Вряд ли возможно сегодня найти человека, который бы никогда не пользовался сотовым телефоном. Но каждый ли понимает, как работает сотовая связь? Как устроено и работает то, к чему мы все давно привыкли? Передаются ли сигналы от базовых станций про проводам или все это действует как-то иначе? А может быть вся сотовая связь функционирует лишь за счет радиоволн? На эти и другие вопросы попробуем дать ответ в нашей статье, оставив описание стандарта GSM за ее рамками.
В момент, когда человек пытается совершить вызов со своего мобильного телефона, или когда начинают звонить ему, телефон посредством радиоволн подключается к одной из базовых станций (наиболее доступной), к одной из ее антенн. Базовые станции можно наблюдать то там, то тут, взглянув на дома наших городов, на крыши и на фасады промышленных зданий, на высотки, наконец на специально возведенные для станций мачты красно-белого цвета (особенно вдоль автострад).
Станции эти выглядят как прямоугольные коробки серого цвета, из которых в разные стороны торчат разнообразные антенны (обычно до 12 антенн). Антенны здесь работают как на прием, так и на передачу, и принадлежат они оператору сотовой связи. Антенны базовой станции направлены во всевозможные стороны (сектора), чтобы обеспечить «покрытие сетью» абонентам со всех сторон на расстоянии до 35 километров.
Антенна одного сектора в состоянии обслуживать одновременно до 72 звонков, и если антенн 12, то представьте себе: 864 звонка способна в принципе обслужить одна крупная базовая станция одновременно! Хотя обычно ограничиваются 432 каналами (72*6). Каждая антенна соединена кабелем с управляющим блоком базовой станции. А уже блоки нескольких базовых станций (каждая станция обслуживает свою часть территории) присоединяются к контроллеру. К одному контроллеру присоединяется до 15 базовых станций.
Базовая станция в принципе способна функционировать на трех диапазонах: сигнал 900 МГц лучше проникает внутрь зданий и сооружений, распространяется дальше, поэтому именно данный диапазон часто используют в деревнях и на полях; сигнал на частоте 1800 МГц распространяется не так далеко, но на одном секторе устанавливают больше передатчиков, поэтому в городах ставят чаще именно такие станции; наконец 2100 МГц — это сеть 3G.
Контроллеров, конечно, в населенном пункте или районе, может быть несколько, поэтому контроллеры, в свою очередь, присоединяются кабелями к коммутатору. Задача коммутатора — связать сети операторов мобильной связи друг с другом и с городскими линиями обычной телефонной связи, междугородной связи и международной связи. Если сеть небольшая, то достаточно одного коммутатора, если крупная — используются два и более коммутаторов. Коммутаторы объединяются между собой проводами.
В процессе перемещения человека, разговаривающего по мобильнику, по улице, например: идет он пешком, едет в общественном транспорте, или передвигается на личном авто, - его телефон не должен ни на мгновение потерять сеть, нельзя оборвать разговор.
Непрерывность связи получается благодаря способности сети базовых станций очень оперативно переключать абонента с одной антенны на другую в процессе его перемещения от зоны действия одной антенны — в зону действия другой (от соты к соте). Абонент сам не замечает, как перестает быть связан с одной базовой станцией, и подключен уже к другой, как переключается от антенны — к антенне, от станции — к станции, от контроллера — к контроллеру…
При этом коммутатор обеспечивает оптимальное распределение нагрузки по многоуровневой схеме сети, чтобы снизить вероятность выхода оборудования из строя. Многоуровневая сеть строится так: сотовый телефон — базовая станция — контроллер — коммутатор.
Допустим, мы совершаем вызов, и вот сигнал уже добрался до коммутатора. Коммутатор передает наш звонок в сторону абонента назначения — в городскую сеть, в сеть международной или междугородней связи, либо на сеть другого мобильного оператора. Все это происходит очень быстро с использованием высокоскоростных оптоволоконных кабельных каналов.
Далее наш звонок поступает на коммутатор, что расположен на стороне принимающего звонок (вызываемого нами) абонента. В «приемном» коммутаторе уже есть данные о том, где находится вызываемый абонент, в какой зоне действия сети: какой контроллер, какая базовая станция. И вот, с базовой станции начинается опрос сети, находится адресат, и на его телефон «поступает вызов».
Вся цепочка описанных событий, с момента набора номера до момента раздавшегося на принимающей стороне звонка, длится обычно не более 3 секунд. Так мы можем сегодня звонить в любую точку мира.
Андрей Повный
15.09.2011
История становления и развития мобильной связи в России и мире
Когда я начал обдумывать идею статьи о прошлом сотовой связи, первым делом вспомнилась история, произошедшая 3 апреля 1973 года. Именно в этот день Мартин Купер, глава подразделения мобильной связи американской компании Motorola, совершил первый в мире звонок по мобильному телефону. И именно эта дата считается днем рождения мобильной связи в том виде, в каком мы все к ней привыкли. Но все началось гораздо раньше.
Когда говорят об истории сотовой связи, прежде всего вспоминается 3 апреля 1973 г. Именно в этот день Мартин Купер, глава подразделения мобильной связи американской компании Motorola, совершил первый в мире звонок по мобильному телефону. И теперь он считается днем рождения мобильной связи в том виде, к какому мы привыкли. Но ее история началась гораздо раньше.
Начало пути
Наверное, первой и самой важной датой в истории мобильной связи следует считать 7 мая 1895 г., когда известный русский ученый Александр Степанович Попов продемонстрировал прибор, предназначенный для регистрации электромагнитных волн. Что интересно, изначально Попов не планировал создавать какие-либо средства радиосвязи, а разрабатывал «грозоотметчик», прибор для регистрации молний. Но, по сути, прибор Попова стал первым в мире радиоприемником, источником сигнала для которого служили грозовые разряды. Позднее, в сентябре 1895 г., вместо метрологического регистратора Попов подключил к своему "грозоотметчику" телеграфный аппарат Морзе, что еще больше приблизило его к средству для беспроводной передачи информации.
Следующим шагом к мобильной связи стали сеансы беспроводной телеграфной связи, проводимые Гульельмо Маркони. Причем если в 1896 г. информация передавалась на расстояние нескольких километров, то к концу 1901 г. сообщение Маркони было получено по ту сторону Атлантического океана. Свою роль сыграло и то, что Маркони обладал коммерческой жилкой, благодаря чему разработанная им технология стала коммерчески успешной, а компания «Маркони и К°» -- известной на весь мир.
_(2289).jpg)
«Грозоотметчик» Попова – прибор, с которого началась
беспроводная радиосвязь
Не менее важен был и переход от использования абстрактных "точек-тире" к передаче живого человеческого голоса. Для исследователей-радиотехников тех лет это была одна из наиболее актуальных задач, в процессе решения которой были проведены сотни исследований и получены десятки патентов. Но наибольшего успеха добился Реджинальд Фессенден, в 1900 г. впервые передавший голос по радиоканалу, а к 1903 г. – получивший вполне приемлемое его качество. Датой «мобилизации» беспроводной радиосвязи стал 1901 г., когда Маркони установил приемо-передающее устройство на паровой автомобиль марки «Тоникрофт».
.jpg)
Так выглядел первый автомобиль,
оснащенный системой подвижной радиосвязи
Следующим ключевым стал 1921 г., когда в американском Детройте была запущена первая в мире диспетчерская система телеграфной подвижной связи, предназначенная для нужд местной полиции. Обмен информацией был односторонним – получив сигнал (азбукой Морзе), полицейские связывались с участком по обычному телефону. Фактически построенная в Детройте система была прототипом уже позабытой многими пейджинговой связи. Двусторонняя подвижная радиосвязь для помощи полиции появилась в 1933 г. в Нью-Йорке. Причем она уже была не телеграфной, а голосовой, хотя и работающей в полудуплексном режиме, т.е. для переключения между приемом и передачей нужно было нажимать кнопку.
Америка и Европа
Частным клиентам мобильная радиосвязь впервые стала доступна 17 июня 1946 г., когда в американском Сент-Луисе (штат Миссури) совместными усилиями AT&T и Bell Telephone Laboratories была запущена сеть стандарта MTS, работавшая на частоте 150 МГц. Принцип действия MTS-сети отличался от современной мобильной связи – для покрытия определенной территории использовался один мощный передатчик, а для регистрации сигнала от абонентских устройств – сеть приемников. Вызов в MTS-сети осуществлялся в ручном режиме – сначала абонент выбирал свободный канал, а затем устанавливал связь с оператором, соединявшим его с нужным абонентом. Причем изначально МТS-сеть работала в полудуплексном режиме, что позволяло решить проблему эха. Полнодуплексный режим (т.е. как в обычном телефоне) и автоматический выбор каналов появились лишь в 1964 г. Кстати, уже к концу 40-х гг. прошлого века AT&T и Bell Telephone Laboratories, не были самым передовыми – в 1948 г. Радиотелефонной компанией Ричмонда (штат Индиана) была запущена полностью автоматическая система подвижной радиосвязи, в которой вызов абонента осуществлялся без помощи оператора.
.jpg)
Один из первых автомобильных радиотелефонов
Все первые системы подвижной радиосвязи тех лет имели серьезное ограничение в виде частотного ресурса с ограниченным числом каналов. Это мешало обеспечить полное покрытие значительной территории и не позволяло двум сетям работать в одном частотном диапазоне – минимальное расстояние между двумя радиосистемами должно было составлять не менее 100 км. Решение данной проблемы было найдено сотрудником Bell Laboratories Д. Рингом, предложившим всю зону покрытия разделить на ячейки (соты), образуемые базовыми станциями, работающими в различающихся частотных диапазонах. И именно сотовый принцип стал основополагающим для современных мобильных сетей. Практическая реализация идеи появилась в 1969 г. в поездах Metroliner, курсировавших между Нью-Йорком и Вашингтоном – весь маршрут поезда (255 миль) был разделен на девять зон, в каждой из которых было доступно по шесть каналов на частоте 450 МГц, а центр управления системой находился в Филадельфии.
.jpg)
Схематичное изображение сотовой сети
Одновременно с США системы подвижной радиосвязи развивались и в Европе, где основные работы вели компании «Эрикссон» и «Маркони». Первые испытания европейских систем радиосвязи состоялись в 1951 г., а японских – в 1967 г. Кстати, именно японцы установили, что в условиях городской застройки для подвижной радиосвязи больше всего подходят диапазоны в районе 400 и 900 МГц. Среди европейских стран первая коммерчески успешная сеть сотовой связи была развернута в Финляндии в 1971 г., а к 1978 г. ей была покрыта вся территория страны. Естественно, речь шла об автомобильной радиосвязи, что даже нашло отражение в ее названии – Autoradiopuhelin (ARP, «Автомобильный радиотелефон»). Аналогично позиционировалась и сеть Autotel. Однако несмотря на аналоговую передачу голоса, в стандарте Autotel вся служебная информация, в отличие от других систем подвижной радиосвязи тех лет, передавалась уже в цифровой форме.
Велись разработки в области подвижной радиосвязи и в нашей стране, но о них будет рассказано немного ниже, а пока вернемся в США, где развернулась яростная борьба между компаниями AT&T Bell Labs и Motorola, стремившимися стать лидерами на зарождающемся рынке мобильной связи. Причем AT&T Bell Labs делала ставку на автомобильную радиосвязь, а Motorola – на компактные устройства, которые можно было носить с собой. Конкуренция была достаточно жесткой, предпринимались даже попытки задействовать административный ресурс в лице FCC (Федеральной комиссии по коммуникациям). Победителем в борьбе вышла Motorola, а главным направлением дальнейшего развития мобильной связи стало создание компактных устройств, которые можно было просто носить с собой. Коммерческая сеть, основанная на предложенных Motorola принципах, была запущена в 1983 г., через десятилетие после того исторического звонка.
_(115).jpg)
Первый мобильный телефон Motorola DynaTAC 8000X
(Dynamic adaptive total area coverage)
Если обсуждать стандарты сотовой связи тех лет, то следует напомнить, что в Америке начинал набирать популярность аналоговый стандарт AMPS (Advanced mobile phones service - усовершенствованная подвижная телефонная служба), впоследствии усовершенствованный до цифрового D-AMPS. В Европе появилась целая россыпь различных несовместимых между собой стандартов, а наибольшее распространение получили скандинавский NMT (Nordic mobile telephony) и развернутый в ряде европейских стран TACS (Total access communications system, аналог AMPS). В Японии наиболее популярными стали NTT (Nippon telephone and telegraph system) и модифицированный вариант TACS, получивший имя JTACS(NTACS). Все перечисленные стандарты, как и AMPS, были аналоговыми, а построенные сети относились к первому поколению мобильной связи.
Одновременно с ростом количества абонентов мобильных сетей перед европейцами встал вопрос создания единого стандарта мобильной связи, для чего в 1982 г. была создана группа Groupe Spécial Mobile, включавшая 26 европейских телефонных компаний. На разработку одноименного стандарта ушло девять лет – его первая спецификация была опубликована в 1991 г., а первая в мире коммерческая GSM-сеть была запущена в 1992 г. в Финляндии. Альтернативой GSM стал стандарт CDMA, распространенный в США и странах Азии. Первая коммерческая CDMA-сеть появилась в 1995 г. в Гонконге, а первая спутниковая система связи коммерческого назначения (основанная на технологии CDMA Omni TRACKC) была запущена в 1980 г. Кстати, теоретические основы CDMA заложил еще в 1935 г. русский ученый Д. В. Агеев.
Наша история
Сотовая связь в современном понимании пришла в нашу страну в 1991 г., когда компания «Дельта Телеком» развернула сеть стандарта NMT-450i, а первый звонок с ее использованием состоялся 9 сентября 1991 г. Первая российская GSM-сеть была запущена в 1994 г., одновременно с появлением оператора «Северо-Западный GSM».
Однако история развития мобильной связи в нашей стране имеет более глубокие корни. Все началось с того, что во время Великой Отечественной войны советский ученый Георгий Ильич Бабат предложил идею устройства под названием «монофон», представлявшего собой переносной телефонный аппарат, работающий полностью в автоматическом режиме. Рабочий диапазон частот устройства должен был находиться в районе 1--2 ГГц, но в отличие от современных средств сотовой связи, в «монофоне» для передачи голоса планировалось использовать не радиоканал, а разветвленную сеть волноводов.
.jpg)
Г.И. Бабат, изобретатель «монофона»
Следующий шаг к отечественной мобильной связи был сделан Г. Шапиро и И. Захарченко, предложившими в 1946 г. систему автомобильной радиотелефонной связи. Ее принцип был прост и гениален – городские телефонные станции предполагалось дополнить радиоприемной аппаратурой, а каждому автомобилю, оснащенному радиосвязью, – выделить индивидуальные позывные. Для совершения вызова достаточно было передать в эфир свои позывные, после чего автоматически включался установленный в автомобиле телефон, пользоваться которым можно было, как обыкновенным телефонным аппаратом. При поступлении на номер мобильного абонента входящего звонка установка связи с ним осуществлялась также посредством позывных. На первых порах даже радиус действия системы Шапиро -- Захарченко составлял примерно 20 км, но впоследствии изобретатели смогли увеличить его до 150 км, причем сам прибор был весьма компактным. Изначально систему Шапиро -- Захарченко предполагалось использовать для координации работы милиции, пожарных, медиков и других экстренных служб. Однако идея не прижилась в первую очередь из-за нежелания этих служб быть привязанными к городской телефонной сети.
Но действительно сенсационным можно считать то, что в 1957 г. Л. И. Куприянович создал прототип мобильного телефона, получившего имя ЛК-1. Что интересно, до разработки ЛК-1 сферой деятельности Куприяновича было создание портативных раций, так же как и у его заокеанского коллеги Мартина Купера. Сопряжение ЛК-1 с городской телефонной сетью осуществлялось через «Автоматическую телефонную радиостанцию» (АТР), с которой «мобильная» трубка была связана четырьмя частотными каналами: прием звука, передача звука, передача сигналов набора номера и отправка сигнала завершения вызова. Причем был продуман и вопрос массового использования ЛК-1 – в этом случае управляющие сигналы различались по тональности, а для передачи голоса использовались разные частотные каналы. Радиус действия аппарата составлял несколько десятков километров.
_(8652).jpg)
Заметка в журнале «Наука и жизнь», №10, 1958 г..
Обратите внимание – в СССР изначально ставка делалась именно на создание систем подвижной радиосвязи, использование которых максимально похоже на использование обычных городских телефонов, причем эти системы должны были максимально просто интегрироваться с действующей городской телефонной сетью. Также понималась и важность компактных размеров – если первые варианты ЛК-1 весили около 3 кг (напомню, вес автомобильных радиотелефонов составлял 10--20 кг.), то уже в 1958 г. Куприяновичу удалось изготовить телефон весом всего 500 гр. А в 1959 г. он выдвинул предложение установить АТР на высотном задании, т.е. реализовать то же самое, что сделал Мартин Купер спустя 14 лет. Но изобретение Л.И. Куприяновича хода не получило, и к 1960--1961 гг. в своих статьях он рассказывает о портативных рациях и новостях электроники, но ни словом не упоминает о радиотелефоне.
И это не случайно -- в конце 50-х гг. прошлого века по заказу высшего руководства страны в СССР началась разработка системы подвижной автоматической радиосвязи «Алтай». Причем одно из главных требований состояло в том, чтобы ее использование было максимально схоже с применением обычной телефонной сети, т.е. ручное переключение каналов и необходимость вызова диспетчера были исключены. И эта задача была решена – уже в 1963 г. система была запущена в опытную эксплуатацию на территории Москвы. Рабочий диапазон «Алтая» находился в районе 150 МГц, а позднее был задействован и диапазон 330 МГц. К середине 70-х под покрытием этой системы оказались уже 114 городов СССР, а на Олимпиаде 1980 г. она стала основным средством для связи освещавших ее журналистов. Причем качество связи на «Алтае» было не хуже, чем на лучших проводных телефонных линиях, а проблемы со связью возникали достаточно редко. В эпоху своего расцвета она стала доступна не только партийным и государственным деятелям, но и руководителям предприятий – к началу 80-х гг. ею пользовались около 25 тыс. абонентов. Для высшего руководства страны и нужд спецслужб также была создана «Роса», представлявшая собой вариант «Алтая», дополненный средствами шифрования.
.jpg)
Абонентское оборудование «Алтай» образца 1960-х гг
.jpg)
Были у СССР и планы по развертыванию сети мобильной связи, доступной для рядового человека. В начале 1980-х годов была начата работа над системой «ВоЛеМоТ», название которой состояло из первых букв городов, где велась ее разработка: Воронеж, Ленинград, Молодечно, Тернополь. Причем в систему изначально закладывались возможность использования множества базовых станций с целью покрыть всю территорию страны и поддержка автоматического перехода между базовыми станциями без прерывания разговора. Таким образом, «ВоЛеМоТ» могла стать полноценной сотовой сетью, и если бы не бюрократические проволочки и недостаточное финансирование работ, то ее запустили бы уже к середине 1980-х гг. В качестве рабочего диапазона в ней планировалось использовать частоту 330 МГц, что давало возможность покрыть одной базовой станцией большие расстояния. Кстати, запуск системы в эксплуатацию в некоторых городах все же состоялся, но произошло это лишь в середине 1990-х гг., когда технологическое лидерство было упущено, а на рынке доминировали NMT- и GSM-сети.
Резюме
История не имеет сослагательного наклонения. Мы упустили возможность стать лидерам в деле строительства мобильных сетей, а ведь шансы для этого у нашей страны были. В 1959 г. болгарский ученый Христо Бачваров создал мобильный телефон, концептуально схожий с аппаратом Л.И. Куприяновича, и получил соответствующий патент. Более того, на выставке «Интероргтехника-66» засветились РАТ-0,5 и АТРТ-0,5, компактные мобильные телефоны промышленного производства, а также базовая станция РАТЦ-10, способная одновременно связать шесть мобильных абонентов с городской телефонной сетью. Но в серию все эти наработки так и не пошли, а днем рождения мобильной связи все признали 3 апреля 1973 г., когда Мартин Купер совершил свой исторический звонок.
Как зарождалась связь
Сотовая связь с недавних пор так прочно вошла в нашу повседневную жизнь, что трудно представить современное общество без нее. Как и многие другие великие изобретения мобильный телефон сильно повлиял на нашу жизнь, и на многие ее сферы. Трудно сказать каким было бы будущее, если бы не этот удобный вид связи. Наверняка таким же, как и в фильме "Назад в Будущее-2", где есть летающие авто, ховерборды, и многое другое, но нет сотовой связи!
Но сегодня в специальном репортаже для будет рассказ не о будущем, а о том, как устроена и работает современная сотовая связь.
Для того, чтобы узнать о работе современной сотовой связи в формате 3G/4G, я напросился в гости к новому федеральному оператору Tele2 и провел целый день с их инженерами, которые объяснили мне все тонкости передач данных через наши мобильные телефоны.
Но расскажу вначале немного об истории возникновения сотовой связи.
Принципы работы беспрводной связи были опробованы почти 70 лет назад - первый общественный подвижный радиотелефон появился в 1946 г. в Сент-Луисе, США. В Советском союзе опытный образец мобильного радиотелефона был создан в 1957 году, потом ученые других стран создавали подобные устройства с различными характеристиками, и только в 70-х годах прошлого века в Америке были определены современные принципы работы сотовой связи, после чего и началось ее развитие.
Мартин Купер - изобретатель прототипа портативного сотового телефона Motorola DynaTAC весом в 1,15 кг и размерами 22,5х12,5х3,75 см
Если в западных странах к середине 90-х годов прошлого века сотовая связь была распространена повсеместно и ей пользовалась большая часть населения, то в России она только начала появляться, и стала доступной для всех чуть более 10 лет назад.
Громоздкие кирпичеобразные мобильники работавшие в форматах первого и второго поколений ушли в историю, уступив место смартфонам с 3G и 4G, лучшей голосовой связью и высокой скоростью интернета.
Почему связь называется сотовой? Потому что территория, на которой обеспечивается связь, разбивается на отдельные ячейки или соты, в центре которых располагаются базовые станции (БС). В каждой "соте" абонент получает одинаковый набор услуг в определенных территориальных границах. Это означает, что перемещаясь от одной "соты" к другой, абонент не чувствует территориальной привязанности и может свободно пользоваться услугами связи.
Очень важно, чтобы была непрерывность соединения при перемещении. Это обеспечивается благодаря так называемому хэндовер (Handover), при котором соединение установленное абонентом как бы подхватывается соседними сотами по эстафете, а абонент продолжает разговаривать или копаться в соцсетях.
Вся сеть делится на две подсистемы: подсистема базовых станций и подсистема коммутации. Схематически это выглядит так:
В середине "соты", как было сказано выше находится базовая станция, которая обычно обслуживает три "соты". Радиосигнал от базовой станции излучается через 3 секторные антенны, каждая из которых направлена на свою "соту". Бывает так, что на одну "соту" направлены сразу несколько антенн одной базовой станции. Это связано с тем, что сеть сотовой связи работает в нескольких диапазонах (900 и 1800 МГц). Кроме того, на данной базовой станции может присутствовать оборудование сразу нескольких поколений связи (2G и 3G).
Но на вышках БС Tele2 стоит оборудование только третьего и четвертого поколения - 3G/4G, так как компания решила отказаться от старых форматов в пользу новых, которые помогают избегать обрывов голосовой связи и обеспечивают более стабильный интернет. Завсегдатаи соцсетей поддержат меня в том, что в наше время скорость интернета очень важна, 100-200 кб/с уже не достаточно, как это было пару-тройку лет назад.
Наболее привычным местом размещения БС является башня или мачта, построенная специально для нее. Наверняка вы могли видеть красно-белые вышки БС где-то в отдаленности от жилых домов (в поле, на холме), или там, где поблизости нет высоких зданий. Как вот эта, которая видна из моего окна.
Однако, в условиях городской местности трудно найти место под размещение массивного сооружения. Поэтому в крупных городах базовые станции размещаются на зданиях. Каждая станция ловит сигнал от мобильных телефонов на удалении до 35 км.
Это антенны, само оборудование БС находится на чердаке, или в контейнере на крыше, которое представляет из себя пару железных шкафов.
Некоторые базовые станции расположены там, где вы даже не догадаетесь. Как например на крыше этой парковки.
Антенна БС состоит из нескольких секторов, каждый из которых принимает/отправляет сигнал в свою сторону. Если вертикальная антенна осуществляет связь с телефонами, то круглая соединяет БС с контроллером.
В зависимости от характеристик, каждый сектор может обслуживать до 72 звонков одновременно. БС может состоять из 6 секторов, и обслуживать до 432 звонков, однако обычно на станциях устанавливают меньше передатчиков и секторов. Сотовые операторы, такие как Tele2, предпочитают ставить больше БС для улучшения качества связи. Как мне сказали, здесь используется самое современное оборудование: базовые станции Ericsson, транспортная сеть - Alcatel Lucent.
От подсистемы базовых станций сигнал передается в сторону подсистемы коммутации, где и происходит установление соединения с нужным абоненту направлением. В подсистеме коммутации есть ряд баз данных, в которых хранятся сведения об абонентах. Кроме того эта подсистема отвечает за безопасность. Если сказать проще, то коммутатор выполняет те же функции, что и девушки операторы, которые раньше руками соединяли вас с абонентом, только сейчас все это происходит автоматически.
Оборудование для этой базовой станции спрятано в этом железном шкафу.
Кроме обычных вышек есть также и мобильные варианты базовых станций, размещенные на грузовиках. Их очень удобно использовать во время стихийных бедствий или в местах массового скопления людей (футбольные стадионы, центральные площади) на время праздников, концертов и различных мероприятий. Но, к сожалению, из-за проблем в законодательстве широкого применения они пока не нашли.
Для обеспечения оптимального покрытия радиосигналом на уровне земли, базовые станции проектируются специальным образом, потому несмотря на дальность в 35 км. сигнал не распространяется на высоту полета самолетов. Однако некоторые авиакомпании уже начали устанавливать на своих бортах небольшие базовые станции, обеспечивающие сотовую связь 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.
Также я заглянул в офис Tele2, чтобы увидеть как специалисты контролируют качество сотовой связи. Если несколько лет назад такая комната была бы увешана до потолка мониторами показывающими данные сети (загруженность, аварии сети, и т.п.) то со временем надобность в таком количестве мониторов отпала.
Технологии со временем сильно развились и достаточно вот такой небольшой комнаты с несколькими специалистами, чтобы наблюдать за работой всей сети в Москве.
Немного видов из офиса Tele2.
На совещании сотрудников компании обсуждаются планы по захвату столицы) С начала стройки до сегодняшнего дня Tele2 успел покрыть своей сетью всю Москву, и постепенно завоевывает Подмосковье, запуская более 100 базовых станций еженедельно. Так как я живу теперь в области, мне очень важно. чтобы эта сеть как можно быстрее пришла в мой городок.
В планах компании на 2016 г. обеспечение высокоскоростной связи в метро на всех станциях, на начало 2016 связь Tele2 присутствует на 11 станциях: связь стандарта 3G/4G на метро «Борисово», «Деловой центр», «Котельники», «Лермонтовский проспект», «Тропарево», «Шипиловская», «Зябликово», 3G: «Белорусская» (Кольцевая), «Спартак», «Пятницкое шоссе», «Жулебино».
Как я говорил выше, Tele2 отказалась от формата GSM в пользу стандартов третьего и четвертого поколения - 3G/4G. Это позволяет устанавливать базовые станции 3G/4G с большей частотой (например, внутри МКАД БС стоят на расстоянии около 500 метров друг от друга), чтобы обеспечивать более стабильную связь и высокую скорость мобильного интернета, чего не было в сетях предыдущих форматов.
Из офиса компании я в компании инженеров Никифора и Владимира отправляюсь на одну из точек, где им нужно замерить скорость связи. Никифор стоит напротив одной из мачт, на которой установлено оборудование для обеспечения связи. Если приглядитесь, то заметите чуть далее слева еще одну такую мачту, с оборудованием других сотовых операторов.
Как это ни странно, но сотовые операторы часто разрешают своим конкурентам использовать свои башенные сооружения для размещения антенн (естественно на взаимовыгодных условиях). Это вызвано тем, что строительство башни или мачты - дорогое удовольствие, и такой обмен позволяет сэкономить немало средств!
Пока мы замеряли скорость связи, Никифора несколько раз прохожие бабушки и дядьки спросили не шпион ли он)) "Да, глушим радио "Свобода"!).
Оборудование на самом деле выглядит необычно, по его виду можно предположить все что угодно.
У специалистов компании немало работы, если учесть, что в Москве и области у компании более 7тыс. базовых станций: из них порядка 5тыс. 3G и около 2тыс. базовых станций LTE, а за последнее время количество БС увеличилось еще примерно на тысячу.
Всего за три месяца в Подмосковье было выведено в эфир 55% от общего количества новых базовых станций оператора в регионе. В настоящий момент компания обеспечивает качественное покрытие территории, на которой проживает более 90% населения Москвы и Московской области.
Кстати, в декабре сеть 3G Tele2 была признана лучшей по качеству среди всех столичных операторов.
Но я решил лично проверить насколько хороша связь у Tele2, потому приобрел симку в ближайшем ко мне торговом центре на м.Войковская, с самым простым тарифом "Очень черный" за 299 р (400 смс/минут и 4 ГБ). Кстати, у меня был подобный билайновский тариф, который на 100 рублей дороже.
Проверил скорость не отходя далеко от кассы. Прием - 6.13 Mbps, передача - 2.57 Mbps. Учитывая, что я стою в центре торгового центра это неплохой результат, связь Tele2 хорошо проникает сквозь стены большого ТЦ.
На м.Третьяковская. Прием сигнала - 5.82 Mbps, передача - 3.22 Mbps.
И на м.Красногвардейская. Прием - 6.22 Mbps, передача - 3.77 Mbps. Замерил у выхода из метро. Если принять во внимание, что это окраина Москвы, очень даже прилично. Считаю, что вполне приемлемая связь, уверенно можно сказать, что стабильная, если учитывать, что Tele2 появилась в Москве всего пару месяцев назад.
В столице стабильная связь Tele2 есть, это хорошо. Очень надеюсь, что они побыстрее придут в область и я смогу в полной мере пользоваться их связью.
Теперь и вы знаете как работает сотовая связь!
Если у вас есть производство или сервис, о котором вы хотите рассказать нашим читателям, пишите пишите мне - Аслан ([email protected] ) и мы сделаем самый лучший репортаж, который увидят не только читатели сообщества, но и сайта http://ikaketosdelano.ru
Подписывайтесь также на наши группы в фейсбуке, вконтакте, одноклассниках и в гугл+плюс , где будут выкладываться самое интересное из сообщества, плюс материалы, которых нет здесь и видео о том, как устроены вещи в нашем мире.
Жми на иконку и подписывайся!
В этой статье расскажем про историю появления мобильной связи
Первая система радиотелефонной связи появилась в 1946 году в США – Сент-Луисе. Радиотелефоны работали на фиксированных частотах и переключались вручную. В Советском Союзе радиотелефонная связь появилась в 1959 году и называлась системой «Алтай». Естественно, она была не общедоступной, а использовалась в качестве правительственной связи и спецслужбами. В 1990-1994 годах при развале СССР, из Советских НИИ, «бесплатно» вывозилась за кордон большая масса засекреченных разработок, в том числе и разработка многочастотной, многобазовой радиотелефонной связи. И в 1991 году в США, а в последствие и в Российской Федерации появился новый стандарт радиотелефонной – сотовой связи NMT-450 («Сотел»). Использовался аналоговый сигнал. В последствии появились цифровые стандарты – GSM-900 и GSM-1800.
С прогрессивным развитием сотовой связи мобильные телефонные аппараты стали широко доступны. Как правило, мобильный телефонный аппарат (далее МТА) может работать на расстоянии до 1500 м от базовой станции.
Как известно, каждому сотовому аппарату присваивается свой электронный серийный номер (ESN), который кодируется в микрочипе телефона при изготовлении телефона. Активируя SIM-карту (Subscriber Identity Module) - микрочип, в котором «прошит» абонентский номер, мобильный телефонный аппарат получает мобильный идентификационный номер (MIN).
Площадь, охватываемая сетью GSM (Global System for Mobile communications, - глобальная система мобильной связи), разбита на отдельные, прилегающие друг к другу ячейки (соты) - отсюда пошло название «сотовая связь», в центре которых находятся приемопередающие базовые станции. Обычно такая станция имеет шесть передатчиков, которые расположены с диаграммой направленности 120° и обеспечивают равномерное покрытие площади. Одна средняя современная станция одновременно может обслуживать до 1000 каналов. Площадь «соты» в городе составляет около 0,5-1 км 2 , вне города в зависимости от географического расположения она может достигать и 20, и 50 км 2 . Телефонный обмен в каждой «соте» управляется базовой станцией, которая принимает и передает сигналы в большом диапазоне радиочастот (выделенный канал - шаг для каждого сотового телефона минимальный). Базовая станция подключена к проводной телефонной сети и оснащена аппаратурой преобразования высокочастотного сигнала сотового телефона в низкочастотный сигнал проводного телефона и наоборот, чем обеспечивается сопряжение этих двух систем. Технически современная аппаратура базовой станции занимает площадь 1…3 м 2 и располагается в пределах одного небольшого помещения, где ее работа осуществляется в автоматическом режиме. Для стабильной работы такой станции необходимо лишь наличие проводной связи с телефонным узлом (АТС) и сетевое питание 220 В.
В городах и населенных пунктах с большим скоплением домов передатчики базовых станций располагаются прямо на крышах домов. В пригородах и на открытой местности используются вышки в несколько секций (их часто можно увидеть расположенными вдоль шоссе).
Зона покрытия соседних станций соприкасается. При передвижении телефонного аппарата между зонами покрытия соседних станций происходит его периодическая регистрация. Периодически, с интервалом 10…60 мин (в зависимости от оператора), базовая станция излучает служебный сигнал. Приняв его, мобильный телефон автоматически добавляет к нему свои MIN- и ESN-номера и передает получившуюся кодовую комбинацию на базовую станцию. Таким образом, осуществляется идентификация конкретного мобильного сотового телефонного аппарата, номера счета его владельца и привязка аппарата к определенной зоне, в которой он находится в данный момент времени. Этот момент весьма важен - уже на данном этапе можно контролировать передвижения того или иного объекта, а уж кому это выгодно, вопрос другой - главное есть возможность…
Когда пользователь соединяется с кем-либо по своему телефону, базовая станция выделяет ему одну из свободных частот той зоны, в которой он находится, вносит соответствующие изменения в его счет (производит списание средств) и передает его вызов по назначению.
Если мобильный пользователь во время разговора перемещается из одной зоны связи в другую, базовая станция покидаемой зоны (соты) автоматически переводит сигнал связи на свободную частоту соседней с ней зоны (соты).
Аналоговый принцип передачи информации основан на излучении в эфир нецифрового радиосигнала, поэтому, настроившись на соответствующую частоту такого канала связи, теоретически можно прослушивать разговор. Однако стоит «остудить особо горячие головы»- прослушать переговоры сотовой связи данного стандарта не так-то просто, поскольку они шифруются (искажаются) и для точного распознавания речи нужен соответствующий дешифратор. Переговоры данного стандарта пеленговать проще, чем скажем, стандарта GSM- цифровой сотовой связи, мобильные телефоны которых передают и принимают информацию в виде цифрового кода. Легче всего пеленгуются стационарно расположенные или неподвижные объекты, осуществляющие сотовую связь, труднее - мобильные, т. к. перемещение абонента в процессе разговора сопровождается снижением мощности сигнала и переходом на другие частоты (при передачи сигнала от одной базовой станции к соседней).
Методы пеленгации
Первый — метод целенаправленного пеленгования сотового телефона, определяющий направление на работающий передатчик из трех-шести точек и дающий засечку местоположения источника радиосигналов. Особенность такого метода в том, что он может применяться по чьему-либо распоряжению, например органов, уполномоченных по закону.
Второй метод - через оператора сотовой связи, который в автоматическом режиме постоянно регистрирует, где находится тот или иной абонент в данный момент времени даже в том случае, когда он не ведет никаких разговоров. Эта регистрация происходит автоматически по идентифицирующим служебным сигналам, автоматически передаваемым сотовым телефоном на базовую станцию (об этом шла речь ранее). Точность определения местонахождения абонента зависит от ряда факторов: топографии местности, наличия помех и отражения сигнала от зданий, от положения базовых станций и их загруженности (количества активных мобильных телефонов оператора в данной соте), размера соты. Отсюда, точность определения местонахождения абонента сотовой связи в городе заметно выше, чем в открытой местности, и может достигать пятна в несколько сотен метров. Анализ данных о сеансах связи абонента с различными базовыми станциями (с какой и на какую станцию подавался вызов, время вызова и тому подобное) позволяет восстановить картину всех перемещений абонента в прошлом. Данные автоматически регистрируются у оператора сотовой связи (для выписки счетов и не только…), поскольку оплата таких услуг основана на длительности использования системы связи. Эти данные могут храниться несколько лет, и это время пока не регламентируется федеральным законом, только ведомственными актами.
Можете сделать вывод – конфиденциальность обеспечивается, но не для всех. При необходимости прослушивания ваших переговоров, или определения вашего местоположения, практически любая «снаряженная» спецслужба, или преступное сообщество способны это сделать без каких либо усилий.
Труднее перехватить разговор, если он ведется с движущегося автомобиля, т.к. расстояние между пользователем сотового телефона и пеленгующей аппаратурой (если идет речь об аналоговой связи) постоянно изменяется и, если эти объекты удаляются друг от друга, особенно в пересеченной местности среди домов, сигнал ослабевает. При быстром перемещении сигнал переводится с одной базовой станции на другую, с одновременной сменой рабочей частоты - это затрудняет перехват всего разговора целиком (если он не ведется целенаправленно с участием оператора связи), поскольку для нахождения новой частоты требуется время.
Выводы из этого можно сделать самостоятельно. Отключайте свой сотовый телефон, если не желаете, чтобы ваше местонахождение стало известно.
Скрытые возможности сотовых телефонов
Современный МТА может включаться в режим диктофона (запись звуков от встроенного микрофона) автоматически по сигналу, или заданной программе, без санкции своего владельца. Не факт, что каждый МТА записывает речь и голос владельца, а затем передает информацию, но такая возможность в каждом современном МТА технически предусмотрена. Это сродни ружью, которое висит на стене. И если действие происходит во время спектакля в театре, то почти очевидно, что до конца спектакля ружье выстрелит. Так и в данном случае- возможность записи и передачи информации у МТА есть и этот фактор надо учитывать при эксплуатации своего «мобильника».
Информацию принимает ближайшая к МТА станция - сота. Как происходит передача информации в эфир? МТА общается со станцией пачками цифровых сигналов-импульсов, которые называются тайм-слоты. Продолжительность одного служебного сеанса связи может длиться от долей секунды до нескольких секунд.
Такие сеансы служебной связи МТА с базовой станцией осуществляет постоянно, когда сотовый телефон находится во включенном состоянии. Первоначально это происходит после включения питания МТА, тогда телефон, общаясь с ближайшей станцией связи своего оператора (соответственно установленной SIM-карте), позиционирует свое положение на местности, выдает в эфир свои данные (например, идентификационный номер сотового телефона в сети и др.), т. е. регистрируется в сети. На основании этой регистрации при последующих переговорах данному абоненту начисляется платеж за соединения, услуги связи, тарификация вызовов и роуминг. Кроме тайм-слотов в сеансе связи при включении питания, МТА периодически, примерно один раз в час (а при активном перемещении постоянно) выходит на связь с близлежащей базовой станцией, позиционируя свое положение и в случае необходимости (выход за пределы соты) регистрируясь в зоне ответственности другой соседней базовой станции. Длительность и периодичность сеансов служебной связи (тайм-слотов) у разных МТА различна и составляет (периодичность) от 10 до 35 раз в сутки. При этом длительность тайм-слотов колеблется в диапазоне 2-25 миллисекунд.
Во многих современных МТА автоматически включены функции различного рода сервисного информирования владельца, например, о прогнозе погоды или новостях, поэтому тайм-слоты у такого телефона будут чаще и длительнее. В данном случае определить, какие именно сигналы посылает ваш «мобильник» к базовой станции без специального оборудования нельзя. Можно лишь зафиксировать сам факт короткого сеанса связи, произошедшего без участия владельца МТА. В любом случае, если к Вам поступило SMS-сообщение, то произошёл обмен тайм-слотами.
Эту особенность «своего» МТА необходимо знать каждому владельцу сотового телефона, несмотря на то, что компании производители пока не спешат ни делиться данной информацией с покупателями своего товара, ни объяснять эти функции и их предназначение. Как говорится, предупрежденный - защищен… Косвенным признаком работы МТА на передачу большими мощностями является быстро разряжающийся аккумулятор.
Как проверить сотовый телефон
На заре массовой популяризации сотовых телефонов (а это было не так и давно) среди населения преобладали мобильные телефонные аппараты (МТА), приобретенные за рубежом и требующие русификации. Кроме этого, часть сотовых телефонов, привозимых из-за рубежа в СНГ (купленных на вторичном рынке, потому что дешево), при подключении SIM-карты местного оператора оказывались заблокированными (не реализовывали часть заявленных в меню МТА и в его руководстве по эксплуатации функций). Люди несли МТА в соответствующий сервис (согласно названию МТА) и порой получали ответ: ваш телефон в России работать не будет. С тех пор МТА, привезенные из-за границы частным порядком, стали негласно делиться на «белые» и «серые». «Белые» можно реанимировать и использовать в СНГ «по полной программе», а «серые» практически безнадежны, или требуют таких вложений, которые перетягивают саму его стоимость. Поэтому, с некоторых пор «серые» мобильные аппараты попадают в Россию только единичными экземплярами, или партиями, ввозимыми мелкими «челноками», или после отдыха Россиян за границей, по их незнанию. В связи с этим зародился тестовый способ проверки МТА.
Для теста надо последовательно нажать клавиши на клавиатуре: *#06#. В результате высветится серия и модельный номер, указанные в паспортных данных. Такие же данные нанесены на корпусе МТА под аккумуляторной батареей. Чем они помогут?
Указанные данные, это IMEI (International Mobile Equipment Identifier - международный идентификатор мобильного оборудования) вашего МТА. После данной процедуры уведомления сотовой компании, ваш МТА вместе с SIM-картой (или даже вновь вставленной), будет находиться на контроле у вашего сотового оператора. Этот номер лучше выяснить заранее (при покупке или эксплуатации МТА) и где-нибудь записать вдали от посторонних глаз. При потере или краже аппарата эти данные требуется передать своему сотовому оператору. Это необходимо для того, чтобы ваш МТА точно нашелся, или по крайней мере, был бы заблокирован в обслуживании у оператора, которым вы пользовались до утери телефона.
Сегодня сложно представить современного человека без мобильного телефона, хотя всего 25 лет назад покупку этого устройства в России могли позволить себе только самые обеспеченные граждане. По данным «ТМТ консалтинга», на конец 2015 года в России насчиталось 251,8 млн сотовых абонентов, а это на 105,3 млн больше, чем всё население страны - полтора мобильника на одного человека. Телефоны давно перестали быть предметом роскоши. Тем интереснее заглянуть в недалёкое прошлое, когда мобильные телефоны в России считались экзотикой, а разговаривать с родными и близкими из разных концов страны могли лишь избранные.
Немного истории
Разработка первого сотового телефона началась в 1947 году американской компанией Bell Labs. Идея такого устройства моментально захватила умы ведущих инженеров США и России. Ещё одной американской компанией, заинтересовавшейся мобильными телефонами стала Motorola. В России же в 1957 году инженером Леонидом Ивановичем Куприяновичем был продемонстрирован переносной телефон ЛК-1. Он весил 3 кг, работал не больше 30 часов, но обеспечивал радиус действия до 30 км. В 1958 году им был представлен аппарат весом в 500 г, а уже в 1961 году якобы появился телефон весом всего 70 г. До наших дней дошла лишь сомнительного качества фотография этого устройства, разработка которого то ли была прекращена, то ли передана спецслужбам (сторонникам теорий заговора посвящается).
Вместо этого революционного устройства, россияне увидели аппарат «Алтай», перевозить который можно было только в автомобиле, чем и пользовались сотрудники «Скорой Помощи». Разработки Куприяновича легли в основу нескольких болгарских аппаратов 1966 года выпуска РАТ-05, АТРТ-05 и базовой станции РАТЦ-10, которые нашли применение на промышленных объектах. В 1973 году Motorola положила конец борьбе за первенство: Мартин Купер позвонил в Bell Labs с телефона, спокойно умещающегося в руке и не требующего дополнительных аксессуаров. размером 22,5х12,5х3,75 см весил 1,15 кг, состоял из 2000 деталей, а заряда батареи хватало лишь на 20 минут разговора. На доработку мобильника ушло ещё 10 лет и только 6 марта 1983 года телефон, весом 800 грамм, поступил в продажу за $3500.
В России тема коммерческой мобильной связи не поднималась вплоть до 1986 года. Министр связи СССР Геннадий Кудрявцев рассказывал, что КГБ и силовики считали доступную сотовую связь угрозой национальной безопасности. Эпохальным событием стал звонок Михаила Горбачёва из Хельсинки в Москву в 1987 году по - первому телефону для сетей NMT. До выпуска первого GSM-телефона оставалось 5 лет - им стал и это навсегда изменило сотовую связь.
Российские реалии
Первый звонок из России в США произошёл 9 сентября 1991 года в стенах компании «Дельта-телеком» с помощью аппарата Nokia Mobira MD 59 NB2 по стандарту связи NMT-450. Его осуществил мэр города Санкт-Петербурга Анатолий Собчак. Телефон весил около 3 кг, стоил $4000 (и $1995 по контракту оператора), а минута разговора обходилась в 1$. Несмотря на дороговизну и габариты девайса, «Дельте» удалось сделать мобильными 10 000 абонентов за первые 4 года работы.
До Москвы сотовая связь дошла только в 1992 году силами компаний Ericsson и «Московская Сотовая Связь». За год сотовая связь стала доступной для 5000 москвичей. В том же 1992 году на российском рынке появился новый игрок «ВымпелКом» с торговой маркой Билайн. 12 июля 1992 года в офисе компании раздался первый звонок с Motorola DynaTAC, в народе получившем название «кирпич».
В это время в Германии была запущена сеть GSM, быстро ставшая мировым стандартом. В России первым оператором, взявшим GSM на вооружение, стал МТС, начавший коммерческую эксплуатацию сети в 1994 году. В этом же году первый звонок раздался из офиса оператора «Северо-Западный GSM» (ныне МегаФон), но он начал коммерческую деятельность только в 1995 году.
По словам Яна Вареби из Ericsson, внедрение сетей GSM позволило России начать развитие сотовой связи быстрее многих других стран, опередив основоположников стандарта.
Цена мобильности
Стать обладателем мобильного телефона мог далеко не каждый. Средняя цена аппарата составляла $2500, а ещё почти $2500 абонент должен был внести в качестве первого взноса и платы за подключение. «Всего» за $5000 можно было стать мобильным и современным. Но и это был далеко не конец растрат. Дорогая абонентская плата и цена минуты разговора вынуждала абонентов платить не менее $200 ежемесячно на конец 1998 года. Сейчас услуги связи с безлимитным доступом к Интернету и обмену сообщениями обходятся не дороже $10. Тем не менее, уже к концу 90-х в стране было продано около 20 млн SIM-карт, но настоящий бум случился в начале 2000-х. Около 30 млн абонентов насчитывалось в стране уже в 2003 году, а к 2010 году их количество выросло до 216 млн. Удешевлению сотовой связи способствовал выпуск всё более доступных мобильников, многие из которых стали культовыми: , и многие другие.
Связь нового поколения
В 2003 году «Дельта-телеком» запустила сеть 3G/CDMA200 под брендом Скай-Линк, однако коммерческая сеть на основе стандарта EV-DO была готова лишь к 2005 году. В 2007 году МегаФон построил первую сеть на базе 3G/UMTS, а уже в 2008 году все операторы «большой тройки» начали развитие 3G в регионах. Появление мобильных телефонов по типу с большими сенсорными экранами и поддержкой высокоскоростных подключений потребовало наращивания скоростей и мощностей сетей для передачи не только голоса, но и фото или видео-изображений, мультимедийных сообщений. В 2008 году компанией «Скартел» под брендом Yota был осуществлён запуск первой коммерческой сети WiMAX в России, а первым устройством в мире с поддержкой работы в этой сети одновременно с GSM стал . Бурное развитие 4G LTE-сетей в России началось с конца 2011 года, а первым оператором, предоставившим связь нового поколения для абонентов стал МегаФон.
C этого момента начинается современная мобильная история России. За последние 5 лет абоненты начали активнее пользоваться мобильным интернетом, предпочитая общение через Интернет обычным звонкам. Все современные смартфоны обладают быстрым доступом в сеть, а самые доступные телефоны с поддержкой 4G можно найти по цене от 3500 рублей в салонах операторов. Мобильный телефон стал таким же привычным и обычным предметом, как электрический чайник. Удешевление производства и появление новых игроков на рынке делают мобильную связь доступнее даже для самых удалённых и бедных уголков мира. 25 лет назад невозможно было представить масштабы распространения сотовой связи в России, но что нас ждёт ещё через 25 лет?
