некоторые (не все, конечно) догадываются о том, что для мобильной связи нужны еще и базовые станции. Это довольно сложные (и дорогие) комплексные конструкции, включающие в себя различный набор коммуникационного (и не только его) оборудования. В минимальной конфигурации базовой станции нужно питание, подключение к другим таким же базовым станциям и/или маршрутизаторам сети, способным правильно направить данные и мгновенно связать между собой двух абонентов. Связь эта может быть по опто-волоконному кабелю (и тогда вы его даже не увидите) или по радиоканалу. И тогда вы увидите такие большие круглые антенны радиорелейной связи, работающие по направленному лучу и связывающие базовую станцию с другой (конкретной) такой же станцией. В городе такие базовые станции могут размещаться на крышах административных (премущественно, так проще получить разрешение на их установку) зданиях. Почему на крышах? Потому что чем выше - тем больше открытого пространства и меньше препятствий для радиосигнала. За городом (или там, где нет высоких зданий) для базовой станции устанавливается отдельная мачта, с виду напоминающая мачты электропередач. Сама базовая станция - это еще и ящик с умной электроникой, обслуживающей все это хозяйство, а также кондиционер, охлаждающий ее работу (особенно нужен, как мы все понимаем, летом). По идее, у каждой базовой станции должен еще быть дизель-генератор с автономным питанием, включающийся автоматически при отключении электричества. Иначе при любых авариях энергосети мобильная связь тут же будет отключена, а так она какое-то время еще способна проработать (в идеале - до приезда ремонтной бригады или ликвидации аварии энергосети). Заценили? И это мы еще не перешли к передатчикам, непосредственно связывающим базовую станцию с мобильными телефонами. Вы их видите чаще всего - это вертикально установленные панели, обычно их три - по сектору в 120 градусов на каждый.
Чтобы все это работало как часы и разные игроки рынка не мешали друг другу существует государственное регулирование. Оно касается мощности используемого оборудования, безопасности мобильных телефонов (именно поэтому все легально продаваемые телефоны проходят обязательную сертификацию, что, пусть и немного, но увеличивает их стоимость). Кстати, именно поэтому купленные за границей телефоны могут работать не так хорошо, как хотелось бы - они разработаны для других условий и соответствуют другим требованиям. Особенно это касется дешевых моделей (с брендовыми телефонами таких сюрпризов, как правило, не происходит, потому что их выпускают компании, тщательно следящими за соответствиями своих устройств нормам тех стран, где они официально продаются). О том зачем государство это делает, каким образом и какую пользу это приносит обществу, вы можете почитать в отдельной статье на эту тему.
Но мы помним, что радиосвязь и ее качество все-таки зависит от многих факторов, которые являются непостоянными. Скорость передачи данных в конкретном месте в конкретно взятом промежутке времени может существенно измениться, если поменяются исходные данные. Поэтому, потребительские тестирования - субъективны, однако именно они могут дать информацию потребителю в определенной географической точке о качестве предоставляемой услуги. По-настоящему оценить качество сети можно только при помощи специального оборудования и целой команды специалистов (причем в каждом городе - отдельной).
Помимо естественных причин (нагрузки на сеть, например) есть еще и другая проблема: в городах, где мы живем, постоянно строятся новые объекты, которые способны кардинально менять картину покрытия сети и наличия сигнала в конкретном районе. Поэтому процесс радиопланирования сети - процесс непрерывный. Он никогда не прекращается, и внедрение 3G, которое мы наблюдаем сейчас, - всего лишь один эпизод в длинной цепочке постоянной работы, которая велась, ведется и будет проходить в будущем. Всегда.
Помимо довольно медленных изменений (строительство высотки, согласитесь, занимает месяцы, а то и годы), есть еще стихийные всплески потребления мобильной связи, способные создать пиковые нагрузки, многократно превосходящие емкость сети в текущем месте. Самый простой пример - выставки, когда в одном здании или павильоне собираются тысячи людей, у каждого из которых в кармане есть мобильный телефон. Вы, наверняка, сталкивались с ситуацией, когда на выставке (или стадионе) плохо работала мобильная связь. Аналогичные всплески, например, происходят накануне Нового года, к которому все операторы тщательно готовятся. Потому что для них это не только определенный вызов и удовлетворенность потребителей, но и (к чему скрывать) дополнительный заработок.
Если о мероприятии известно заранее, для увеличения емкости сети используются так называемые мобильные базовые станции. Они представляют собой автомобиль, внутри которого находится куча дорогостоящей электроники, подключающейся к сети оператора и увеличивающей емкость сети в конкретно взятом месте. Для развертывания такой мобильной базовой станции необходимо от 3-4 часов до суток (в зависимости от сложности условий - напомню, что у каждого оператора они свои, и определяются наличием ближайщих базовых станций, расстоянием до них, прямой видимостью и так далее). Например, по словам Юрия Григорьева, начальника департамента эксплуатации мобильной сети Центрального региона lifecell, во время проведения чемпионата по футболу Евро-2012 на Крещатике, в фан-зоне работало сразу три мобильных базовых станции в разных частях улицы (весь Крещатик представлял собой тогда фан-зону с огромными установленными экранами для зрителей). Аналогичные действия проводятся с сезонными мероприятиями, например, днями городов. Свои коррективы вносят и периоды отпусков с курортными местами - морскими летом и горнолыжными зимой. Все эти действия проводятся незаметно для большинства абонентов мобильной связи, которые даже не подозревают о технических сложностях (да, между нами говоря, и не должны подозревать). Но они проводятся всеми операторами вне зависимости от того какого вы мнения об их работе.
Отдельного разговора стоит оборудование, используемое для улучшения связи внутри помещений. Чтобы не усложнять рассказ перечислением разных репитеров и фемтосот, просто скажу, что внутри помещения (это может быть кафе в подвале или огромный торговый центр) устанавливается оборудование, повышающее тем или иным способом емкость сети и передающее весь трафик (голосовой и данные) дальше в сеть оператора. В метро для этого используют специальный излучающий радиосигнал кабель, поэтому мы можем иметь (или не иметь) мобильную связь даже в тоннелях метро, хотя они и находятся на недостижимой для обычных радиоволн глубине.
Опорная сеть
На первый взгляд, вопрос кажется странным, но мы никогда не задумываемся о том куда сигнал с мобильного телефона уходит дальше. Нет, понятно, что он уходит в сеть мобильного оператора, но что такое «сеть»? На самом деле значительная часть сети мобильного оператора находится в... кабеле. Базовые станции, связанные между собой только по радио не способны передавать весь тот объем голосовой связи и тем более данных по радиосигналу. Тем более, что большинство пользователей мобильной связи сосредоточены в отдельных городах, не связанных между собой радиосвязью. И сигнал между ними проходит через магистральные опто-волоконные кабели, составляющие основу отрасли телекоммуникаций. Существует понятие «опорной сети» или back bone, которую еще могут называть трансмиссией в силу ее функций - передачи огромного потока данных между ключевыми сегментами сети оператора. Каждый город, в свою очередь, может иметь свое «кольцо», соединяющее в себе потоки данных от конкретных базовых станций или опорных пунктов, аккумулирующих трафик с нескольких базовых станций. Для управления всей сетью необходимы огромные узловые коммутаторы, обслуживающие целые регионы. Это огромные дата-центры, управляющие всем трафиков и занимающих отдельное здание. Они, как и любые другие дата-центры, имеют несколько независимых каналов подключения, собственные системы энергопотребления. В менее купных городах существуют еще «выносные» коммутаторы, меньшие по размерам, предназначенные для обслуживания своего региона.
Теперь вы понимаете, что мобильная сеть оператора представляет собой очень сложную систему. И на каждом ее этапе, в каждом звене цепочки - от мобильного телефона пользователя до базовой станции, коммутатора и опорной сети может возникнуть проблема с качеством связи. Подробнее мы рассказывали об этих проблемах в отдельной статье , поэтому вкратце напомню, что качество связи зависит от трех факторов: покрытия, емкости и качества самой сети. Грубо говоря, покрытие - это то, куда «добивает» сигнал базовой станции, емкость - способность сети принимать большее количество звонков и/или передавать больший объем данных (кстати, это главная выгода от внедрения сетей 4G, позволяющая нарастить емкость и использовать большее количество частот - это своя отдельная проблема , связанная в том числе с перераспределением частот и технологической нейтральности).
Биллинг
Говоря о мобильной связи, о том как она работает и откуда могут возникнуть проблемы у пользователей, нельзя не затронуть вопрос биллинга. Технически это программное обеспечение определяющее тариф абонента, учитывающий все, включенные в него затраты пользователя, и рассчитывающее его баланс на счету. Оно интегрированно в сеть оператора и при совершеннии какого-либо действия со стороны абонента (вызов, SMS, доступ в интернет) сначала проверяет может ли пользователь совершить это действие, затем либо разрешает системе предоставить абоненту запрашиваемую услугу, либо выдает ему сообщение почему это действие выполнить нельзя (например, не хватает средств на счету). Все эти многочисленные операции происходят мгновенно и незаметно для пользователя, но для общего понимания того как работает мобильная связь, знать об этом стоит.
Как работает биллинг нам объяснил Константин Жилин, руководитель Департамента эксплуатации телекоммуникационных сетей оператора lifecell: «Для того, чтобы сделать звонок, сервер определяет триггер: что нужно сделать, чтобы дать абоненту возможность звонить. Триггером может быть «проиграй какую-то мелодию», иногда это триггер «иди сходи проверь тарификацию». Для того, чтобы абонент сделал звонок, биллинговой системе сначала нужно запросить есть ли достаточно средств у абонента для того, чтобы сделать звонок. Биллинговая система смотрит счет абонента и отвечает: «пожалуйста, разрешаю сделать звонок такой-то длительности». И только после этого происходит подключение трафика, маршрутизации и так далее. После того, как абонент использовал эту квоту звонка, например, 150 секунд, биллинг снова делает запрос разрешения и проверяет остаток денег на счету. Квота выдается исходя из среднестатистического времени совершения звонка и остатка денег на счету и исчисляется в минутах».
Само снятие денег со счета (сакральный момент) происходит по окочанию звонка, когда биллинг запрашивает систему об окончательной длительности звонка и тарифицирует его по фактической продолжительности, а не по объему выделенной квоты. С точки зрения биллинговой системы смена тарифного плана абонента просто означает замена в каталоге продуктов оператора одного пункта на другой. В продуктовом плане для биллинга есть список доступных абоненту услуг, часть из которых являются базовыми (и предоставляемых в рамках тарифного плана без дополнительной платы), а часть - дополнительными и, соответственно, оплачиваемыми отдельно. Если изменяется одно либо другое, значит для биллинга что-то бесплатное становится платным или наоборот. Либо меняется стоимость какой-то конкретной услуги. Так это работает. Все разговоры про воровство операторами денег на самом деле является распространенным заблуждением. Что не отменяет активной маркетинговой деятельности большинства операторов. Но что-то украсть у абонента невозможно физически.
Как говорится, знание - сила, поэтому во всех спорных случаях нужно внимательно читать условия своего тарифного плана и не стесняться уточнять все вопросы у оператора. Сотрудники кол-центров стрессоустойчивы, проходят специальные треннинги и всегда готовы спокойно выслушать абонента и постараться помочь ему. Об этом подробнее мы еще поговорим как-нибудь в следующий раз.
Тем, кто хочет знать больше
Операторы используют свои собственные жаргонные словечки, которые нам показались забавными и стоящими вашего внимания:
- «кастрюлька» - радиорелейная антенна, имеющая круглую форму и предназначенная для связи двух базовых станций между собой по радиоканалу
- «греть воздух » - работать вхолостую, так говорят, когда дорогостоящее оборудование не использует свои возможности полностью, имеет избыточную емкость сети и, соответсвенно, не приносящее ожидаемого дохода для оператора
- «кабинет» - шкаф мобильной базовой станции с оборудованием: шасси с приемо-передатчиком (вмещает в себя до 4 полок, на которых размещается до 12 приемо-передатчиков) и «мозги» базовой станции - электроника, обеспечивающая работу самой сети
Миллионы людей во всем мире пользуются мобильными телефонами, поскольку благодаря мобильным телефонам стало намного легче общаться с людьми всего мира.
В наши дни мобильные телефоны представляют целый ряд функций, и с каждым днем их становиться все больше. В зависимости от модели мобильного телефона, можно делать следующее:
Сохранять важную информацию
Делать заметки или составлять список заданий
Записывать важные встречи и включать сигнал для напоминания
использовать для расчетов калькулятор
отсылать или получать почту
искать информацию (новости, высказывания, анекдоты и многое другое) в Интернете
играть в игры
смотреть телевизор
отправлять сообщения
пользоваться другими устройствами, например МР3 плеером,
устройствами PDA и навигационной системой GPS.
Но разве Вас никогда не интересовало как работает мобильный телефон? И что отличает его от простого стационарного телефона? Что означают все эти термины PCS, GSM, CDMA и TDMA? В этой статье речь пойдет про новые возможности мобильных телефонов.
Начнем с того, что мобильный телефон, по сути, это радио – более усовершенствованного вида, но тем не менее радио. Сам телефон был создан Александром Грехемом Беллом в 1876 году, а беспроводная связь немного позже Николаем Теслой в 1880-е годы (впервые о беспроводной связи начал говорить итальянец Гуглиельмо Маркони в 1894 году). Было суждено, чтобы эти две грандиозные технологии объединились.
В давние времена, когда еще не было мобильных телефонов, люди для общения устанавливали в машины радио телефоны. Такая радиотелефонная система работала за счет одной главной антенны, установленной на башне в меже города, и поддерживала около 25 каналов. Для подключения к главной антенне телефон должен был иметь мощный передатчик – с радиусом около 70 км.
Но не многие могли пользоваться такими радио телефонами из-за ограниченного количества каналов.
Гениальность мобильной системы заключается в разделение города на несколько элементов(«сот»). Это способствует многократному использованию частоты по всему городу, поэтому миллионы людей могут пользоваться мобильными телефонами одновременно. «Сота» выбрана не случайно поскольку именно сотами(формой в виде шестиугольника) наиболее оптимально можно покрыть площадь.
Для того, чтобы лучше понять работу мобильного телефона, необходимо сравнить CB radio (т.е. обычное радио) и радиотелефон..
Полнодуплексное переносное устройство против полудуплексного – радиотелефон как и простое радио являются полудуплексными устройствами. Это значит, что два человека пользуются одной и той же частотой, поэтому они могут говорить только по очереди. Мобильный телефон – это полнодуплексное устройство, что означает, что человек пользуется двумя частотами: одна частота предназначена для того, чтобы слышать человека, находящегося на другой стороне, другая – для того, чтобы говорить. Поэтому по мобильным телефонам можно разговаривать одновременно.
Каналы - радиотелефон использует только один канал, в радио около 40 каналов. В простом мобильном телефоне может быть 1,664 канала и более.
В полудуплексных устройствах оба радиопередатчика используют одну и ту же частоту, поэтому говорить может только один человек. В полнодуплексных устройствах 2 передатчика используют разные частоты, поэтому люди могут говорить одновременно. Мобильные телефоны относятся к полнодуплексным устройствам.
В типовом аналоге мобильной системы в США, пользователь мобильного телефона использует около 800 частот для разговора по городу. Мобильный телефон разделяет город на несколько сот. Каждая сота имеет определенный размер и покрывает площадь в 26 км2. Соты похожи на шестигранники, заключенные в решетку.
Поскольку мобильные телефоны и станции используют маломощные передатчики, то несмежные соты могут использовать одинаковые частоты. Две соты могут использовать одинаковые частоты. Сотовая сеть - это мощные скоростные компьютеры, базовые станции (многочастотные УКВ приемопередатчики), распределенные по всей рабочей зоне сотовой сети, мобильные телефоны и пр. высокотехнологичное оборудование. О базовых станциях мы расскажем далее, а сейчас давайте рассмотрим «соты», которые составляют сотовую систему.
Одна сота в аналоговой сотовой системе использует 1/7 часть доступных двухсторонних каналов связи. Это значит, что каждая сота (из 7 сот в решетке) использует 1/7 часть доступных каналов, которые обладают своим набором частот и за счет этого не накладываются друг на друга:
Пользователь мобильного телефона обычно получает 832 радио частоты для разговора по городу.
Каждый мобильный телефон использует по 2 частоты на звонок – т.н. двухсторонний канал – поэтому на каждого пользователя мобильного телефона приходится 395 каналов связи (оставшиеся 42 частоты используются главным каналом – про него мы расскажем далее).
Таким образом, каждая сота имеет до 56 доступных каналов связи. Это значит, что одновременно разговаривать по мобильным телефонам смогут 56 человек. Аналогом сотовой сети считается первая мобильная технология 1G. С тех пор как начали использовать цифровую передачу информации (2G) число каналов значительно увеличилось.
В мобильных телефонах встроены маломощные передатчики, поэтому они работают на 2 уровнях сигнала: 0,6 ватт и 3 ватт (для сравнении приведем простое радио, которое работает на 4 ваттах). Базовые станции также используют маломощные передатчики, однако они имеют свои преимущества:
Передача сигнала базовой станции и мобильного телефона внутри каждой соты не позволяет далеко отходить от соты. Такими образом обе соты могут повторно использовать те же 56 частот. Те же частоты можно использовать и по всему городу.
Расход заряда мобильного телефона, который обычно работает от аккумулятора, значительно не высокий. Под маломощными передатчиками подразумевается маленькая батарейка, что и делает мобильные телефоны более компактными.
Сотовая сеть нуждается в ряде базовых станций, независимо от размеров города. В небольшом городе должно быть несколько сотен вышек. Всеми пользователями мобильных телефонов в любом городе управляет один главный офис, который называют Центром коммутации для мобильных телефонов. Этот центр контролирует все телефонные звонки и базовые станции в данной местности.
Коды мобильных телефонов
Электронный порядковый номер устройства (ESN) – уникальный 32-битный номер, запрограммированный в мобильный телефон производителем.
Мобильный идентификационный номер (MIN) – 10-значный код, выведенный из номера мобильного телефона.
Код идентификации системы (SID) – уникальный 5-значный код, который закреплен за каждой компанией Федеральной комиссии связи
Последние два кода, MIN и SID, программируются в мобильный телефон, когда покупаешь карточку и включаешь телефон.
Каждый мобильный телефон имеет свой код. Коды нужны для распознания телефонов, владельцев мобильных телефонов и мобильных операторов. Например, у Вас есть мобильный телефон, Вы включаете его и пытаетесь позвонить. Вот что происходит в это время:
Когда Вы только включаете телефон, он ищет код идентификации на главном канале управления. Канал – это особая частота, которой пользуются мобильные телефоны и базовая станция для передачи сигналов. Если телефон не может найти канал управления, то он находится в зоне недосягаемости и на экране высвечивается сообщение "нет сети".
Когда телефон получает код идентификации, он сверяет его со своим кодом. При совпадении мобильному телефону разрешается подключение к сети.
Вместе с кодом, телефон запрашивает доступ в сеть и Центр коммутации для мобильных телефонов фиксирует положение телефона в базе данных, поэтому Центр коммутации знает каким телефоном Вы пользуетесь, когда хочет отослать вам сервисное сообщение.
Центр коммутации принимает звонки и может вычислить ваш номер. В любой момент он может просмотреть ваш номер телефона в своей базе данных.
Центр коммутации связывается с вашим мобильным телефоном, чтобы сообщить какую использовать частоту и после того, как мобильный телефон связывается с антенной, телефон получает доступ в сеть.
Сотовый телефон и базовая станция поддерживают постоянный радиоконтакт. Сотовый телефон периодически переключается с одной базовой станции на другую, от которой исходит более мощный сигнал. Если сотовый телефон выходит при движении из поля базовой станции, то он налаживает связь с другой, ближайшей базовой станцией, даже во время разговора. Две базовые станции «связываются» через Центр коммутации, который передает сигнал вашему мобильному телефону изменить частоту.
Бывают случаи, когда при движении сигнал переходит от одной соты на другую, принадлежащую другому мобильному оператору. В этом случаи сигнал не исчезает, а передается другому мобильному оператору.
Большинство современных сотовых телефонов могут работать в нескольких стандартах, что позволяет пользоваться услугами роуминга (англ. roaming - бродяжничество) в разных сотовых сетях. Центр коммутации, сотами которого вы теперь пользуетесь, соединяется с вашим центром коммутации и запрашивает подтверждение кода. Ваша система передает все данные про ваш телефон другой системе и Центр коммутации подключает вас к сотам нового мобильного оператора. И самое удивительное, что все это делается в течении нескольких секунд.
Самое неприятное во всем этом то, что за звонки по роумингу вы можете заплатить кругленькую сумму. На большинстве телефонах, когда вы только пересекаете границу, высвечивается услуга роуминга. В ином случае, вам лучше проверить карту покрытия мобильной связи, чтобы не пришлось впоследствии оплачивать «завышенные» тарифы. Поэтому проверьте сразу стоимости этой услуги.
Обратите внимание на то, что телефон должен работать не нескольких полосах, если вы хотите пользоваться услугой роуминга, Потому что разные страны используют различные полосы.
В 1983 был разработан первый аналоговый стандарт мобильной связи - AMPS (усовершенствованная подвижная телефонная служба). Этот аналоговый стандарт мобильной связи работает в диапазоне частот от 825 до 890 МГц. Для того, чтобы поддерживать конкуренцию и удерживать цены на рынке, федеральное правительство США требовало, чтобы на рынке было не менее двух компаний, занимающихся одной деятельностью. Одной из таких компаний в США была местная телефонная компания (LEC).
Каждая компания имела свои 832 частоты: 790 - для разговоров и 42 - для данных. Для создания одного канала использовались сразу две частоты. Диапазон частот для аналогового канала обычно составлял 30 КГц. Диапазон передачи и получения голосового канала разделен 45 МГц, для того, чтобы один канал не накладывался на другой.
Версия стандарта AMPS под названием NAMPS (узкополосная усовершенствованная система связи) использует новые цифровые технологии для того, чтобы система могла в три раза повысить свои возможности. Но даже несмотря на то, что она использует новые цифровые технологии, эта версия и далее остается всего аналогом. Аналоговые стандарты AMPS и NAMPS работают только на 800 МГц и не могут пока предложить большого разнообразия функций, как например, подключение к Интернету и работу с почтой.
Цифровые мобильные телефоны относятся ко второму поколению (2G) мобильных технологий. Они пользуются теми же радио технологиями, что и аналоговые телефоны, правда, немного иначе. Аналоговые системы не используют полностью сигнал между телефоном и мобильной сетью - аналоговые сигналы невозможно подавить или манипулировать ими также легко, как это можно делать с цифровыми сигналами. Это одна из причин, почему многие кабельные компании переходят на цифровую связь – таким образом, они могут использовать больше каналов в данном диапазоне. Просто удивительно насколько эффективной может быть цифровая система.
Многие цифровые мобильные системы используют частотную модуляцию (ЧМн) для передачи и получения данных через аналоговый портал AMPS. Частотная модуляция использует 2 частоты, одну для логической единицы, вторую для логического ноля, выбирая между двумя, при передаче цифровой информации между башней и мобильным телефоном. Для того, чтобы переделывать аналоговую информацию в цифровую и обратно необходима модуляция и схема кодирования. Это говорит о том, что цифровые мобильные телефоны должны уметь быстро обрабатывать данные.
По «сложности на кубический дюйм» мобильные телефоны являются одними из самых сложных современных устройств. Цифровые мобильные телефона могут производить миллионы вычислений в секунду для того, чтобы кодировать или раскодировать голосовой поток.
Любой обычный телефон состоит из нескольких деталей:
Микросхема (плата), которая является мозгом для телефона
Антенна
Жидкокристаллический дисплей (LCD)
Клавиатура
Микрофон
Динамик
Аккумулятор
Микросхема является центром всей системы. Далее мы рассмотрим какие бываю чипы и как работает каждый из них. Чип преобразования аналоговой информации в цифровую и обратно кодирует исходящий аудиосигнал с аналоговой системы в цифровую и входящий сигнал с цифровой системы в аналоговую.
Микропроцессор – это центральное процессорное устройство, отвечающее за выполнение основной доли работ по обработке информации. Он управляет клавиатурой и дисплеем, и многими другими процессами.
Чипы ROM и чип карты памяти позволяют хранить данные операционной системы мобильного телефона и другие данные пользователя, например, данные телефонной книги. Радиочастота управляет электропитанием и зарядом, а также работает с сотнями волн FM. Высокочастотный усилитель управляет сигналами, которые поступают на антенну или отражаются ею. Размер экрана значительно увеличился с тех пор, как в мобильном телефоне стало больше функций. Во многих телефонах есть записные книжки, калькуляторы и игры. А теперь еще многие телефоны подсоединяются к PDA или Web browser.
Некоторые телефоны сберегают определенную информацию, например, коды SID и MIN, в встроенной флэш-памяти, в других же используют внешние карты вроде карт SmartMedia.
Во многих телефонах установлены настолько крошечные динамики и микрофоны, что трудно представить, как они вообще издают звук. Как видно, динамики такого же размера, что и маленькая монетка, а микрофон – не больше батарейки для часов. Кстати, такие батарейки для наручных часов используют во внутреннем чипе мобильного телефона для работы часов.
Самое удивительное это то, что 30 лет назад многие такие детали занимали целый этаж здания, а теперь все это помещается на ладони человека.
Существует три самые распространенные способа использования радиочастот мобильными телефонами сети 2G для передачи информации:
FDMA (англ. Frequency Division Multiple Access - множественный доступ с разделением каналов по частоте) TDMA (англ. Time Division Multiple Access - множественный доступ с разделением по времени) CDMA (англ. Code Division Multiple Access) - множественный доступ с кодовым разделением.
Хотя названия этих способов кажутся такими запутанными, можно легко догадаться о том, как они работают, просто разбив название на отдельные слова.
Первое слово, frequency, time, code, указывает на метод доступа. Второе слово, division, “разделение”, говорит о том, что он разделяет звонки, основанные на методе доступа.
FDMA размещает каждый телефонный звонок на отдельной частоте TDMA выделяет каждому звонку определенное время на указанной ему частоте CDMA присваивает уникальный код каждому звонку и дальше передает его на свободную частоту.
Последнее слово каждого способа multiple – «множественный» говорит о том, что каждой сотой могут пользоваться несколько человек.
FDMA
FDMA (множественный доступ с разделением каналов по частоте) - способ использования радиочастот, когда в одном частотном диапазоне находится только один абонент, разные абоненты используют разные частоты в пределах соты. Является применением частотного мультиплексирования (FDM) в радиосвязи. Для того, чтобы лучше понять работу FDMA, нужно рассмотреть как работают радиостанции. Каждая радиостанция посылает свой сигнал на свободные полосы частот. Способ FDMA используется преимущественно для передачи аналоговых сигналов. И хотя этот способ несомненно может передавать и цифровую информацию, его не используют, так как он считается менее эффективным.
TDMA
TDMA (множественный доступ с разделением по времени) - способ использования радиочастот, когда в одном частотном интервале находится несколько абонентов, разные абоненты используют разные временные слоты (интервалы) для передачи. Является приложением мультиплексирования канала с разделением по времени (TDM - Time Division Multiplexing) к радиосвязи. При использовании TDMA, узкая полоса частоты (ширина 30 КГц и длина 6,7 миллисекунды) разбивается на три временные слоты.
Под узкой полосой частоты, обычно, понимают «каналы». Голосовые данные, превращенные в цифровую информацию, сжимаются, за счет чего они занимают меньше места. Поэтому, TDMA работает в три раза быстрее аналоговой системы, используя одинаковое количество каналов. Системы TDMA работают на диапазоне частоты 800 МГц (IS-54) или 1900 МГц (IS-136).
GSM
TDMA в настоящее время является доминирующей технологией для мобильных сотовых сетей и используется в стандарте GSM (Global System for Mobile Communications) (русск. СПС-900) - глобальный цифровой стандарт для мобильной сотовой связи, с разделением канала по принципу TDMA и высокой степенью безопасности благодаря шифрованию с открытым ключом. Однако, GSM иначе использует доступ TDMA и IS-136. Представим, что GSM и IS-136 это разные операционные системы, которые работают на одном процессоре, например, обе операционные системы Windows и Linux работают на базе Intel Pentium III. Системы GSM используют метод кодирования для засекречивания телефонных звонков с мобильных телефонов. Сеть GSM в Европе и Азии работает на частоте 900 МГц и 1800 МГц, а в США на частоте 850 МГц и 1900 МГц и используется в мобильной связи.
Блокирование вашего GSM телефона
GSM является международным стандартом в Европе, Австралии, большей части стран Азии и Африки. Пользователи мобильных телефонов могут купить один телефон, который будет работать везде, где поддерживается этот стандарт. Для того, чтобы подключиться к определенному мобильному оператору в разных странах, пользователи GSM просто меняют SIM карту. SIM карты сохраняют всю информацию и номера идентификации, которые необходимы для подключения к мобильному оператору.
К сожалению, частоты 850МГц/1900-МГц GSM, используемые в США, не совпадают с частотами международной системы. Поэтому, если вы живете в США, но за границей вам очень нужен мобильный телефон, вы можете купить трех- или четырехполосной телефон GSM и пользоваться им на родине и за ее пределами или просто купить мобильный телефон со стандартом GSM 900МГц/1800МГц для поездки за границу.
CDMA
CDMA (множественный доступ с кодовым разделением). Каналы трафика при таком способе разделения среды создаются присвоением каждому пользователю отдельного числового кода, который распространяется по всей ширине полосы. Нет временного разделения, все абоненты постоянно используют всю ширину канала. Полоса частот одного канала очень широка, вещание абонентов накладываeтся друг на друга но, поскольку их коды отличаются, они могут быть дифференцированы. CDMA является основой для IS-95 и работает на полосах частот 800 МГц и 1900 МГц.
Двухполосной и двухстандартный мобильный телефон
Когда вы едете путешествовать вам несомненно хочется найти такой телефон, который будет работать на нескольких полосах, в нескольких стандартах или будет совмещать и то и другое. Давайте более подробно рассмотрим каждую из этих возможностей:
Многополосной телефон может переключаться с одной частоты на другую. Например, двухполосный телефон TDMA может пользоваться службами TDMA в системе 800 МГц или 1900 МГц. Двухполосной телефон GSM может пользоваться службой GSM в трех полосах – 850 МГЦ, 900 МГц, 1800 МГц или 1900 МГц.
Многостандартный телефон. «Стандарт» в мобильных телефонах означает вид передачи сигнала. Поэтому телефон со стандартами AMPS и TDMA при необходимости может переключаться с одного стандарта на другой. Например, стандарт AMPS позволяет вам пользоваться аналоговой сетью в тех районах, в которых не поддерживается цифровая сеть.
Многополосной/ многостандартный телефон позволяет вам менять полосу частоты и стандарт передачи.
Телефоны, которые поддерживают данную функцию, автоматически меняют полосы или стандарты. Например, если телефон поддерживает две полосы, то он подключается к сети 800 МГЦ, если не может подключиться к полосе 1900 МГЦ. Когда в телефоне несколько стандартов, он вначале использует цифровой стандарт, а в случае его отсутствия переключается на аналоговый.
Мобильные телефона бывают двух- и трехполосные. Однако слово «трехполосной» может быть обманчивым. Оно может означать, что телефон поддерживает стандарты CDMA и TDMA, и аналоговый стандарт. И в то же время, оно может обозначать, что телефон поддерживает один цифровой стандарт в двух полосах и аналоговый стандарт. Для тех, кто отправляется в путешествие за границу, лучше приобрести телефон, который работает на полосе GSM 900 МГц для Европы и Азии и 1900 МГц для США, и помимо этого поддерживает аналоговый стандарт. В сущности, это двухполосный телефон, у которого один из этих режимов (GSM) поддерживает 2 полосы.
Сотовая связь и служба персональной связи
Служба персональной связи (PCS) – это по сути служба мобильных телефонов, которая делает акцент на персональную связь и мобильность. Основная особенность PCS состоит в том, что телефонный номер пользователя становится его персональным коммуникационным номером (Personal Communication Number - PCN), который "привязан" к самому пользователю, а не к его телефону или радиомодему. Путешествующий по миру пользователь с помощью PCS может свободно принимать телефонные звонки и электронную почту по своему PCN.
Сотовая связь изначально была создана для использования в автомобилях, в то время как персональная связь подразумевала большие возможности. По сравнению с традиционной сотовой связью служба PCS имеет ряд преимуществ. Во-первых, она полностью цифровая, что обеспечивает более высокую скорость передачи данных и облегчает применение технологий сжатия данных. Во-вторых, частотный диапазон, используемый для PCS (1850-2200 МГц), позволяет снизить стоимость коммуникационной инфраструктуры. (Поскольку габаритные размеры антенн базовых станций PCS меньше габаритных размеров антенн базовых станций сотовых сетей, то производство и установка их обходятся дешевле).
Теоретически, мобильная система в США работает на двух полосах частот – 824 и 894 МГц; PCS работает на частоте 1850 и 1990 МГц. И поскольку эта служба основывается на стандарте TDMA, то PCS имеет 8 временных слотов и интервал между каналами составляет 200 КГц, в отличие от обычных трех временных слотах и 30 КГц между каналами.
3G – это самая новейшая технология в области мобильной связи. 3G означает, что телефон принадлежит третьему поколению – первое поколение – аналоговые мобильные телефоны, второе – цифровые. Технология 3G используется в мультимедийных мобильных телефонах, которые обычно называют смартфонами. Такие телефоны имеют несколько диапазонов и высокоскоростную передачу данных.
3G использует несколько мобильных стандартов. Наиболее распространенными являются три из них:
CDMA2000 - является дальнейшим развитием стандарта 2 поколения CDMA One.
WCDMA (англ. Wideband Code Division Multiple Access - широкополосный CDMA) - технология радиоинтерфейса, избранная большинством операторов сотовой связи для обеспечения широкополосного радиодоступа с целью поддержки услуг 3G.
TD-SCDMA (англ. Time Division - Synchronous Code Division Multiple Access) - китайский стандарт мобильных сетей третьего поколения.
Сеть 3G может передавать данные со скоростью до 3 Мб/с (поэтому для того, чтобы закачать МP3 песню длительностью 3 минуты необходимо всего около 15 секунд). Для сравнения приведем мобильные телефоны второго поколения – самый быстрый 2G телефон может достигать скорости передачи данных до 144 Кб/с (для закачивания 3-х минутной песни нужно около 8 часов). Высокоскоростная передача данных 3G просто идеальна для скачивания информации с Интернета, отправки и получения больших мультимедийных файлов. Телефоны 3G – это своего рода мини-ноутбуки, которые могут работать с крупными приложениями, например, получение поточного видео с Интернета, отправка и получение факсов и загрузка e-mail сообщений с приложениями.
Конечно, для этого нужны базовые станции, которые передают радио сигналы от телефона к телефону.
Базовые станции мобильных телефонов – это литые металлические или решетчатые конструкции, возвышающиеся на сотни футов вверх. На этом рисунке показана современная вышка, которая «обслуживает» 3 разных мобильных оператора. Если взглянуть на основание базовых станций, то можно увидеть, что каждый мобильный оператор установил свое оборудование, которое в наше время занимает очень мало места (у основания более старых башен для такого оборудования строили небольшие помещения).
Базовая станция. фотография с сайта http://www.prattfamily.demon.co.uk
Внутри такого блока помещается радио передатчик и приемник, благодаря которым башня связывается с мобильными телефонами. Радиоприемники соединены с антенной на башне несколькими толстыми кабелями. Если внимательно присмотреться, то можно заметить, что сама башня, все кабели и оборудование компаний у основания базовые станции хорошо заземлены. Например, пластина с прикрепленными к ней зелеными проводами – это медная пластина заземления.
В мобильном телефоне, как и в любом другом электронном приборе, могут возникнуть неполадки:
Чаще всего, к ним относится коррозия деталей, вызванная попаданием влаги в устройство. Если в телефон попала влага, то перед включением нужно убедиться, что телефон полностью высушен.
Слишком высокая температура (например, в автомобиле) может повредить аккумулятор или электронную плату телефона. В результате слишком низкой температуры может выключиться экран.
Аналоговые мобильные телефоны часто сталкиваются с проблемой «клонирования». Телефон считается «клонированным», когда кто-либо перехватывает его номер идентификации и может бесплатно звонить на другие номера.
Вот как происходит «клонирование»: перед тем, как кому-нибудь звонить, ваш телефон передает свои коды ESN и MIN в сеть. Эти коды уникальны и именно благодаря им компания знает, кому отсылать счет за разговоры. Когда ваш телефон передает коды MIN/ESN, кто-то может услышать (при помощи специального прибора) и перехватить их. Если эти коды использовать в другом мобильном телефоне, то с него можно буде звонить совершенно бесплатно, поскольку счет будет оплачивать владелец этих кодов.
Люди уже давно научились общаться на расстоянии. В древности с вестями посылали гонца, позже писали письма. Теперь, чтобы сказать далёкому другу пару слов, можно просто позвонить ему. Главное иметь при себе сотовый телефон. Но как они соединяются между собой, если у них даже нет проводов? В этом рассказе я расскажу вам как работает телефон.
Что это такое?
Мобильный телефон больше похож на рацию, чем на обычный проводнойтелефон. Для передачи сигнала используются радиоволны.
Разница в том, что рации подключены к одной антенне, и могут соединяться, лишь поймав сигнал от неё. Сотовые телефоны не привязаны к конкретной станции. Во время передвижения они подключаются к той антенне, от которой поступает самый сильный сигнал, поэтому мы можем пользоваться связью практически во всем мире, не меняя сим-карту. Антенны, или базовые станции, построены по всему миру, они прячутся в рекламных щитах, часах, столбах и даже в деревьях. Каждая из них отвечает за свою зону, имеющую форму шестиугольника. На схемах эти граничащие друг с другом территории напоминают пчелиные соты. Отсюда и название - сотовая связь.
Кто был первым?
Как вы думаете, кто самым первым поговорил по мобильному телефону? Разумеется, что это был сотрудник компании Motorola, которая их выпустила. В 1973 году, находясь на одной из улиц Нью-Йорка, он позвонил и похвастался звонком с необычного в то время телефона своему главному конкуренту. Этот телефон стал прототипом первого мобильника, поступившего на прилавки магазинов спустя 10 лет.
Чтобы телефон заработал, нужно вставить в него сим-карту. На ней записана информация об абоненте, то есть о человеке, который ею пользуется. Мобильный телефон начинает проверять все доступные ему частоты, их около 160. Шесть лучших сигналов записываются на сим-карту, это и есть сигналы именно вашей сети.
После того как вы набрали номер вашего приятеля, ваш телефон передает информацию о вас на антенну с самым мощным сигналом. Ваш оператор (например, МТС или Билайн) узнаёт вас, находит свободный канал, на котором может происходить ваш разговор, и соединяет вас. Все это занимает всего несколько секунд.
Сам разговор - это достаточно сложный технический процесс. Наш голос разбивается на отрезки длительностью 20 миллисекунд и преобразовывается в цифровой формат, затем кодируется специальной системой. Зашифрованные сигналы обрабатываются ещё раз, чтобы убрать посторонний шум.
Сейчас сотовый телефон служит не только для разговоров. В одном маленьком устройстве умещается такие простые механизмы как простые часы, будильник, калькулятор, календарь, фонарик, так и сложные фотоаппарат, выход в интернет, плеер и многое другое.
В теоретической части мы не будем углубляться в историю создания сотовой связи, о её основателях, хронологию стандартов и т.д. Кому это интересно – материала предостаточно как в печатных изданиях, так и в сети интернет.
Рассмотрим, что же из себя представляет мобильный (сотовый) телефон.
На рисунке очень упрощённо показан принцип работы:
Рис.1 Принцип работы сотового телефона
Сотовый телефон – это приёмо-передатчик, работающий на одной из частот в диапазоне 850МГц, 900МГц, 1800МГц, 1900МГц. Причём приём и передача разнесены по частотам.
Система GSM состоит из 3-х основных компонентов, таких как:
Подсистема базовых станций (BSS – Base Station Subsystem);
Подсистема переключения/коммутации (NSS –NetworkSwitchingSubsystem);
Центр управления и обслуживания (OMC – Operation and Maintenance Centre);
В двух словах работает это так:
Сотовый (мобильный) телефон взаимодействует с сетью базовых станций (БС). Вышки БС обычно устанавливают либо на своих наземных мачтах, либо на крышах домов или других сооружений, или же на арендованных уже существующих вышках всяческих ретрансляторов радио/ТВ и т.п., а также на высотных трубах котелен и других промышленных сооружений.
Телефон после включения и всё остальное время мониторит (прослушивает, сканирует) эфир на наличие GSM-сигнала своей базовой станции. Сигнал своей сети телефон определяет по специальному идентификатору. Если таковой имеется (телефон находится в зоне покрытия сети), то телефон выбирает лучшую по уровню сигнала частоту и на этой частоте посылает БС запрос нарегистрацию в сети.
Процесс регистрации по сути является процессом аутентификации (авторизации). Его суть заключается в том, что каждая SIM-карта, вставленная в телефон, имеет свои уникальные идентификаторы IMSI (International Mobile Subscriber Identity) и Ki (Key for Identification). Эти самые IMSI и Ki заносятся в базу центра аутентификации (AuC) при поступлении изготовленных SIM-карт оператору связи. При регистрации телефона в сети идентификаторы передаются БС, а именно AuC. Дальше AuC (центр идентификации) передаёт телефону некоторое случайное число, которое является ключом для выполнения вычислений по специальному алгоритму. Это вычисление происходит одновременно в мобильном телефоне и AuC, после чего оба результата сравниваются. Если они совпадают, то SIM-карта признаётся подлинной и телефон регистрируется в сети.
Для телефона же идентификатором в сети является его уникальный номер IMEI (International Mobile Equipment Identity). Этот номер обычно состоит из 15 цифр в десятичном представлении. Например 35366300/758647/0. Первые восемь цифр описывают модель телефона и его происхождение. Оставшиеся – серийный номер телефона и контрольное число.
Данный номер хранится в энергонезависимой памяти телефона. В устаревших моделях этот номер можно сменить с помощью специального программного обеспечения (ПО) и соответствующего программатора (иногда и дата-кабеля), а в современных телефонах он дублируется. Один экземпляр номера хранится в области памяти, которую можно программировать, а дубликат – в зоне памяти OTP (One Time Programming), которая программируется производителем один раз и не имеет возможности перепрограммирования.
Так вот, если даже изменить номер в первой области памяти, то телефон, при включении, сравнивает данные обеих областей памяти, и, если обнаруживаются разные номера IMEI – телефон блокируется. Для чего всё это менять, спросите вы? На самом деле законодательство большинства стран запрещает это делать. Телефон по номеру IMEI отслеживается в сети. Соответственно при краже телефона его можно отследить и изъять. А если успеть изменить этот номер на любой другой (рабочий), то шансы найти телефон сводятся к нулю. Этими вопросами занимаются спецслужбы при соответствующей помощи оператора сети и т.д. Поэтому углубляться в эту тему не стану. Нас интересует чисто технический момент смены номера IMEI.
Дело в том, что при определённых обстоятельствах данный номер может повредиться в результате сбоя ПО или неправильного его обновления и тогда телефон абсолютно не пригоден для эксплуатации. Вот тут на помощь и приходят все средства, чтобы восстановить IMEI и работоспособность аппарата. Подробнее этот момент будет рассмотрен в разделе программного ремонта телефона.
Теперь кратенько о передаче голоса от абонента к абоненту в стандарте GSM. На самом деле это технически очень сложный процесс, который абсолютно отличается от привычной передачи голоса по аналоговым сетям как, например, домашний проводной/радио телефон. Чем-то отдалённо похожи цифровые DECT-радиотелефоны, но реализация всё равно другая.
Дело в том, что голос абонента, прежде чем будет передан в эфир, подвергается множеству преобразований. Аналоговый сигнал разбивается на отрезки длительностью 20мс, после чего преобразовывается в цифровой, после чего кодируется путём применения алгоритмов шифрования с т.н. открытым ключом – система EFR (Enhanced Full Rate - усовершенствованная система кодирования речи, разработанная финской компанией Nokia).
Все сигналы кодека обрабатываются очень полезным алгоритмом на основе принципа DTX(Discontinuous Transmission) –прерывистой передачи речи. Его полезность заключается в том, что он управляет передатчиком телефона, включая его только в том момент, когда начинается произношение речи и отключает в паузах между разговором. Всё это достигается с помощью включенного в кодек VAD (Voice Activated Detector) –детектор активности речи.
У принимаемого абонента все преобразования происходят в обратном порядке.
