Сотовая связь

Введение в сотовые сети

1.3 Инфраструктура сотовых сетей

интерфейса A-bisA-интерфейсаGb-интерфейса

• HLR (Home Location Register) — база данных, содержащая персональные данные каждого абонента, включая телефонный номер, тарифный план, список подключенных услуг, а также информацию об используемой абонентом SIM-карте.
• VLR (Visitor Location Register) — временная база данных абонентов, которые находятся в зоне действия определённого центра мобильной коммутации. Каждая базовая станция в сети приписана к определённому VLR, так что абонент не может присутствовать в нескольких VLR одновременно.
• AuC (Authentication Center) — центр аутентификации абонентов, выполняющий проверку подлинности каждой SIM-карты, подключающейся к сети.
• SMSC (SMS Center) — центр обмена короткими текстовыми сообщениями, занимающийся их хранением и маршрутизацией.
• GMSC (Gateway MSC) — шлюз, предоставляющий доступ к сетям проводных городских телефонов. Именно благодаря данному элементу возможны звонки между абонентами сотовых и городских телефонных сетей.
• SGSN (Serving GPRS Support Node) — узел обслуживания абонентов GPRS, выступающий точкой соединения между системой базовых станций (BSS) и базовой сетью (Core Network). SGSN можно назвать аналогом коммутатора MSC сети GSM. SGSN выполняет контроль доставки пакетов данных, мониторинг находящихся в режиме online пользователей, преобразование кадров GSM в форматы, используемые протоколами TCP/IP глобальной компьютерной сети Internet, регистрацию или «прикрепление» (attachment) абонентов, вновь «появившихся» в зоне действия сети, шифрование данных, обработку поступающей биллинговой информации, а также обеспечивает взаимодействие с реестром собственных абонентов сети HLR. В отличии от вышеперечисленных элементов, SGSN соединяется напрямую с BSC.

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).

Принцип работы аппаратов в проводных сетях

Для того чтобы понимать устройство мобильного телефона в полном объеме, необходимо знать, как работает аналоговая система АТС. Несмотря на то что сотовые телефоны представляют собой сложную цифровую структуру с интегральными схемами, в их работу заложен базовый принцип обычных стационарных аппаратов.

Каждый поставщик услуг присваивает своим клиентам уникальные идентификационные номера, по которым он различает их между собой. В данном случае это называется номером абонента или точки подключения, к которой подходят провода. Когда АТС отправляет сигнал, телефон находится в отключенном состоянии, то есть трубка находится на аппарате, а рычажный переключатель — в разомкнутом положении. При поступлении вызова с линии ток проходит по первичной обмотке, заставляя вибрировать кулачок и бить по чашечкам. В электронных системах это происходит иначе, сигнал подается на внешний динамик, и на выходе мы слышим мелодию или пение птиц, например. После того как абонент поднимет трубку, цепь переговорного модуля и набора номера замыкается, а приемная размыкается с помощью реле.

Звонок другому пользователю происходит в обратном порядке. Человек снимает трубку, чем замыкает одну цепь и разъединяет другую. Вызов происходит в модуле набора номера путем отправки импульсов или сигналов на коммутирующие устройства станции. Она, в свою очередь, распознает числа, комбинируя их в единый номер, перенаправляет на нужную точку.

Передача голоса в аналоговых системах происходит благодаря вибрации мембраны микрофона. В угольных она создает уплотнение, что вызывает возмущение магнитного поля катушки. Такое колебание формирует импульс, который отправляет на другой приемник.

Система мобильной коммуникации с использованием концепции сотовой связи

Проблемы с помехами, вызванные мобильными устройствами, использующими один и тот же канал в смежных областях, доказали, что все каналы не могут повторно использоваться в каждой соте. Несмотря на то что это повлияло на эффективность первоначальной концепции, повторное использование частот стало жизнеспособным решением проблем систем мобильной телефонии.

Инженеры обнаружили, что влияние помех было связано не с расстоянием между зонами, а с отношением расстояния к мощности (радиусу) передатчиков зон. Сокращая радиус зоны на пятьдесят процентов, поставщики услуг могут увеличить число потенциальных клиентов в зоне в четыре раза.

Системы, основанные на областях с радиусом в один километр, будут иметь в сто раз больше каналов, чем системы с областями в радиусе десяти километров. Спекуляция привела к выводу, что, уменьшив радиус зоны до нескольких сотен метров, можно было обслуживать миллионы звонков.

Концепция сотовой связи использует переменные уровни низкой мощности, что позволяет подбирать ячейки в соответствии с плотностью абонента и потребностями данной области. По мере роста популяции можно добавлять ячейки для приспособления к этому росту.

Частоты сотовой связи, используемые в одном кластере ячеек, могут быть повторно использованы в других ячейках. Разговоры могут передаваться из ячейки в ячейку, чтобы поддерживать постоянную телефонную связь, когда пользователь перемещается между ними.

Сотовое радиооборудование (базовая станция) может связываться с мобильными телефонами, пока они находятся в пределах досягаемости. Радиоэнергия рассеивается на расстоянии, поэтому мобильные телефоны должны находиться в пределах рабочего диапазона базовой станции. Как и ранняя система мобильной радиосвязи, базовая станция связывается с мобильными телефонами через канал.

Канал состоит из двух частот: одна для передачи на базовую станцию ​​и одна для приема информации от базовой станции.

Достоинства систем мобильной связи

Переоценить возможность общаться с людьми в любое время независимо от места их нахождения просто невозможно. С развитием инновационных технологий для потребителей открываются новые возможности, которые можно использовать не только в личных целях, но и для построения бизнеса.

Оперативная связь с сотрудниками компаний различного типа и деловыми партнерами создает руководителям бизнеса условия для быстрого и стремительного развития, контроля работы персонала и выполнения других операций. При условии выхода в Интернет возможен даже удаленный доступ к сетям корпораций.

Мобильная связь позволяет абонентам не быть привязанными к одному месту, что дает возможность одновременно выполнять несколько задач, также она позволяет без труда осуществлять доступ к информационным сетям, получать, обрабатывать и передавать данные максимально оперативно.

Такие возможности человек использует в самых различных сферах деятельности, поскольку они универсальны и подходят для решения самых различных задач.

Какие перспективы развития мобильной связи

Дальнейшее развитие мобильной связи возможно по нескольким направлениям:

• создание принципиально новых технологий и протоколов передачи данных;
• доработка существующих стандартов передачи данных;
• разработка технологий и стандартов для «Интернета вещей».

С 2014 года в России и мире тестируют технологию Pre-5G. Скорость передачи данных во время экспериментальных замеров в России варьировалась от 4 до 35 Гбит/секунду.

В 2015 году Международный союз электросвязи разработал концепцию развитию сетей 5G IMT-2020. С тех пор полноценная инфраструктура пятого поколения появилась в Соединенных Штатах Америки, Китайской Народной Республике, Республике Корея, некоторых странах и городах Евросоюза.

Минимальная пропускная способность новой технологии в 136 раз выше максимальной для предыдущего поколения 4G. В тестовых сетях скорость передачи данных доходит до 25 Гбит/с. По оценкам специалистов, 5G позволит предоставить скорость в 100 Мбит/секунду для 1 миллиона устройств на 1 км².

Pre-5G и 5G в России

С 2016 года ПАО «МегаФон» и ПАО «Мобильные ТелеСистемы» тестирует Pre-5G совместно с международными компаниями Nokia и Huawei.

Главная сложность технологии 5G в том, что полоса сигнала гораздо шире, чем у предыдущих поколений сетей. Поэтому в России до сих пор не определили доступный диапазон частот для строительства сетей связи. Активно ведется дискуссия по поводу частот 3,4-3,8 ГГц. Они наиболее удобны из доступных в мире, но в Российской Федерации закреплены за специальными службами, государственным компаниями и стандартом беспроводного широкополосного доступа WiMAX. Правительство рассматривает варианты в диапазоне 4,79-5 ГГц.

Решением Государственной Комиссии по использованию радиочастот для тестирования инфраструктуры 5G в России выделен диапазон радиочастот 25,25-29,5 ГГц. Летом 2019 года в Москве начали тестирование пятого поколения сотовой связи. Первой экспериментальной площадкой выступит территория Морозовской детской городской клинической больницы. Инфраструктуру там уже выстроили операторы федеральной четверки – ПАО «Вымпел-Коммуникации», ПАО «МегаФон», ПАО «Мобильные ТелеСистемы» и ООО «Т2 Мобайл».

Окончательно освободить место в радиочастотном спектре под 5G Правительство РФ планирует в течение 2,5 лет. А Huawei обещает смартфоны с поддержкой 5G не раньше 2021 года.

С июля 2019 также ведется разработка российского программного обеспечения для взаимодействия с технологией 5G.

Интернет вещей

Internet of items (IoT) – концепция, при которой техника решает задачи без участия человека или с минимальным его вмешательством. Яркими примерами IoT являются умный дом и беспилотный автомобиль.

Сети связи пятого поколения первоначально проектировались и для «интернета вещей». 5G станет первым стандартом, который объединит IoT и выведет роботизацию процессов на новый уровень. Благодаря снижению времени задержки 5G можно использовать даже на беспилотном транспорте, двигающемся со скоростью до 500 км/ час.

Скорость развития технологий растет ежегодно. Если от 1G до 2G прошло около 16 лет, то теперь смена поколений происходит раз в 7-10 лет

Важно правильно и своевременно использовать новые технологии и вовремя отказываться от старых

Голос

Article Rating

Интернет для дачника. Часть 3. Русские идут

Некоторое время назад я писал сравнительный тест роутеров 4G для дачи. Тема оказалась востребованной и ко мне обратился российский производитель устройств для работы в сетях 2G/3G/4G. Тем интереснее было протестировать российский роутер и сравнить его с победителем прошлого теста – Zyxel 3316. Сразу скажу, что я всячески стараюсь поддерживать отечественного производителя, тем более, если качеством и функционально он не уступает зарубежным конкурентам. Но и замалчивать о недостатках я не буду. Кроме того, я поделюсь собственным опытом превращения обычного автомобиля в мобильную точку доступа в Интернет для целого лагеря или дачи.

Какую систему связи лучше всего выбрать

Чтобы определиться, какая из предложенных на современном рынке систем будет подходить для вас больше всего, стоит прежде всего определиться со списком задач, которые она должна выполнять.

В условиях корпораций и других организаций системы мобильной связи должны выполнять свои непосредственные функции – обеспечивать коммуникацию между сотрудниками, клиентами и партнерами. В таком случае, наиболее оптимальным вариантом станет сотовая телефонная связь.

При помощи мобильного телефона работники смогут общаться посредством передачи друг другу голосовых и текстовых сообщений. Для некоторых компаний этого набора услуг достаточно, но существуют и такие фирмы, которым нужны дополнительные возможности, например выход в Интернет, который может использоваться для передачи файлов различного формата, навигации и проведения видеоконференций.

Современные провайдеры предлагают потребителям различные тарифные планы и пакеты услуг, потому сделать правильный выбор могут как частные лица, так и владельцы компаний любого масштаба.

Препятствия в развитии сотовой связи

К сожалению, экономические соображения сделали нецелесообразной концепцию создания полных систем со многими небольшими участками. Чтобы преодолеть эту трудность, системные операторы разработали идею расщепления клеток. Когда зона обслуживания становится заполненной пользователями, этот подход используется для разделения одной зоны на более мелкие. Таким образом, городские центры могут быть разбиты на столько областей, сколько необходимо для обеспечения приемлемого уровня обслуживания в регионах с интенсивным движением, в то время как более крупные и менее дорогие ячейки могут использоваться для покрытия отдаленных сельских районов.

Последнее препятствие в развитии сотовой сети связано с проблемой, возникшей, когда абонент сотовой связи во время вызова перемещался из одной ячейки в другую. Поскольку соседние зоны не используют одни и те же радиоканалы, вызов должен быть либо отброшен, либо переведен с одного радиоканала на другой, когда пользователь пересекает линию между соседними ячейками.

Поскольку сбрасывание вызова недопустимо, был создан процесс передачи обслуживания. Передача обслуживания происходит, когда сеть мобильной телефонной связи автоматически переводит вызов в другой радиоканал, когда мобильное устройство пересекает соседние ячейки.

Во время разговора две стороны находятся на одном голосовом канале. Когда мобильное устройство выходит из зоны покрытия данного сотового узла, прием становится слабым. На этом этапе используемый сотовый сайт запрашивает передачу обслуживания. Система переключает вызов на более высокочастотный канал на новом сайте, не прерывая вызов и не предупреждая пользователя. Вызов продолжается до тех пор, пока пользователь разговаривает, и абонент не замечает передачи обслуживания.

Принцип действия

Сотовые сети эксплуатируют идеи контроля доступа к среде (MAC). Полный аналог проводной версии. Происходит мультиплексирование данных, обеспечивая экономию ресурсов. Конкретный дизайн протокола определяет физическая среда. Радиосигнал изменяется оптическими эффектами, погодными условиями, временем дня, года. Качество приёма постоянно флуктуирует. Очевидным решением выступает повышение мощности, однако мера одновременно усиливает явление интерференции. Количество ошибок растёт. Примерные соотношения:

1. Проводная сеть – количество ошибок менее миллионной доли.
2. Сотовая связь – число неправильных пакетов свыше тысячной доли.

Разница превышает три порядка. Терминалам приходится использовать полудуплексный режим. Энергия передаваемого пакета много выше принимаемого сигнала. Особенности схемотехники допускают наводки. Просачивание столь большой мощности в тракт приёма полнодуплексного устройства мешает расшифровке пакетов.

Схема с контролируемым доступом

Назначается контролёр операций, координирующий распределение ресурсов. Чаще роль выполняет вышка, точка доступа. Терминал исполняет заранее заложенную программу выделения каналов, частот, временных слотов, антенн. Гарантируется отсутствие конфликтов.

Система сотовой связи

1. TDMA. Временное деление.
2. FDMA. Деление по частоте.
3. OFDMA. Ортогональный доступ по частоте.
4. SDMA. Пространственное деление.
5. Poll.
6. Token Ring.

Динамическое выделение ресурсов даёт неоспоримые преимущества тяжело загруженным сетям. Потому что протоколы со свободным доступом львиную долю времени тратят, предотвращая коллизии. Терминал проверяет поочерёдно активность абонентов, используя алгоритмы случайных числе, предоставляя желающим передать информацию слоты.

Общим недостатком схем контролируемого доступа считают сложность покрытия сотами протяжённых областей. Много места занимают служебные пакеты информации.

Частотное деление

Эволюционно старейшая технология сотовой связи. В пределах сессии запрос получает уникальную частоту. Пустующий канал помечается соответствующим идентификатором, позволяющим дальнейшую раздачу ресурса.

Метод эксплуатируют узкополосные системы, где длина символа существенно превышает среднее время доставки сообщения. Переменный битрейт требует модификации метода, выделения полосы сообразно ширине спектра сигнала. Зато частотное деление позволит организовать дуплексный канал.

Мультиплексирование по ширине спектра сигнала

Схема комбинирует временное и частотное деление. Выделяют 2 дочерних вида:

1. Псевдослучайная перестройка. Текущие частотные, временные каналы составлены полосой узких отрезков. Абонент, вещающий узкополосным сигналом, получает слот. Время выделяется целиком, частота выделяется свободная (может изменяться) в текущий момент. Смена частоты может происходить несколько раз на длительности одного бита информации.
2. Метод прямой последовательности. Бит кодируется псевдошумовым сигналом (ПШС), модулирующим несущую. Спектр сильно расширяется, позволяя понизить отношение сигнал/шум. Сказанным исключается взаимная интерференция терминалов, понижается плотность мощности. Использование ПШС разрешает нескольким абонентам эксплуатацию единой частоты.

Ортогональное частотное деление

Электронная начинка приёмника выполняет обратное преобразование Фурье сигнала. Спектр приходят частями, передаваемый разнесёнными несущими. Параллельное использование нескольких узких каналов даёт шанс улучшить коэффициент использования ресурсов.

Протокол со свободным доступом

Терминал предоставляет ресурсы случайным образом. Отсутствие координации предполагает возникновение коллизий. Идеальный выбор сетей с низкой загрузкой. Иначе производительность системы резко падает. Зато аппаратная реализация отличается максимальной простотой.

1. ALOHA.
2. CSMA.
3. CSMA/CA.

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.

Аналоговый модуль

Он включает в себя средство приема и передачи сигналов. Обычно располагается отдельно от цифрового узла. По своим рабочим характеристикам напоминает радиотелефон, но работающий по стандарту GSM.

Приемник и передатчик работают не синхронно, отправка сигнала происходит с 1/8 задержкой. Это позволяет экономить заряд батареи и интегрировать усилитель со смесителем. Поскольку прибор никогда не работает на прием и передачу одновременно, то собой он представляет некий коммутатор, который переключает антенну с одного режима на другой.

На приеме после прохождения фильтра каналов сигнал усиливается с помощью МШУ и отправлятся на смеситель. Далее он демодулируется и передается на аналого-цифровой преобразователь, который конвертирует его в цифровой сигнал, необходимый для работы центрального процессора.

На передаче логический генератор модулирует цифровые данные в сигнал. Далее через смеситель он поступает на частотный синтезатор, после которого переходит на канальный фильтр и усиленный. Только сигнал достаточной мощности подается на антенну, откуда он уходит в пространство.