Сотовая связь

Um-интерфейс (GSM Air Interface)

2.1 Частотные диапазоны

Um-интерфейс

ARFCN (Absolute radio-frequency channel number)

2.2 Физические каналы, разделение множественного доступа

интерференциейFDMA (Frequency Division Multiple Access)TDMA (Time Division Multiple Access)CDMA (Code Division Multiple Access)PAMA (Pulse-Address Multiple Access)PDMA (Polarization Division Multiple Access)SDMA (Space Division Multiple Access)FDMATDMAControl Multiframe (содержит 51 фрейм)Traffic Multiframe (содержит 26 фреймов)
тутздесь

2.3 Логические каналы

• каналы трафика (TCH — Traffic Channel),
• каналы служебной информации (CCH — Control Channel).

TCH/FTCH/H

• Широковещательные (BCH — Broadcast Channels).
  • FCCH — Frequency Correction Channel (канал коррекции частоты). Предоставляет информацию, необходимую мобильному телефону для коррекции частоты.
  • SCH — Synchronization Channel (канал синхронизации). Предоставляет мобильному телефону информацию, необходимую для TDMA-синхронизации с базовой станцией (BTS), а также ее идентификационные данные BSIC.
  • BCCH — Broadcast Control Channel (широковещательный канал служебной информации). Передает основную информацию о базовой станции, такую как способ организации служебных каналов, количество блоков, зарезервированных для сообщений предоставления доступа, а также количество мультифреймов (объемом по 51 TDMA-фрейму) между Paging-запросами.
• Каналы общего назначения (CCCH — Common Control Channels)
  • PCH — Paging Channel. Забегая вперед, расскажу, что Paging — это своего рода ping мобильного телефона, позволяющий определить его доступность в определенной зоне покрытия. Данный канал предназначен именно для этого.
  • RACH — Random Access Channel (канал произвольного доступа). Используется мобильными телефонами для запроса собственного служебного канала SDCCH. Исключительно Uplink-канал.
  • AGCH — Access Grant Channel (канал уведомлений о предоставлении доступа). На этом канале базовые станции отвечают на RACH-запросы мобильных телефонов, выделяя SDCCH, либо сразу TCH.
• Собственные каналы (DCCH — Dedicated Control Channels)
  Собственные каналы, так же как и TCH, выделяются определенным мобильным телефонам. Существует несколько подвидов:
  • SDCCH — Stand-alone Dedicated Control Channel. Данный канал используется для аутентификации мобильного телефона, обмена ключами шифрования, процедуры обновления местоположения (location update), а также для осуществления голосовых вызовов и обмена SMS-сообщениями.
  • SACCH — Slow Associated Control Channel. Используется во время разговора, либо когда уже задействован канал SDCCH. С его помощью BTS передает телефону периодические инструкции об изменении таймингов и мощности сигнала. В обратную сторону идут данные об уровне принимаемого сигнала (RSSI), качестве TCH, а также уровень сигнала ближайших базовый станций (BTS Measurements).
  • FACCH — Fast Associated Control Channel. Данный канал предоставляется вместе с TCH и позволяет передавать срочные сообщения, например, во время перехода от одной базовой станции к другой (Handover).

История

В конце XIX века благодаря изобретениям Александра Степановича Попова и итальянца Гульельмо Маркони мир впервые начал передавать голос без проводов на дальние расстояния и через препятствия. Их устройства использовали в военной промышленности Российской Империи и на частных судах Европы, и США. Началась новая эра беспроводных технологий.

В 1946 году компании AT&T и Telephone Laboratories запустили первый проект, похожий на современные сотовые сети связи. Абонент выбирал канал, связывался с оператором, который и соединял его с нужным человеком. Общение абонентов было полудуплексным, т.е. люди не могли говорить одновременно. Работу системы обеспечивало одно мощное радиоэлектронное средство, а телефон весил до 40 кг. Поэтому систему устанавливали в автомобили или стационарные строения. Только к 1964 году компании смогли автоматизировать проект и сделать общение по телефону полностью дуплексным, как сейчас.

Первые сети сотовой связи

В 70-х годах прошлого века компаниями-гигантами была устроена гонка технологий. Они пытались реализовать недавно выдвинутую идею сотового принципа организации сетей сотовой связи. Победу одержала Motorola. Первую базовую станцию на 30 абонентов смонтировали в США на крыше небоскреба. 3.04.1973 глава подразделения по разработке мобильных устройств Motorola совершил первый звонок. Его мобильное устройство весило 1,15 кг, было похоже на кирпич, а заряда аккумулятора хватало на 20 минут общения. До 1983 года компания улаживала законодательные вопросы, дорабатывала телефон и устраняла выявленные недоработки. Первый телефон вышел в продажу под названием Motorola DynaTAC 8000X и стал самым мобильным для своего времени.

В 80-е годы XX века активно использовали технологии, известные под общим названием 1G. Первую коммерческую сеть развернули японцы в 1979 году. Но к концу 80-ых, Европейский институт стандартизации электросвязи разработал стандарт 2G или GSM, который до сих пор использует 29% населения Земли.

В 2001 году в Японии, а в 2003 в Европе запустили технологии CDMA и UMTS, известные под общим наименованием 3G. Уже через 7 лет началось развитие сетей 4G/LTE. Технология была недоработана до конца, но ко второй половине этого десятилетия сотовые компании достигли первоначально заявленной пропускной способности сетей LTE – 1 Гбит/секунду. Для этого пришлось усовершенствовать протоколы передачи данных и увеличить ширину полос беспроводных каналов связи с 5 до 20 МГц.

Сотовая связь в России

Разработки систем сотовой связи велись по всему миру. СССР рассматривал их исключительно для военных целей. Поэтому только к концу 1991 году в Российской Федерации появились сети 1G. Вплоть до экономического кризиса конца 90-ых сотовую связь использовало менее 0,5% населения Российской Федерации. Операторы брали не менее 50 центов за минуту разговора и тарифицировали даже входящие вызовы. Мобильные аппараты стоили слишком дорого. К примеру, телефон, по которому Анатолий Собчак впервые вызывал Сиэтл, обошелся в 5000$. Кризис совпал с падением цен на телефоны и услуги связи. Благодаря этому, число абонентов увеличилось с 300 тысяч человек в 1997 году до 1,5 млн. в конце 1999 года. К 2008 году количество проданных SIM-карт превысило население РФ.

Россия сокращала технологическое отставание сотовой инфраструктуры. В 2003 году группа операторов перешла на устаревший в мире стандарт 3G – CDMA. В 2007 году началось строительство сетей связи другой технологии третьего поколения – UMTS. Она, в отличие от CMDA, востребована по всему миру, работает на больших скоростях передачи данных и может обслуживать большее число абонентов одновременно. В 2012 году началась тестовая эксплуатация 4G.

В 2015 году ООО «Т2 Мобайл» начал предоставлять услуги связи в Москве, не имея передатчиков 2 поколения, – только 3G и 4G.

Центр коммутации мобильной связи

Однако есть вопрос, который мы пока не затрагивали. Сотовая связь действует только тогда, когда сигнал с вышки в вашем районе транслируется на вышку ближайшую к местонахождению вашего друга, но как ваша вышка узнает в какой ячейке он сейчас находится, и на какую вышку направлять сигнал. Для того, чтобы это произошло вышка сотовой связи должна получить помощь от так называемого “Центра коммутации мобильной связи” (MSC). Центр коммутации является связующим компонентом группы вышек сотовой связи, прежде чем двинуться дальше давайте подробнее разберем функции центра коммутации.

Функции центра коммутации

При покупке sim-карты вся информация об абоненте регистрируется в некотором центре коммутации, назовем этот центр домашним. Домашний MSC хранит информацию об абоненте, такую как тарифный план, текущее местоположение и статус активности. Если вы выходите за пределы своего домашнего центра, вас начинает обслуживать новый, который мы назовем гостевым центром коммутации. Когда вы входите в зону гостевого центра, он связывается с вашим домашним MSC, таким образом ваш домашний центр всегда знает в какой зоне вы находитесь.

Чтобы понять в какой из ячеек связанные с данным MSC находится абонент, центр коммутации использует несколько методов:

1. Один из них постоянное обновление информации о положении абонента через определенный промежуток времени.
2. Также обновление выполняется, если мобильное устройство пересекает заранее определенное количество ячеек.
3. Наконец, обновление данных о местоположении происходит при включении мобильного телефона. Давайте разберем все три случая на примере.

Предположим Анель хочет позвонить Роме. Когда Анель набирает номер, запрос на вызов поступает на ее домашний центр коммутации, после получения информации о номере Ромы, запрос будет отправлен на его домашний центр, затем следует проверка текущего MSC Ромы.

Если Рома находится в зоне своего домашнего центра, запрос вызова будет немедленно отправлен на ближайшую к его местоположению вышку с целью первичной проверки, активен ли его телефон или не занят ли он разговором с другим абонентом.

Если все в порядке, телефон Ромы зазвонит и начнется разговор. Однако если Рома находится вне зоны своего домашнего MSC, то его домашний центр коммутации просто перенаправляет запрос вызова на гостевой центр. Гостевой центр коммутации следуя ранее описанной процедуре определит местоположение телефона Ромы, после чего установятся соединение.

Как устроены аналоговые телефонные аппараты

Устройство телефона с дисковым и кнопочным набором схоже по наличию составных блоков, но отличается принципом работы.

Агрегаты включают в себя следующие модули:

• Трубка с микрофоном и динамиком.
• Телефон.
• Вызывное средство.
• Узел набора номера.
• Трансформатор.
• Рычажный выключатель.
• Разделяющий конденсатор.
• Радиочастотный модуль (переносные станции).

Рычажный выключатель отвечает за подключение устройства к абонентской линии. В устройстве беспроводного телефона соединение обусловлено включением питания трубки аппарата.

Телефон переводит электрические импульсы в звук.

Протекающий по катушкам электрический ток образует переменное магнитное поле, которое заставляет вибрировать мембрану динамика.

Электродинамические и электромагнитные аппараты используют дифференциальную магнитную систему, пьезоэлектрические деформируют элементы мембраны связанных с ней источников звуковых частот.

Радиочастотный модуль присутствует только в устройстве беспроводных телефонов. Он предназначен для обмена информацией между телефоном и приемником посредством радиосигналов.

Трансформатор связывает отдельные разговорные узлы между собой. Также устраняет эффект локального эха в трубке и отвечает за согласование с сопротивлением линии.

Разделительный конденсатор необходим для соединения телефона с линией в режиме приема входящего сигнала и ожидания исходящего. Поддерживает высокое сопротивление большому входящему напряжению и низкое — малому.

Номеронабиратель бывает импульсным (дисковым) и электронным (кнопочным). В первом варианте механическое колесо, вращаясь, замыкает контакты и отправляет на АТС сигналы. Их количество соответствует конкретному числу номера абонента. Электронные работают через интегральные микросхемы, которые генерируют искусственно импульсы с помощью твердотельных реле и отправляют их на приемник станции. Современные АТС еще сохраняют такой способ вызова абонента, но чаще используют тональный набор. Современные аппараты также поддерживают еще IP-телефонию. Принцип действия тонального набора заключается в генерации кратковременных сигналов предустановленных частот, каждое значение которой соответствует определенному числу номера. Устройство подключения телефона по протоколу IP предполагает использование сервера провайдера по выделенному интернет-каналу, с которого производится звонок. Мобильные аппараты отправляют радиосигналы заданной частоты на систему коммуникаций вышек сотовых операторов.

Перемещение из камеры в камеру и передача

В примитивной системе такси, когда такси отъезжало от первой вышки и приближалось ко второй вышке, водитель такси вручную переключался с одной частоты на другую по мере необходимости. Если связь прерывалась из-за потери сигнала, водитель такси просил оператора базовой станции повторить сообщение на другой частоте.

В сотовой системе, когда распределенные мобильные приемопередатчики перемещаются от ячейки к ячейке во время непрерывной связи, переключение с частоты одной ячейки на другую частоту ячейки выполняется электронным способом без прерывания и без оператора базовой станции или переключения вручную. Это называется передачей обслуживания или передачей обслуживания. Обычно новый канал автоматически выбирается для мобильного устройства на новой базовой станции, которая будет его обслуживать. Затем мобильная часть автоматически переключается с текущего канала на новый, и связь продолжается.

Точные детали перехода мобильной системы от одной базовой станции к другой значительно различаются от системы к системе (см. Пример ниже, чтобы узнать, как сеть мобильной связи управляет передачей обслуживания).

Государственное регулирование

Как было указано в предыдущем пункте, за установкой электромагнитного оборудования следят на законодательном уровне согласно СанПиН 2.1.8/2.2.4.1383-03.

В пункте об условиях постройки и использования передающих радиотехнических сооружений указаны:

1. общие положения и область использования;
2. нормативы и единицы измерения;
3. гигиенические требования и условия;
4. требования, касательно проведения контроля;
5. таблица допустимых значений электромагнитных полей;
6. список дополнительных сведений.

В случае подозрения на нарушение или ошибку застройщика, необходимо писать жалобу в Роспотребнадзор.

Именно этот орган должен контролировать уровень излучения и дальность расстояния радиотехнических устройств.

В дальнейшем сотрудники Роспотребнадзора проведут независимую проверку и оценку оборудования. При обнаружении каких-либо отклонений от установленных норм, государственный орган через суд имеет право убрать вышку, которая угрожает здоровью жильцов.

Касательно подобных нарушений, существуют следующие статьи административного кодекса Российской Федерации:

• Статья 13.3 КоАП РФ. Самовольные проектирование, строительство, изготовление, приобретение, установка или эксплуатация радиоэлектронных средств и (или) высокочастотных устройств;
• Статья 13.4 КоАП РФ. Нарушение правил проектирования, строительства, установки, регистрации или эксплуатации радиоэлектронных средств и (или) высокочастотных устройств.

Потребитель может так же использовать Федеральный закон «О связи» от 07.07.2003 N 126-ФЗ:

1. Статья 6. Организация деятельности, связанной с размещением сооружений связи и средств связи;
2. Статья 8. Регистрация права собственности и других вещных прав на объекты связи;
3. Статья 68. Ответственность за нарушение законодательства Российской Федерации в области связи;
4. Статья 27. Федеральный государственный надзор в области связи.

Общие сведения о базовой станции

Чтобы понять, что такое базовая станция, необходимо иметь представление из чего вообще состоят сотовые сети. Опыт развития мобильной технологии привёл к разделению функций и логической разбивке системы на три подсистемы. Каждая из которых это замкнутый элемент, выполняющий определенные обязанности. Это целесообразно, и позволяет эффективно контролировать работу, отслеживать неисправности и исправлять ошибки в процессе развития и эксплуатации мобильной связи.

Доступность, качество и непрерывность связи осуществляется благодаря трём подсистемам:

• эксплуатации и технического обслуживания — Operation Subsystem или OSS.
• коммутации — Switching Subsystem или SSS.
• базовых сотовых станций — Base Station Subsystem или BSS.

В общей системе подсистема OSS контролирует качество обмена данными и управляет всеми компонентами. Устранение неисправностей, управление нагрузкой и контроль работы оборудования осуществляются автоматически или в ручном режиме обслуживающим персоналом.

Подсистема коммутации это скелет всей сети GSM. Она обеспечивает коммутацию, регистрацию домашнего и гостевого месторасположения, аутентификацию абонентов.

И наконец, подсистема базовых сотовых станций. В её состав входят:

• Транскодеры — TRAU.
• Контроллеры — BSC.
• И непосредственно базовые сотовые станции — BTS.

Транскодеры и контроллеры помогают функционировать подсистеме, а на отдельные станции возложены следующие обязанности:

• Радиосвязь в определённой соте;
• Контроль качества обмена данными (связи);
• Обмен данными между собой;
• Управление мощностью сигнала.

Каждая базовая сотовая станция это центр соты, обеспечивающая передачу данных и создающая регламентированную зону обслуживания (покрытия). Отсюда и появилось название — сотовая связь.

Сама базовая сотовая станция это комплекс из антенны (антенн), радио модуля и блока питания. Антенны принимают и передают, радио модуль обрабатывает и усиливает сигнал, а блок питания снабжает базу электроэнергией. Располагают базовые антенны на зданиях и сооружениях, возвышенностях, мачтах, вышках до 300 м высотой и просто на столбах. В любом случае, самая заметная и выделяющаяся из общего пейзажа часть — это мачта с несколькими антеннами. Они окружают нас , часто мы просто их не замечаем. Но мобильный телефон работает, значит приёмо-передатчик где-то рядом.

Как работают усилители сотовых сигналов

Усилитель сотовых сигналов состоит из нескольких частей:

• внешняя антенна;
• внутренняя антенна;
• ретранслятор;
• блок питания;
• провода для соединения всех составляющих в единую систему.

Внешняя антенна улавливает сигнал, исходящий от базовой вышки. После этого он поступает на ретранслятор, а уже оттуда к внутренней антенне, которая непосредственно контактирует с мобильным телефоном. Обратный сигнал движется точно по такой же схеме – от гаджета через усилитель и к базовой вышке.

Как видно, конструкция и принцип работы совсем несложные.

Внешняя антенна крепится на улице, для этого используют фасад здания или крышу. А вот внутренний приемник располагается уже внутри помещения, в любом удобном для этого месте.

Помимо того, что усилитель обеспечивает стабильную и хорошую мобильную связь, у него есть еще одно достоинство. Он снижает сверхчастотное излучение, которое появляется, если телефон работает в условиях полной мощности. А так происходит, когда мобильному устройству надо обрабатывать плохой сигнал. И в результате тратится большой запас батарейки телефона только на установление связи, как результат – аккумулятор быстрее разряжается.

С усилителем мобильное устройство работает в более щадящем режиме, а значит, его на дольше хватит без дополнительной зарядки.

Усилители сотовых сигналов часто называют «репитерами». Это не совсем правильно. Оба эти устройства служат одной цели – улучшить качество мобильной связи. Но есть и принципиальное отличие.

Так, усилитель рассчитан на один или несколько телефонов. А вот репитер обслуживает уже большее количество устройств.

Временные сайты

Хотя антенны сотовой связи обычно прикреплены к постоянным конструкциям, операторы также содержат парк транспортных средств, называемых сотами на колесах (COW), которые служат временными сотовыми узлами. Генератор может быть включен для использования там, где электрическая энергия сети недоступна, и система может иметь беспроводную обратную связь, позволяющую использовать там, где проводная связь недоступна.

COW также используются на постоянных сотовых станциях — в качестве временной замены поврежденного оборудования во время плановых отключений и для увеличения пропускной способности, например, во время съездов.

Клетка на колесах (COW)

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.

Внутренняя телефония и АТС

В зависимости от размера компании и количества сотрудников, используются различные способы реализации внутренней связи, в том числе между сотрудниками. Способы реализации приводятся в порядке увеличения уровня сложности.

Прямое подключение линии к абонентскому устройству. Это самый бюджетный и наименее затратный с точки зрения работы специалиста способ коммутации. На практике он состоит в том, что выделенная линия связи протягивается до рабочего места нужного сотрудника в офисе. Особенность данной реализации — в отсутствии телефонной связи между сотрудниками и невозможности обрабатывать больше одного входящего вызова одновременно.

Если у вас малый бизнес, то данный способ вполне позволят реализовать все потребности в связи. Как правило, сотрудники при это сидят в одном офисе, а это позволяет воспользоваться телефоном каждому работнику.

Виртуальная АТС. При выборе входящего подключения с помощью IP-телефонии, у вас появляется возможность гибко настраивать очередь звонков, формировать пул ожидания и работать с автоинформатором.

Если вы выбрали данную реализацию, то она позволит спроектировать сценарий приёма и обработки входящих звонков. Также вы можете запретить некоторым сотрудникам либо отделам совершать исходящие звонки, если этого не требуется по регламенту их работы.

Внутренняя (физическая) АТС. Данный способ организации связи с помощью собственной телефонной станции подходит крупному бизнесу, а так же в ситуациях, когда нужно соединить голосовой отделы и офисы в одном здании. Он позволит присвоить каждому телефонному аппарату внутренний номер, по которому можно дозвониться до сотрудника.

Сложность реализации такого способа подключения заключается в технической настройке АТС. Конечно, при использовании стандартного функционала вы, скорее всего, сможете обойтись силами сотрудников технического отдела, но если вам нужны все возможности современной связи и тонкая настройка очерёдности звонков, то без внешнего специалиста в этой ситуации не обойтись.

Похожие записи:

Как выставить зажигание с помощью стробоскопа? Сигнализация действия защиты и автоматики Подключение потолочного светильника со светодиодами Книги по ардуино Правильная пайка проводов паяльником Птф солярис