Знаете ли вы, что происходит после того, как вы набрали номер друга на мобильном телефоне? Как сотовая сеть находит его в горах Андалусии или на побережье далекого острова Пасхи? Почему иногда неожиданно разговор прерывается? На прошлой неделе я побывал в компании Beeline и попытался разобраться, как устроена сотовая связь…
Большая площадь населенной части нашей страны покрыта Базовыми Станциями (БС). В поле они выглядят как красно-белые вышки, а в городе спрятаны на крышах нежилых домов. Каждая станция ловит сигнал от мобильных телефонов на удалении до 35 километров и общается с мобильным телефоном по служебным или голосовым каналам.
После того, как вы набрали номер друга, ваш телефон связывается с ближайшей к вам Базовой Станцией (БС) по служебному каналу и просит выделить голосовой канал. Базовая Станция отправляет запрос на контроллер (BSC), а тот переадресует его на коммутатор (MSC). Если ваш друг является абонентом той же сотовой сети, то коммутатор сверится с Home Location Register (HLR), выяснит, где в данный момент находится вызываемый абонент (дома, в Турции или на Аляске), и переведет звонок на соответствующий коммутатор, откуда тот его переправит на контроллер и затем на Базовую Станцию. Базовая Станция свяжется с мобильным телефоном и соединит вас с другом. Если ваш друг абонент другой сети или вы звоните на городской телефон, то ваш коммутатор обратится к соответствующему коммутатору другой сети. Сложно? Давайте разберемся подробнее. Базовая Станция представляет из себя пару железных шкафов, запертых в хорошо кондиционируемом помещении. Учитывая, что в Москве было на улице +40, мне захотелось немного пожить в этом помещении. Обычно, Базовая Станция находится либо на чердаке здания, либо в контейнере на крыше:
2. 
Антенна Базовой Станции разделена на несколько секторов, каждый из которых «светит» в свою сторону. Вертикальная антенна осуществляет связь с телефонами, круглая соединяет Базовую Станцию с контроллером:
3. 
Каждый сектор может обслуживать до 72 звонков одновременно, в зависимости от настройки и конфигурации. Базовая Станция может состоять из 6 секторов, таким образом, одна Базовая Станция может обслуживать до 432 звонков, однако, обычно на станции установлено меньшее количество передатчиков и секторов. Сотовые операторы предпочитают ставить больше БС для улучшения качества связи. Базовая Станция может работать в трех диапазонах: 900 МГц — сигнал на этой частоте распространяется дальше и лучше проникает внутрь зданий 1800 МГц — сигнал распространяется на более короткие расстояния, но позволяет установить большее количество передатчиков на 1 секторе 2100 МГц — Сеть 3G Вот так выглядит шкаф с 3G оборудованием:
4. 
На Базовые Станции в полях и деревнях устанавливают передатчики 900 МГц, а в городе, где Базовые Станции натыканы как иглы у ежика, в основном, связь осуществляется на частоте 1800 МГц, хотя на любой Базовой Станции могут присутствовать передатчики всех трех диапазонов одновременно.
5. 
6. 
Сигнал частотой 900 МГц может бить до 35 километров, хотя «дальность» некоторых Базовых Станций, стоящих вдоль трасс, может доходить до 70 километров, за счет снижения числа одновременно обслуживаемых абонентов на станции в два раза. Соответственно, наш телефон с его маленькой встроенной антенной также может передавать сигнал на расстояние до 70 километров… Все Базовые Станции проектируются таким образом, чтобы обеспечить оптимальное покрытие радиосигналом на уровне земли. Поэтому, несмотря на дальность в 35 километров, на высоту полета самолетов радиосигнал просто не посылается. Тем не менее, некоторые авиакомпании уже начали устанавливать на своих самолетах маломощные базовые станции, которые обеспечивают покрытие внутри самолета. Такая БС соединяется с наземной сотовой сетью с помощью спутникового канала. Система дополняется панелью управления, которая позволяет экипажу включать и выключать систему, а также отдельные типы услуг, например, выключать голос на ночных рейсах. Телефон может измерять уровень сигнала от 32 Базовых Станций одновременно. Информацию о 6-ти лучших (по уровню сигнала) он отправляет по служебному каналу, и уже контроллер (BSC) решает, какой БС передать текущий звонок (Handover), если вы находитесь в движении. Иногда телефон может ошибиться и перебросить вас на БС с худшим сигналом, в этом случае разговор может прерваться. Также может оказаться, что на Базовой Станции, которую выбрал ваш телефон, все голосовые линии заняты. В этом случае разговор также прервется. Еще мне рассказали о так называемой «проблеме верхних этажей». Если вы живете в пентхаусе, то иногда, при переходе из одной комнаты в другую, разговор может прерываться. Это происходит потому, что в одной комнате телефон может «видеть» одну БС, а во второй — другую, если она выходит на другую сторону дома, и, при этом эти 2 Базовые Станции находятся на большом удалении друг от друга и не прописаны как «соседние» у сотового оператора. В этом случае передача звонка с одной БС на другую происходить не будет:
Связь в метро обеспечивается так же, как и на улице: Базовая Станция – контроллер – коммутатор, с той лишь разницей, что применяются там маленькие Базовые Станции, а в тоннеле покрытие обеспечивается не обычной антенной, а специальным излучающим кабелем. Как я уже писал выше, одна БС может производить до 432 звонков одновременно. Обычно этой мощности хватает за глаза, но, например, во время некоторых праздников БС может не справиться с количеством желающих позвонить. Обычно это случается на Новый Год, когда все начинают поздравлять друг друга. SMS передаются по служебным каналам. На 8 марта и 23 февраля люди предпочитают поздравлять друг друга с помощью SMS, пересылая смешные стишки, и телефоны зачастую не могут договориться с БС о выделении голосового канала. Мне рассказали интересный случай. Из одного района Москвы стали поступать жалобы от абонентов о том, что они не могут никуда дозвониться. Технические специалисты стали разбираться. Большинство голосовых каналов было свободно, а все служебные были заняты. Оказалось, что рядом с этой БС находился институт, в котором шли экзамены и студенты беспрерывно обменивались эсэмэсками. Длинные SMS телефон делит на несколько коротких и отправляет каждое отдельно. Сотрудники технической службы советуют отправлять такие поздравления с помощью MMS. Это будет быстрее и дешевле. С Базовой Станции звонок попадает на контроллер. Выглядит он так же скучно, как и сама БС — это просто набор шкафов:
7. 
В зависимости от оборудования, контроллер может обслуживать до 60 Базовых Станций. Связь между БС и контроллером (BSC) может осуществляться по радиорелейному каналу либо по оптике. Контроллер осуществляет управление работой радиоканалов, в т.ч. контролирует передвижение абонента, передачу сигнала с одной БС на другую. Гораздо интереснее выглядит коммутатор:
8. 
9. 
Каждый коммутатор обслуживает от 2 до 30 контроллеров. Он занимает уже большой зал, заставленный различными шкафами с оборудованием:
10. 
11. 
12. 
Коммутатор осуществляет управление трафиком. Помните старые фильмы, где люди сначала дозванивались до «девушки», а затем она уже соединяла их с другим абонентом, перетыкивая проводки? Этим же занимаются и современные коммутаторы:
13. 
Для контроля за сетью у Билайна есть несколько автомобилей, которые они ласково называют «ежики». Они передвигаются по городу и измеряют уровень сигнала собственной сети, а также уровень сети коллег из «Большой Тройки»:
14. 
Вся крыша такого автомобиля утыкана антеннами:
15. 
Внутри стоит оборудование, осуществляющее сотни звонков и снимающее информацию:
16. 
Круглосуточный контроль за коммутаторами и контроллерами осуществляется из Центра Управления Полетами Центра Контроля Сети (ЦКС):
17. 
Существует 3 основных направления по контролю за сотовой сетью: аварийность, статистика и обратная связь от абонентов. Так же, как и в самолетах, на всем оборудовании сотовой сети стоят датчики, которые посылают сигнал в ЦКС и выводят информацию на компьютеры диспетчеров. Если какое-то оборудование вышло из строя, то на мониторе начнет «мигать лампочка». ЦКС также отслеживает статистику по всем коммутаторам и контроллерам. Он анализирует ее, сравнивая с предыдущими периодами (часом, сутками, неделей и т.д.). Если статистика какого-то из узлов стала резко отличаться от предыдущих показателей, то на мониторе опять начнет «мигать лампочка». Обратную связь принимают операторы абонентской службы. Если они не могут решить проблему, то звонок переводится на технического специалиста. Если же и он оказывается бессильным, то в компании создается «инцидент», который решают инженеры, занимающиеся эксплуатацией соответствующего оборудования. За коммутаторами круглосуточно следят по 2 инженера:
18. 
На графике показана активность московских коммутаторов. Хорошо видно, что ночью практически никто не звонит:
19. 
Контроль за контроллерами (простите за тавтологию) осуществляется со второго этажа Центра Контроля Сети:
22. 
21. 
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).
Самыми уязвимыми с точки зрения возможности перехвата ведущихся переговоров (прослушивания) являются аналоговые мобильные сотовые телефоны. В нашем регионе (Санкт-Петербург) такой стандарт присутствовал до недавнего времени - это стандарт NMT450 (он присутствует также в Республике Беларусь). Уверенная связь и ее удаленность от базовой станции в таких системах напрямую зависят от мощности излучения передающего сотового телефона.
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).
Приход в каждую семью сотовой связи (сегодня и школьники получают такие подарки), это реалии времени, комфорт становится уже незаменимым. Наличие у пользователя сотового телефона позволяет выявлять его местоположение, как в текущий момент времени, так и все его предыдущие перемещения до этого. Текущее положение может выявляться двумя способами.
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.
Телефонная связь – это передача речевой информации на дальние расстояния. С помощью телефонии люди имеют возможность общаться в режиме реального времени.
Если в момент возникновения технологии способ передачи данных существовал только один – аналоговый, то в настоящий момент успешно применяются самые разные системы коммуникации. Телефонная, спутниковая и мобильная связь, а также IP-телефония обеспечивают надёжный контакт между абонентами, будь они даже в разных концах земного шара. Как работает телефонная связь при использовании каждого из методов?
Под термином «телефонная» связь чаще всего понимают связь аналоговую, способ передачи данных, ставший привычными за без малого полтора столетия. При использовании такой , информация передаётся непрерывно, без промежуточной кодировки.
Соединение двух абонентов регулируется набором номера, а затем общение ведётся посредством передачи сигнала от человека к человеку по проводам в самом буквальном смысле этого слова. Соединяют абонентов уже не телефонистки, а роботы, что значительно упростило и удешевило процесс, однако принцип работы аналоговых сетей связи остался прежним.
Абоненты операторов сотовой связи ошибочно считают, что «перерезали провод», соединяющий их с телефонными станциями. С виду всё так и есть – человек может передвигаться куда угодно (в рамках покрытия сигналом), не прерывая разговор и не теряя контакт с собеседником, да и <подключить телефонную связь стало легче и проще.
Однако если разобраться, как работает мобильная связь, мы обнаружим не так уж много отличий от работы аналоговых сетей. Сигнал на самом деле «витает в воздухе», вот только от телефона звонящего он попадает на приёмопередатчик, который, в свою очередь, связывается с ближайшим к вызываемому абоненту аналогичным оборудованием…посредством оптиковолоконных сетей.
Этап радиопередачи данных охватывает лишь путь сигнала от телефона к ближайшей базовой станции, которая связана с другими коммуникационными сетями вполне традиционным способом. Как работает сотовая связь, ясно. Каковы же её плюсы и минусы?
Технология обеспечивает большую мобильность по сравнению с аналоговой передачей данных, однако несёт в себе всё те же риски нежелательных помех и возможности прослушивания линий.
Рассмотрим подробнее, каким именно способом сигнал достигает вызываемого абонента.
Такая многослойная структура сети позволяет равномерно распределить нагрузку между всеми ее узлами. Тем самым уменьшается вероятность отказа оборудования и обеспечивается бесперебойная связь.
Как работает сотовая связь, ясно. Каковы же её плюсы и минусы? Технология обеспечивает большую мобильность по сравнению с аналоговой передачей данных, однако несёт в себе всё те же риски нежелательных помех и возможности прослушивания линий.
Давайте посмотрим, как работает спутниковая связь, высшая на сегодняшний день ступень развития радиорелейной связи. Ретранслятор, помещённый на орбиту, способен охватывать огромную площадь поверхности планеты в одиночку. Сеть базовых станций, как в случае с сотовой связью, уже не нужна.
Абонент–физическое лицо получает возможность путешествовать практически без ограничений, оставаясь на связи даже в тайге или в джунглях. Абонент–лицо юридическое может привязать к одной антенне-ретранслятору (это ставшая уже привычной «тарелка») целую мини-АТС, однако при этом следует учитывать объём входящих и исходящих, а также размер файлов, которые необходимо переслать.
Минусы технологии:
Главная особенность «спутника» состоит в том, что он обеспечивает абонентам независимость от наземных линий связи. Преимущества такого подхода очевидны. К ним относятся:
Минусы технологии:
Выбирая способ связи, важно учесть, насколько необходима вам именно столь функциональная связь.
Связь называют мобильной, если источник информации либо её получатель (или оба) перемещаются в пространстве. Радиосвязь с момента возникновения была мобильной. Первые радиостанции предназначались для связи с подвижными объектами – кораблями. Ведь один из первых приборов радиосвязи А.С. Попова был установлен на броненосце «Адмирал Апраксин». И именно благодаря радиосвязи с ним удалось зимой 1899–1900 гг. спасти этот корабль, затёртый во льдах в Балтийском море.
Долгие годы для осуществления индивидуальной радиосвязи между двумя абонентами требовался свой отдельный канал радиосвязи, работающий на одной частоте. Одновременную радиосвязь по многим каналам можно было бы обеспечить, выделив каждому каналу определённую полоску частот. Но ведь частоты нужны и для радиовещания, телевидения, радиолокации, радионавигации, военных нужд. Поэтому и число каналов радиосвязи было весьма ограничено. Она использовалась для военных целей, правительственной связи. Так, в автомобилях, которыми пользовались члены политбюро ЦК КПСС, были установлены телефоны мобильной связи. Устанавливалась они в полицейских машинах и радиотакси. Для того чтобы мобильная связь стала массовой, понадобилась новая идея её организации.
Каждая сота должна обслуживаться базовым радиопередатчиком с ограниченным радиусом действия и фиксированной частотой. Это даёт возможность повторно использовать ту же частоту в других сотах. Во время разговора сотовый радиотелефон соединён с базовой станцией радиоканалом, по которому передаётся телефонный разговор. Размеры соты определяются максимальной дальностью связи радиотелефонного аппарата с базовой станцией. Эта максимальная дальность является радиусом соты.
Идея мобильной сотовой связи состоит в том, что, ещё не выйдя из зоны действия одной базовой станции, мобильный телефон попадает в зону действия любой соседней вплоть до наружной границы всей зоны сети.
Для этого созданы системы антенн-ретрансляторов, перекрывающих свою «соту» – область поверхности Земли. Чтобы связь была надежной, расстояние между двумя соседними антеннами должно быть меньше радиуса их действия. В городах оно составляет около 500 м, а в сельской местности – 2-3 км. Мобильный телефон может принимать сигналы сразу от нескольких антенн-ретрансляторов, но настраивается он всегда на самый мощный сигнал.
Идея мобильной сотовой связи заключалась ещё и в применении компьютерного контроля за телефонным сигналом от абонента, когда он переходит от одной сотовой ячейки к другой. Именно компьютерный контроль позволил в течение всего лишь тысячной доли секунды переключать мобильный телефон с одного промежуточного передатчика на другой. Всё происходит так быстро, что абонент просто этого не замечает.
Центральной частью системы мобильной связи являются компьютеры. Они отыскивают абонента, находящегося в любой из сот, и подключают его к телефонной сети. Когда абонент перемещается из одной ячейки в другую, они передают абонента с одной базовой станции на другую, а также подключают абонента из «чужой» сотовой сети к «своей», когда он оказывается в зоне её действия, – осуществляют роуминг (что по-английски означает «странствие» или «бродяжничество»).
Эксплуатация первой в Европе системы сотовой связи стандарта NMT-450 (Nordic Mobile Telephone), предназначенной для работы в диапазоне 450 МГц, началась в 1981 г. в Швеции, Исландии, Дании, Норвегии, Финляндии и Саудовской Аравии. Затем началась эксплуатация систем связи того же типа в странах Европы и Юго-Восточной Азии. В 1985 г. на базе этого стандарта был разработан стандарт NMT-900 диапазона 900 МГц, позволивший увеличить абонентскую ёмкость системы связи. Подобные стандарты были введены в США, Франции и Великобритании.
Однако все эти стандарты являются аналоговыми и относятся к первому поколению систем сотовой связи. В них используется аналоговый способ передачи информации с помощью частотной (ЧМ) или фазовой (ФМ) модуляции, как в обычных радиостанциях. Этот способ имеет ряд существенных недостатков, главными из которых являются возможность прослушивания разговоров другими абонентами и невозможность борьбы с замиранием сигналов при передвижении абонента и под влиянием ландшафта и зданий. Перегруженность частотных диапазонов вызывала помехи при разговорах.
Поэтому к концу 1980-х гг. началось создание второго поколения систем сотовой связи, основанных на базе цифровых методов обработки сигналов. В 1990 г. был разработан стандарт GSM-900 для диапазона 900 МГц, который расшифровывается как Global System for Mobile Communications. А в 1991 г. на основе GSM был разработан стандарт для диапазона 1800 МГц. Подобные стандарты были приняты в США и Японии.
В России аналоговые системы сотовой связи на основе стандарта NMT-450 появились с опозданием на 10 лет, но зато цифровые системы на основе стандарта GSM – с опозданием только на три года. Стандарты NMT и GSM утверждены в нашей стране в качестве федеральных. В Москве активнее всего развиваются сотовые сети на основе цифрового стандарта GSM, а в регионах – аналоговые сети. Системы стандарта GSM в России наиболее активно продвигают на рынке три оператора – МТС, «Билайн» и «МегаФон». Сегодня на основе этого стандарта работают уже более 70 % всех сотовых телефонов в мире. России пошло на пользу опоздание с внедрением сотовой связи. У нас был сразу принят цифровой стандарт GSM. Многие современные сотовые телефоны оснащены возможностью высокоскоростного доступа в Интернет по стандарту GPRS (General Packet Radio Service).
Персональная сотовая мобильная связь пользуется всё большей популярностью, особенно у молодёжи. Общее число её пользователей в мире превышает 600 млн абонентов.
Важным преимуществом мобильной сотовой связи является возможность пользоваться ею вне общей зоны своего оператора – роуминг. Для этого различные операторы договариваются между собой о взаимной возможности пользования своим зонами для пользователей. Абонент, покидая общую зону своего оператора, автоматически переключается на зоны других операторов даже при перемещении из одной страны в другую, например, из России в Германию или во Францию. Либо, находясь в России, пользователь может звонить по сотовой связи в любую страну. Таким образом, сотовая связь обеспечивает пользователю возможность связываться по телефону с любой страной, где бы он ни находился.
6.3.1. Организация сотовой сети
Сотовые телефоны перестали быть роскошью и производственной необходимостью. Они входят в нашу повседневную жизнь, активно изменяя как стиль, так и содержание наших будней. Основная идея организации сотовой телефонной сети предельно проста. Вся обслуживаемая территория разбивается на кусочки-соты, в которых имеются базовые станции, соединяющие мобильные телефоны между собой и с внешним миром. На карте такая сеть мобильной связи напоминает пчелиные соты, откуда и пошло название этого вида телекоммуникации. Телефоны в соседних сотах не мешают друг другу, потому что работают на разных частотах, а вот отстоящие более чем на соту просто не слышат друг друга благодаря тому, что земля круглая, и радиоволны, распространяясь, затухают.
Базовая станция с антеннами и трубка в руках абонента всегда находятся недалеко друг от друга и работают на минимальных мощностях, поэтому телефон становится поистине мобильным, компактным и лёгким. Между собой базовые станции соединяются высокоскоростной линией связи, по которым наши разговоры и приходят к сотовому оператору. Собравшись на головной сотовой станции, все звонки тарифицируются и коммутируются с адресатами. Естественно, что сотовые операторы имеют выход на телефонную сеть общего пользования, и звонок, если он проходит вне данной сети, начинает своё путешествие по земным линиям связи.
Благодаря единому управлению при переходе из соты в соту телефон автоматически передаётся на обслуживание новой базовой станции. Процесс передачи обслуживания сопровождается сменой рабочей частоты и занимает некоторое время, практически незаметное при разговоре.
Мобильный телефон не имеет постоянной прописки, и ему приходится периодически регистрироваться в сети, соответственно, сотовый оператор даже при роуминге (т.е. когда его абонент путешествует по чужой территории) знает, где именно находится выходящий на связь аппарат, и при запросе подтверждает платёжеспособность хозяина телефона.
6.3.2. Аналоговые стандарты сотовой связи
Имея много общего, системы сотовой связи существенно отличаются друг от друга и, в первую очередь, по тому аналоговую или цифровую форму передачи информации они используют. Сначала все системы были аналоговыми, а аппараты очень похожими на обычные связные рации. Наиболее широко распространились по миру две такие системы: американская AMPS (Advanced Mobile Phone Service) и европейская NMT (Nordic Mobile Telephone). Сегодня они по-прежнему успешно работают на обширных территориях малонаселённых районов крупных стран, когда плотность звонящих невелика. Эти стандарты имеют ограниченную ёмкость и не позволяют более чем полусотне человек одновременно выходить на связь в пределах одной соты.
AMPS работает в диапазоне 800 МГц, NMT-450 – соответственно, вблизи 450 МГц, а активно используемый сегодня в скандинавских странах NMT-900 – около 900 МГц. В NMT максимальный радиус соты может равняться 40 км, в AMPS он не более 20 км. Выходная мощность мобильных трубок в NMT-450 достигает 2-3 Вт, в AMPS не превышает 0,6 Вт, для стационарных и автомобильных вариантов в NMT-450 она может доходить до 15 Вт, а у базовой станции – 50–100 Вт.
Звуковой сигнал в аналоговых сетях не подвергается существенной обработке, и задержка связи составляет всего несколько десятков миллисекунд при местных звонках. Соответственно, звучание человеческого голоса в таких телефонах выглядит наиболее естественно и привычно. Характерные для аналоговых сетей шумы и помехи во многом похожи на типичные для проводных телефонов шорохи и трески.
В аналоговых сотовых системах вопрос конфиденциальности телефонных переговоров полностью открыт, и любопытные конкуренты могут свободно слушать интересующие их разговоры, не только сидя в машине под окнами офиса, но и находясь за пару кварталов от объекта наблюдения. Более того, практически сразу появились «усовершенствованные» модели аналоговых телефонов, способные перехватывать идентификационные номера законных пользователей сотовых сетей. Причём нелегальные аппараты, звонящие за чужой счёт, были довольно-таки интеллектуальны, и, прежде чем выйти в эфир, проверяли, не находится ли тот, кто за них платит, на связи.
Воровство так распространилось в мире аналоговой сотовой связи, что изготовителям оборудования пришлось срочно усложнять процедуру опознания своих абонентов. И сегодня проблема двойников, по крайней мере в NMTi, решена. Однако возможность прослушивания даже при включении «шифрования» осталась.
Роуминг в сотовых сетях возможен только в пределах выбранного вами стандарта, поскольку телефоны, работающие в разных стандартах, принципиально несовместимы. Там же, где есть нужная сеть, имеет место так называемый полуавтоматический роуминг, требующий участия владельца для выбора нужного кода страны.
Телефоны стандарта NMT ещё совсем недавно были существенно крупнее своих собратьев по сотовой связи, но сегодня благодаря успехам электроники только выдвижная антенна порой выдаёт тот факт, что это аппарат аналогового стандарта.
В США очень быстро столкнулись с тем, что аналоговый стандарт не может обеспечить связью всех желающих. И новый почти полностью цифровой стандарт D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone Service), пришедший на смену AMPS, при прежнем максимальном радиусе соты 20 км повысил число одновременно идущих в соте разговоров до трёхсот. Это был шаг, существенно улучшивший конфиденциальность телефонных разговоров и снявший проблему двойников. Переход к цифре, естественно, немного сказался на качестве речи. Данный стандарт позволяет вполне спокойно обеспечивать стабильной мобильной связью не слишком плотно расположенных абонентов. Он не стал международным стандартом, поэтому, путешествуя с таким телефоном по миру, далеко не везде удастся выйти на связь.
В мире было разработано и внедрено 9 аналоговых стандартов, работавших на разных частотах и не совместимых друг с другом. Сейчас успешно работают два из них: скандинавский NMT и американский AMPS, причём оба используются и в нашей стране.
6.3.3. Эволюция к цифровым стандартам
Цифровых стандартов с возможностью организации сот радиусом от 0,5 до 20–30 км сегодня 4: американские D-AMPS и CDMA, глобальный общеевропейский GSM и сугубо японский JDC (Japan Digital Cell).
Первопроходцам всегда труднее, и сегодня, чтобы удержаться на плаву, сотовым операторам, работающим в NMT и D-AMPS, приходится не только снижать цены, но и предлагать услуги, которых изначально данные стандарты не предполагали. Автодозвон, определение номера, голосовая почта, конференц-связь, передача данных и даже работа в Internet сегодня стали доступны не только современным цифровым стандартам.
Широкая популярность сотовых сетей заставила разработчиков всерьёз задуматься об увеличении их ёмкости и стандартизации в рамках всей планеты. Поскольку только при унификации телефонов можно спокойно путешествовать по всему миру, оставаясь на связи благодаря услугам автоматического роуминга. К этому времени, началу 90-х гг., уже было ясно, что решение этих двух задач возможно только при переходе к цифровым способам передачи речи и управления связью.
Разработкой общемирового стандарта занялись как в Европе, так и в Америке. Старый и Новый свет пошли немного разными путями, и в итоге имеется два стандарта, работающих не только на разных частотах, но и использующих принципиально разные способы разделения одновременно звонящих абонентов. Американцы в той же полосе частот, где работали раньше AMPS и D-AMPS, с 1995 г. начали внедрение CDMA (Code Division Multiple Access). При прежнем размере сот и той же базовой инфраструктуре переход к новому стандарту увеличил количество одновременно звонящих в соте до тысячи, повысил экономичность аппаратов, существенно улучшил конфиденциальность переговоров и исключил проблему двойников.
Каждый CDMA-телефон имеет свой индивидуальный идентификационный номер, и поменять аппарат без участия сотового оператора просто невозможно. Видимо, в том числе и поэтому пока не поступало сообщений о клонировании (т.е. дублировании) такого типа телефонов. Записная книжка с номерами и ваш личный органайзер оказываются в неотъемлемой памяти телефона, и, меняя телефон, придётся перезаписывать всю полезную информацию.
Цифровые системы очень большое внимание уделяют кодированию речи, потому что без сжатия информационного потока цифровые системы не получат преимущества по количеству обслуживаемых абонентов. Вычислительные возможности телефонного микрокомпьютера, отвечающего за кодирование и декодирование речи, далеки от любого Pentium, и поэтому впору не сетовать на качество передачи речи в цифровых системах мобильной связи, а восхищаться тем, что голоса самых разных народов мира передаются столь узнаваемым образом.
6.3.4. CDMA и GSM
CDMA имеет на сегодня наибольшую скорость передачи данных (14,4 кбит/с) и достаточно хорошее качество звука. Аппараты, работающие в этом стандарте, вполне миниатюрны и достаточно долго удерживаются на связи. Этот стандарт сегодня широко распространён в Северной Америке и Южной Корее. В нашей стране также есть операторы, выбравшие данный стандарт, однако распространённость таких сетей пока невелика, и потенциальный роуминг сильно ограничен (а в ситуации, когда данная связь лицензирована только как беспроводная, и законодательно невозможен).
Наиболее популярным типом сотовой связи сегодня, безусловно, является GSM (Global System for Mobile Communications). Этот европейский цифровой стандарт глобальной мобильной связи, стартовав в 1991 г. в Европе, сегодня де-факто стал самым популярным стандартом в мире. Он очень быстро распространяется по нашей планете, и сегодня почти во всех странах, имея в руках GSM-телефон, можно спокойно звонить и отвечать на звонки, как будто вы находитесь дома. GSM был разработан с учётом многолетнего опыта эксплуатации сотовых сетей, ориентирован на всеобщее применение и допускает существенную модификацию без изменения основных функций.
В GSM радиус соты может достигать 35 км, и возможно до тысячи одновременных звонков. Максимальная импульсная мощность мобильных трубок не превышает 1 Вт, хотя для стационарных и автомобильных вариантов телефонов она может доходить и до 20 Вт. Аппараты этого стандарта на сегодня наиболее миниатюрны и дольше всех удерживаются на связи и в состоянии ожидания звонка.
Цифровые системы связи обеспечивают чистое и без помех звучание, лишь немного искажая тембр и интонационную окрашенность речи. Только при слабых уровнях сигнала и неустойчивой связи возможна ситуация, когда телефон как бы глотает кусочки слов. Выигрыш в выходной мощности и пропускной способности при переходе к цифре столь существенны, а разборчивость речи страдает так мало, что однозначно можно простить телефонам цифровую обработку человеческого голоса.
При разговоре мы примерно половину времени молчим, слушая собеседника. Цифровые системы активно используют это обстоятельство, почти полностью выключая передатчик в паузах речи, стараясь не засорять понапрасну эфир и экономя батарею. А чтобы не было звенящей тишины в ушах говорящего, телефон в это время подаёт в динамик «комфортный шум», напоминающий типичные звуки на том конце «провода».
Эфирное подслушивание GSM-переговоров затруднено, здесь разработчики постарались от души. И дело не только в сложном виде используемых сигналов и закрытости алгоритмов шифрования, но и в том, что процедура кодирования всё время меняется, и каждый новый звонок имеет свой ключ.
Интересным шагом в борьбе за плотность звонящих было введение GSM 1800, существенно увеличившее пропускную способность за счёт перехода к более мелким сотам и расширению диапазона частот. Судя по опыту эксплуатации таких сетей в крупнейших мегаполисах, этот шаг полностью снимает проблему перегрузки сети даже при поголовной «мобилизации» населения.
Во всём мире GSM работает на частоте 900 и 1800 МГц, но только не в Америке. Федеральная комиссия по радиосвязи сочла свободным и продала операторам лишь небольшой участок спектра в районе 1900 МГц, и тут же возник американский GSM 1900. Причём в этом диапазоне могут работать как GSM, так и CDMA и даже D-AMPS-сотовые операторы. Сегодня выпускаются не только «всемирные» телефоны, работающие на 1800 и 1900 МГц, но и воистину всеядные «трёхбендовые», умеющие выходить на связь во всех трёх GSM-диапазонах.
Сотовые сети и Internet во многом похожи друг на друга, и неслучайно почти все телефоны GSM имеют WAP-броузеры и активно обсуждаются проекты нового всемирного стандарта сотовой связи, который будет иметь существенно большую скорость передачи данных и обеспечивать вполне комфортную работу во всемирной паутине благодаря более широкой рабочей полосе и увеличенный по отношению к GSM и CDMA темп передачи речи, изображений и данных. Сегодня такая надстройка над GSM в виде GPRS-технологии уже освоена обоими московскими операторами и достигнута скорость 40,2 кбит/с на приём.
В GSM-телефонах используется сменный модуль, отвечающий за идентификацию абонента, – так называемая SIM-карта (Subscribe Identity Module). Эта маленькая микросхема не только отвечает за то, чтобы никто не звонил за ваши деньги, но и содержит обширную память, способную хранить до 255 номеров и имён ваших знакомых. Соответственно, переставив SIM-карту из одного телефона GSM в другой, переносишь не только записную книжку, но и свой телефонный номер, на который теперь будет отзываться фактически уже другой телефон.
Персонализация средств связи идет быстрыми темпами, и сегодня уже можно смело переходить от понятия «рабочий» и «домашний» телефон к понятию «личный индивидуальный телефонный номер», который всегда при вас. Наиболее логичным решением этой задачи является применение SIM-карт. Универсальность этой маленькой микросхемы позволяет использовать её во всех новых, готовых к запуску и разрабатываемых как сотовых, так и спутниковых системах связи.
Спектр услуг, предоставляемых сегодня операторами GSM, наиболее обширен, и он непрерывно пополняется. Короткие текстовые сообщения SMS (Short Message Servic) и возможность работы в Internet прямо с клавиатуры телефона, используя WAP-броузер, передача данных и факсов (скорость 9,6 кбит/с), конференц-связь и переадресация звонков, информационные услуги (цены, погода, адреса, телефоны) и формирование различных групп пользователей – это далеко не полный перечень тех возможностей, которые получает хозяин телефона GSM.
Раздел сотовых стандартов уже завершён, и почти все операторы выбирали какой-то один тип связи. У нас в стране сегодня работает несколько десятков сотовых операторов, обслуживающих почти два миллиона пользователей. Московский оператор «Би Лайн», развернув свою сеть D-AMPS, не стал внедрять в том же диапазоне CDMA, а занялся европейским GSM 1800. Другой столичный оператор МТС начал с работы в GSM 900, а сейчас они оба делают основную ставку на двухдиапазонный GSM 900/1800. Старейшая российская сотовая сеть МСС вместе с СОТЕЛ по-прежнему продолжает охватывать необъятные просторы нашей Родины стандартом NMT-450i, подумывая о цифровизации. Региональные операторы успешно осваивают все стандарты сотовой связи, включая CDMA. Московская сеть СОНЕТ выбрала CDMA пока в стационарном, но в перспективе, естественно, в мобильном виде.
И если операторы предоставляют услуги в разных стандартах, то производители стараются максимально расширить возможности сотовых телефонов, делая их всё более функциональными и многостандартными. Объединение в одном корпусе спутникового, сотового и офисного радиотелефона сегодня идёт полным ходом, и в XXI в. будет вполне реально в пустыне звонить по спутниковому каналу, в городе – по сотовому, а в офисе – по местной радио-АТС, и всё это будет происходить по одному аппарату и единому личному номеру владельца телефона.
Ведущие компании-производители сотовых телефонов ориентируются на единый европейский стандарт – GSM. Именно поэтому их аппаратура технически совершенна, но относительно недорога. Ведь они могут позволить себе выпускать огромные партии телефонов, находящих сбыт.
Удобным дополнением к сотовому телефону стала система коротких сообщений SMS (Short Message Service). Она используется для передачи коротких сообщений прямо на телефон современной цифровой системы GSM без применения дополнительного оборудования, только с помощью цифровой клавиатуры и экранчика-дисплея сотового телефона. Приём SMS-сообщений производится также на цифровой дисплей, которым оснащён любой сотовый телефон. SMS можно использовать в тех случаях, когда обычный телефонный разговор не является самым удобным видом связи (например, в шумном переполненном поезде). Можно послать знакомому по SMS свой номер телефона. Из-за низкой стоимости SMS является альтернативой телефонному разговору. Максимальная величина SMS-сообщения составляет 160 символов. Посылать его можно несколькими способами: звонком в специальную службу, а также с помощью своего телефона GSM с функцией отправки, с помощью Интернета. Система SMS может обеспечивать дополнительные услуги: посылать на Ваш телефон GSM курс валют, прогноз погоды и т.д. По существу, телефон GSM с системой SMS является альтернативой пейджеру.
Но и система SMS – не последнее слово в сотовой связи. В наиболее современных сотовых телефонах (например, фирмы Nokia) появилась функция Chat (в русской версии – «диалог»). С её помощью можно общаться в режиме реального времени с другими владельцами сотовых телефонов, как это делается в Интернете. По существу, это новый вид обмена посланиями SMS. Для этого вы составляете послание своему собеседнику и отправляете его. Текст вашего послания появляется на дисплеях обоих сотовых телефонов – вашего и вашего собеседника. Потом он вам отвечает и на дисплеях высвечивается его послание. Таким образом, вы ведёте электронный диалог. Но если сотовый телефон вашего собеседника не поддерживает данную функцию, то он будет получать обычные SMS-сообщения.
Появились и сотовые телефоны с поддержкой высокоскоростного доступа в Интернет через GPRS (General Packet Radio Service) – стандарт пакетной передачи данных по радиоканалам, при котором телефону не нужно «дозваниваться»: аппарат постоянно поддерживает соединение, отправляет и принимает пакеты данных. Выпускаются и сотовые телефонные аппараты со встроенной цифровой фотокамерой.
По данным исследовательской компании Informa Telecoms & Media (ITM), число пользователей мобильной связи в мире в 2007 г. составляет 3,3 млрд чел.
Наконец, самые сложные и дорогие аппараты – это смартфоны и коммуникаторы, сочетающие возможности сотового телефона и карманного компьютера.
6.3.5. Технологии передачи сообщений Short Message Service (SMS)
Short Message Service (SMS) на сегодняшний день является самым распространённым и используемым способом отправки и получения коротких сообщений посредством мобильной связи стандарта GSM. SMS хорошо себя зарекомендовал как средство коммуникаций в направлении человек – человек и при отправке сообщений, носящих преимущественно информационный характер, от сервера к абоненту и между серверами.
Работа SMS обеспечивается за счёт SMS-центра (Short Message Service Center или SMSC), который выступает в качестве банка данных, где хранятся сообщения, и движущего средства, переправляющего их дальше. Короткие сообщения пересылаются по тому же каналу сотовой сети, что и телефонные звонки. А в случае сети, обеспечивающей пакетную передачу данных, сообщения могут отправляться даже непосредственно во время разговора по телефону.
В спецификациях к стандартным коротким сообщениям указано, что оно не может превышать 160 знаков. Теоретически, сообщение может быть в 255 раз больше, но, к сожалению, ни один из существующих телефонных аппаратов не сможет сохранить такое количество информации. В среднем их память рассчитана всего лишь на четыре полных сообщения.
6.3.6. Multimedia Message Service (MMS)
MMS относится к новому поколению решений для мобильных сообщений. До сих пор окончательно не стандартизированный этот сервис обещает добавить телефонам множество функций, которые не может обеспечить EMS.
Стандарт MMS предназначен для сетей GPRS, которые в отличие от более простого GSM обладают постоянным подключением к сети, более высокой пропускной способностью и возможностью пакетной передачи данных, что в совокупности с более мощными устройствами и обеспечивает переход к мультимедийным сообщениям.
Работа MMS основана на стандартах SMS и e-mail. Он включил в себя лучшее от обеих систем, и в результате получился «гибридный» стандарт, оптимизированный для использования с мобильными устройствами. Это позволяет упростить процесс интеграции с существующими системами, приложениями и, главное, пользователями. Одним из достоинств нового стандарта является то, что при отправке сообщения могут быть использованы как номера телефонов, так и адреса электронной почты.
Стандарт Multimedia Message Service позволяет включать в сообщение текст, картинки в формате JPEG, сжатые посредством кодировщика AMR аудиофайлы, SMS-сообщение, спрятанное внутри MMS.
В будущем MMS планируется добавить поддержку видеоформатов и различные «надбавки», например Synchronised Multimedia Integration Language (SMIL), которая позволит представлять медиаданные в структурированной форме.
Так же, как и SMS требует наличие некоего сервис-центра для хранения и отправки сообщений, для работы MMS необходим сервис-центр для управления потоком мультимедийных сообщений.
MMS-центр (в документации он называется MMS Relay/Server) отвечает за следующий набор задач:
Получение и отправка медиасообщений с и на мобильные устройства;
Конвертирование медиа-форматов в зависимости от возможностей телефонного аппарата, на которое отправляется сообщение;
Генерация информации о счёте;
Получение и доставка сообщений с и на зарубежные MMS-центры;
Получение и доставка сообщений с и на внешние системы, например электронную почту;
Получение и доставка сообщений внешним провайдерам, обеспечивающим дополнительные услуги.
Связь называют мобильной, если источник информации либо ее получатель (или оба) перемещаются в пространстве. Радиосвязь с момента возникновения была мобильной. Выше, в третьей главе показано, что первые радиостанции предназначались для связи с подвижными объектами–кораблями. Ведь один из первых приборов радиосвязи А.С. Попова был установлен на броненосце «Адмирал Апраксин». И именно благодаря радиосвязи с ним удалось зимой 1899–1900 годов спасти этот корабль, затертый во льдах Балтийского моря. Однако в те годы эта «мобильная связь» требовала громоздких приемопередающих устройств радиосвязи, что не способствовала развитию столь необходимой индивидуальной радиосвязи даже в Вооруженных силах, не говоря уже о частных клиентах.
17 июня 1946 года в Сент Луисе, США, лидер телефонного бизнеса компания AT&T и Southwestern Bell запускают первую радиотелефонную сеть для частных клиентов. Элементной базой аппаратуры являлись ламповые электронные приборы, поэтому аппаратура была очень громоздкой и предназначалась только для установки в автомобилях. Вес оборудования без источников электропитания составлял 40 кг. Несмотря на это, популярность мобильной связи стала стремительно расти. Это создало новую, более серьезную, чем массогабаритные показатели проблему. Увеличение количества радиосредств, при ограниченном частотном ресурсе приводило к сильным взаимным помехам для радиостанций, работающих на близких по частоте каналах, что значительно ухудшало качество связи. Для исключения взаимных помех при повторяющихся частотах необходимо было обеспечить минимум стокилометровый разнос по пространству между двумя группами радиосистем. Именно поэтому мобильная связь в основе своей использовалась для нужд специальных служб. Для массового внедрения требовалось изменить не только массогабаритные показатели, но и сам принцип организации связи.
Как отмечалось выше, в 1947 году изобретается транзистор, выполняющий функции электронных ламп, но обладающий значительно меньшими размерами. Именно появление транзисторов оказало огромное значение для дальнейшего развития радиотелефонной связи. Замена электронных ламп на транзисторы создала предпосылки широкого внедрения мобильного телефона. Основным сдерживающим фактором являлся принцип организации связи, который позволил бы устранить или хотя бы снизить влияние взаимных помех.
Исследования ультракоротковолнового диапазона волн, проводимые в 40-е годы прошлого века, позволили выявить его основное преимущество перед короткими волнами – широкодиапазоннось, т. е. большая частотная емкость и основной недостаток–сильное поглощение радиоволн средой распространения. Радиоволны этого диапазона не способны огибать земную поверхность, поэтому дальность связи обеспечивалась только на линии прямой видимости, и в зависимости от мощности передатчика обеспечивалась максимум до 40 км. Этот недостаток вскоре превратился в преимущество, которое дало толчок активному массовому внедрению сотовой телефонной связи.
В 1947 сотрудник американской компании Bell Laboratories Д. Ринг предложил новую идею организации связи . Она заключалась в разделении пространства (территории) на небольшие участки - соты (или ячейки) радиусом 1–5 километров и в отделении радиосвязи в пределах одной ячейки (путем рационального повторения используемых частот связи) от связи между ячейками. Повторение частот значительно снизило проблемы использования частотного ресурса. Это позволяло использовать в разных сотах распределенных в пространстве одни и те же частоты. В центре каждой ячейки предлагалось расположить базовую приемно-передающую радиостанцию, которая обеспечивала радиосвязь в пределах ячейки со всеми абонентами. Размеры соты определялись максимальной дальностью связи радиотелефонного аппарата с базовой станцией. Эта максимальная дальность получила название радиуса соты. Во время разговора сотовый радиотелефон соединяется с базовой станцией радиоканалом, по которому передается телефонный разговор. У каждого абонента должна быть своя микрорадиостанция – «мобильный телефон» – комбинация телефона, приемопередатчика и мини-компьютера. Абоненты связываются между собой через базовые станции, которые соединены друг с другом и с городской телефонной сетью общего пользования.
Для обеспечения бесперебойной связи при переходе абонента от одной зоны к другой потребовалось применение компьютерного контроля за телефонным сигналом, излучаемым абонентом. Именно компьютерный контроль позволил в течение всего лишь тысячной доли секунды переключать мобильный телефон с одного промежуточного передатчика на другой. Все происходит так быстро, что абонент просто этого не замечает. Таким образом, центральной частью системы мобильной связи являются компьютеры. Они отыскивают абонента, находящегося в любой из сот, и подключают его к телефонной сети. Когда абонент перемещается из одной соты (ячейки) в другую, компьютеры как бы передают абонента с одной базовой станции на другую и подключают абонента «чужой» сотовой сети к «своей» сети. Это происходит в тот момент, когда «чужой» абонент оказывается в зоне действия новой базовой станции. Таким образом, осуществляют роуминг (что по-английски означает «странствие» или «бродяжничество»).
Как отмечалось выше, принципы современной мобильной связи были достижением уже конца 40-х годов. Однако в те времена компьютерная техника была еще на таком уровне, что ее коммерческое применение в системах телефонной связи было затруднено. Поэтому практическое применение сотовой связи стало возможным только после изобретения микропроцессоров и интегральных полупроводниковых микросхем.
Первый сотовый телефонный аппарат прототип современного аппарата сконструировал Мартин Купер (фирма Motorola, США).
В 1973 году в Нью-Йорке, на вершине 50 этажного здания компанией Motorola, под его руководством была смонтирована первая в мире базовая станция сотовой связи. Она могла обслуживать не более 30 абонентов и соединять их с наземными линиями связи.
3 апреля 1973 года Мартин Купер набрал номер своего начальника и произнес следующие слова: «Представь себе, Джоэл, что я звоню тебе с первого в мире сотового телефона. Он у меня в руках, а я иду по Нью-Йоркской улице».
Телефон, с которого звонил Мартин, назывался Dyna-Tac. Его размеры были 225×125×375 мм, а вес составлял немного ни мало 1,15 кг, что, впрочем, намного меньше 30 килограммовых устройств конца сороковых. С помощью аппарата можно было звонить и принимать сигнал, вести переговоры с абонентом. На этом телефоне размещалось 12 клавиш, из которых 10 были цифровые для набора номера абонента, а две другие обеспечивали начало разговора и прерывали звонок. Аккумуляторы Dyna-Tac позволяли работать в режиме разговора около получаса, а для их зарядки требовалось 10 часов.
Несмотря на то, что основные разработки велись в США, первая коммерческая сеть сотовой связи была запущена в мае 1978 года в Бахрейне. Две соты с 20 каналами в диапазоне 400 МГц обслуживали 250 абонентов.
Немногим позже сотовая связь начала свое триумфальное шествие по всему миру. Все больше и больше стран понимали выгоду и удобства, которые она может принести. Однако отсутствие единого международного стандарта использования диапазона частот, со временем привело к тому, что владелец сотового телефона, переезжая из одного государства в другое, не мог пользоваться мобильным телефоном.
В целях устранения этого основного недостатка с конца семидесятых годов Швеция, Финляндия, Исландия, Дания и Норвегия начали совместные исследования по разработке единого стандарта. Результатом исследований стал стандарт связи NMT-450 (Nordic Mobile Telephone), который предназначался для работы в диапазоне 450 МГц. Этот стандарт впервые начал использоваться в 1981 году в Саудовской Аравии, и лишь месяцем позже – в Европе. Различные варианты NMT-450 были взяты на вооружение в Австрии, Швейцарии, Голландии, Бельгии, странах Юго-Восточной Азии и Ближнего Востока .
В 1983 году в Чикаго была запущена в работу сеть стандарта AMPS (Advanced Mobile Phone Service), который был разработан фирмой Bell Laboratories. В 1985 г., в Англии, был принят стандарт TACS (Total Access Communications System), являвшийся разновидностью американского AMPS. Через два года, из-за резко возросшего числа абонентов, был принят стандарт HTACS (Enhanced TACS), добавивший новые частоты и частично исправивший недостатки предшественника. Франция же стояла отдельно от всех и начала использовать собственный стандарт Radiocom-2000 с 1985 года.
Следующим стал стандарт NMT-900, использующий частоты 900 МГц диапазона. Новая версия стала применяться в 1986 году. Она позволила увеличить число абонентов и улучшить стабильность системы .
Однако все эти стандарты являются аналоговыми и относятся к первому поколению систем сотовой связи. В них используется аналоговый способ передачи информации с помощью частотной (ЧМ) или фазовой (ФМ) модуляции – как в обычных радиостанциях. Этот способ имеет ряд существенных недостатков, главными из которых являются возможность прослушивания разговоров другими абонентами и невозможность борьбы с замиранием сигналов при передвижении абонента, а также под влиянием ландшафта местности и зданий. Перегруженность частотных диапазонов вызывала помехи при разговорах. Поэтому к концу 1980-х годов началось создание второго поколения систем сотовой связи, основанных на базе цифровых методов обработки сигналов.
Предварительно, в 1982 году Европейская Конференция Администраций Почт и Электросвязи (СЕРТ) объединяющая 26 стран, приняла решение о создании специальной группы Groupe Special Mobile . Ее целью была разработка единого европейского стандарта цифровой сотовой связи. Новый стандарт связи разрабатывался в течение восьми лет, и впервые о нём было заявлено лишь в 1990 году – тогда были предложены спецификации стандарта. Специальной группой первоначально было принято решение использовать в качестве единого стандарта сначала диапазон 900 МГц, а затем, учитывая перспективы развития сотовой связи в Европе и во всем мире, было принято решение выделить для нового стандарта и диапазон 1800 МГц.
Новый стандарт получил название GSM – Global System for Mobile Communications. GSM 1800 МГц также носит название DCS-1800 (Digital Cellular System 1800). Стандарт GSM является цифровым стандартом сотовой связи. В нём реализовано временное разделение каналов (TDMA – множественный доступ с разделением по времени, шифрование сообщений, блочное кодирование, а также модуляция GMSK) (Gaussian Minimum Shift Keying).
Первым государством, запустившим сеть GSM, является Финляндия, запустившая в 1992 году это стандарт в коммерческую эксплуатацию. В следующем году в Великобритании заработала первая сеть DCS-1800 One-2-One. С этого момента начинается глобальное распространение стандарта GSM по всему миру.
Следующей ступенью после GSM, является стандарт CDMA который, предоставляет более быструю и надёжную связь за счет использования кодового разделения каналов. Этот стандарт начал зарождаться в США в 1990 году. В 1993 году в США стал применяться CDMA (или IS-95) в диапазоне частот 800 МГц. В это же время в Англии начала свою работу сеть DCS-1800 One-2-One.
В общем, стандартов связи было множество, и к середине девяностых большинство цивилизованных стран плавно переходили на цифровые спецификации. Если сети первого поколения позволяли передавать только голос, то второе поколение систем сотовой связи, которым является и GSM, позволяют предоставлять и другие не голосовые услуги. Помимо SMS-сервиса первые телефоны стандарта GSM позволяли передавать и другие не голосовые данные. Для этого был разработан протокол передачи данных, получивший название CSD (Circuit Switched Data – передача данных по коммутируемым линиям). Однако этот стандарт обладал весьма скромными характеристиками – максимальная скорость передачи данных составляла всего 9600 бит в секунду, и то при условии стабильной связи. Впрочем, для передачи факсимильного сообщения таких скоростей вполне хватало.
Бурное развитие Интернета в конце 90-х
годов привело к тому, что многие пользователи сотовой связи захотели
использовать свои трубки как модемы, а существующих скоростей для этого было
явно недостаточно.
Для того чтобы хоть как-то, удовлетворить потребность своих клиентов в доступе
к сети Интернет, инженеры изобретают WAP-протокол. WAP – это сокращенное
название от Wireless Application Protocol, что переводится как протокол
беспроводного доступа к приложениям. В принципе WAP можно назвать упрощенной
версией стандартного Интернет протокола HTTP, только приспособленного под
ограниченные ресурсы мобильных телефонов, таких как небольшие размеры дисплея,
небольшую производительность телефонных процессоров и небольшие скорости
передачи данных в мобильных сетях. Однако этот протокол не позволял
просматривать стандартные Интернет – страницы, они должны быть написаны на
языке WML, который был адаптированным для сотовых телефонов. В итоге, абоненты
сотовых сетей хотя и получили доступ в Интернет, но он оказался весьма
«урезанным» и малоинтересным. Плюс к этому, для доступа к WAP-сайтам использовался
тот же канал связи, что и для передачи голоса, то есть пока вы загружаете или
просматриваете страничку, канал связи занят, и с лицевого счета списываются те
же деньги, что и во время разговора. В результате, достаточно интересная
технология какое-то время была практически похоронена и использовалась
абонентами сотовых сетей различных операторов весьма редко.
Производителям оборудования сотовой связи срочно пришлось искать способы
увеличения скорости передачи данных, и в результате на свет появилась технология
HSCSD (High-Speed Circuit Switched Data), которая обеспечивала вполне
приемлемую скорость – до 43 килобит в секунду. У определенного
круга пользователей эта технология пользовалась популярностью. Но все же и эта
технология не лишилась главного недостатка своего предшественника – данные все
так же передавались по голосовому каналу. Разработчикам вновь пришлось заняться
кропотливыми исследованиями. Старания инженеров не прошли даром, и достаточно
недавно на свет появилась технология, получившая название GPRS (General Packed
Radio Services) – это название можно перевести как система пакетной радио
передачи данных. В данной технологии используется принцип разделения каналов
для передачи голоса и данных. В результате абонент оплачивает не длительность
соединения, а лишь объем переданных и полученных данных. Помимо этого у GPRS
есть еще одно преимущество перед более ранними технологиями мобильной передачи
данных – во время GPRS-соединения телефон все также способен принимать звонки и
SMS-сообщения. На данный момент современные модели телефонов представленные на
рынке при совершении разговора приостанавливают GPRS-соединение, которое
автоматически возобновляется по окончании разговора. Такие аппараты
классифицируются, как GPRS-терминал класса В. Планируется производство
терминалов класса А, которые будут позволять одновременно загружать данные и
вести разговор с собеседником. Также существуют специальные устройства, которые
предназначены только для передачи данных, и их называют GPRS-модемами или
терминалами класса С. Теоретически GPRS способен передавать данные со скоростью
115 килобит в секунду, но на данный момент большинство операторов связи
предоставляют канал связи, который позволяет развивать скорость до 48 килобит в
секунду. Это связано в первую очередь с оборудованием самих операторов и как
следствие, отсутствием на рынке сотовых телефонов поддерживающих более высокие
скорости.
С появлением GPRS вновь вспомнили и о
WAP-протоколе, так как теперь, посредством новой технологии, доступ к небольшим
по объему WAP-страницам становится во много раз дешевле, чем во времена CSD и
HSCSD. Более того, многие операторы связи за небольшую ежемесячную абонентскую
плату предоставляют неограниченный доступ к WAP-ресурсам сети.
С появлением GPRS сети сотовой связи перестали именоваться сетями второго
поколения – 2G. На данный момент мы находимся в эпохе 2,5G. Не голосовые услуги
становятся все более востребованными, происходит слияние сотового телефона,
компьютера и сети Интернет. Разработчики и операторы предлагают нам все больше
и больше различных дополнительных услуг.
Так, используя возможности GPRS, был создан новый формат передачи сообщений,
который был назван MMS (Multimedia Messaging Service – Сервис Мультимедийных
Сообщений), который в отличие от SMS, позволяет отправлять с сотового телефона
не только текст, но и различную мультимедиа информацию, например, звукозаписи,
фотографии и даже видеоклипы. Причем MMS-сообщение может быть передано как на
другой телефон, поддерживающий этот формат, так и на ящик электронной почты.
Увеличение мощности процессоров телефонов позволяет теперь загружать и
запускать на нем различные программы. Для их написания чаще всего используется
язык Java2ME. Владельцам большинства современных телефонов теперь не составляет
труда подключиться к сайту разработчиков Java2ME приложений и закачать на свой
телефон, например, новую игру или другую необходимую программу. Также никого не
удивит возможность подключения телефона к персональному компьютеру, для того
чтобы, используя специальное программное обеспечение, чаще всего поставляемое
вместе с трубкой, сохранить или отредактировать на ПК адресную книгу или
органайзер; находясь в дороге, используя связку мобильный телефон + ноутбук,
выйти в полноценный Интернет и просмотреть свою электронную почту. Однако наши
потребности постоянно растут, объем передаваемой информации растет практически
ежедневно. И все больше требований выдвигается к сотовым телефонам, вследствие
чего ресурсов нынешних технологий становится недостаточно для удовлетворения
наших возрастающих запросов.
Именно для решения этих запросов и предназначены, достаточно недавно созданные сети третьего поколения 3G, в которых передача данных доминирует над голосовыми услугами. 3G –это не стандарт связи, а общее название всех высокоскоростных сетей сотовой связи, которые вырастут и уже вырастают из ныне существующих. Огромные скорости передачи данных позволяют передавать прямо на телефон высококачественное видеоизображение, осуществлять постоянное соединение с Интернет и локальными сетями. Применение новых, усовершенствованных, систем защиты позволяет уже сегодня использовать телефон для проведения различных финансовых операций – мобильный телефон вполне способен заменить кредитную карту.
Вполне естественно, что сети третьего поколения не станут финальным этапом развития сотовой связи – как говориться, прогресс неумолим. Ныне проходящая интеграция различных видов связи (сотовой, спутниковой, телевизионной и т. д.), появление гибридных устройств, включающих в себя сотовый телефон, КПК, видеокамеру, безусловно, приведет к появлению сетей 4G, 5G. И о том, чем закончится это эволюционное развитие, сегодня вряд ли смогут рассказать даже писатели-фантасты.
На мировом уровне сейчас используется около 2 миллиардов единиц мобильных телефонов, из них больше двух третей подключены к стандарту GSM. Вторым по популярности идёт CDMA, остальные же представляют специфические стандарты, применяемые в основном в Азии. Сейчас в развитых странах сложилась ситуация «пресыщения», когда спрос перестаёт расти.
