Принцип функционирования сотовой связи

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

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

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

Первый звонок Мартин Купер совершил на номер стационарного телефона компании-конкурента Motorola — компании Bell Laboratories. Он сообщил, что звонит с первого в мире сотового телефона. Мистер Купер утверждал, что слышал, как скрипят зубы на другом конце линии.

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

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

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

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

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

Как работают GSM-сети или краткие основы связи

Сотовым телефоном пользовались практически все, но мало кто задумывался – как же все это работает? В данном литературном опусе мы попытаемся рассмотреть, как же происходит связь с точки зрения Вашего оператора связи.

Когда Вы набираете номер и начинаете звонить, ну, или Вам кто-нибудь звонит, то Ваш аппарат по радиоканалу связывается с одной из антенн ближайшей базовой станции.

Каждая из базовых станций содержит от одной до двенадцати приемо-передающих антенн, направленных в разные стороны, чтобы обеспечить связью абонентов со всех сторон. На профессиональном жаргоне антенны также называют «секторами». Вы их сами наверняка неоднократно видели – большие серые прямоугольные блоки.

От антенны сигнал по кабелю передается непосредственно в управляющий блок базовой станции. Совокупность секторов и управляющего блока обычно и называется – BS, Base Station, базовая станция. Несколько базовых станций, чьи антенны обслуживают какую-либо определенную территорию или район города, подсоединены к специальному блоку – так называемому LAC, Local Area Controller, «контроллер локальной зоны», часто называемому просто контроллером. К одному контроллеру обычно подключается до 15 базовых станций.

В свою очередь, контроллеры, которых также может быть несколько, подключены к самому блоку – MSC, Mobile services Switching Center, Центр Управления Мобильными услугами, в простонародье более известный как коммутатор. Коммутатор обеспечивает выход (и вход) на городские телефонные линии, на других операторов сотовой связи и так далее.

То есть в итоге вся схема выглядит примерно так:

В небольших GSM-сетях используется только один коммутатор, в более крупных, обслуживающих более миллиона абонентов, могут использоваться два, три и более MSC, объединенных между собой.

Зачем же такая сложность? Казалось бы, можно антенны просто подключить к коммутатору – и все, никаких проблем бы не было… Но не все так просто. Дело тут в одном простом английском слове – handover. Этим термином обозначается эстафетная передача обслуживания в сотовых сетях. То есть, когда вы идете по улице или едите на машине (электричке, велосипеде, роликовых коньках, асфальтоукладчике…) и при этом разговариваете по телефону, то, для того чтобы связь не прерывалась (а она не прерывается), необходимо вовремя переключать Ваш телефон из одного сектора в другой, из одной BS в другую, из одной Local Area в другую и так далее. Соответственно, если бы сектора были напрямую подключены к коммутатору, то всеми этими переключениями пришлось бы управлять коммутатору, которому и без того есть, чем заняться. Многоуровневая схема сети дает возможность равномерно распределить нагрузку, что снижает вероятность отказа оборудования и, как следствие, потери связи.

Пример – если вы с телефоном переходите из зоны действия одного сектора в зону действия другого, то переводом телефона занимается управляющий блок BS, не затрагивая при этом «вышестоящие» устройства – LAC и MSC. Соответственно, если переход происходит между разными BS, то им управляет LAC и так далее.

Работу коммутатора следует рассмотреть чуть подробнее. Коммутатор в сотовой сети осуществляет практически те же функции, что и АТС в проводных телефонных сетях. Именно он определяет, куда Вы звоните, кто Вам звонит, отвечает за работу дополнительных услуг, и, в конце концов – вообще, определяет, можно ли звонить или нет.

На последнем пункте остановимся – а что происходит, когда Вы включаете свой телефон?

Вот, включаете Вы свой телефон. На Вашей SIM-карте есть специальный номер, так называемый IMSI – International Subscriber Identification Number, Международный Опознавательный Номер Абонента. Это номер уникален для каждой SIM-карты в мире, и как раз по нему операторы отличают одного абонента от другого. При включении телефона он посылает этот код, базовая станция передает его на LAC, LAC – на коммутатор, в свою очередь. Тут в действие вступают два дополнительных модуля, связанных с коммутатором – HLR, Home Location Register и VLR, Visitor Location Register. Соответственно, Регистр Домашних Абонентов и Регистр Гостевых Абонентов. В HLR хранятся IMSI всех абонентов, которые подключены к данному оператору. В VLR в свою очередь содержатся данные обо всех абонентах, которые в данный момент пользуются сетью данного оператора. IMSI передается в HLR (разумеется, в сильно зашифрованном виде; вдаваться подробно в особенности шифрования мы не будем, скажем только, что за этот процесс отвечает еще один блок – AuC, Центр Аутентификации), HLR, в свою очередь, проверяет – есть ли у него такой абонент, и, если есть, то не заблокирован ли он, например, за неуплату. Если все в порядке, то этот абонент прописывается в VLR и с этого момента может совершать звонки. У крупных операторов может быть не один, а несколько параллельно работающих HLR и VLR. А теперь попробуем все вышесказанное отобразить на рисунке:

Вот мы вкратце рассмотрели, как работает сотовая сеть. На самом деле там все куда сложнее, но если описывать все как есть досконально, то данное изложение по объему вполне может превысить «Войну и мир».

Далее мы рассмотрим, а как (и главное – за что!) оператор списывает у нас деньги со счета. Как Вы уже наверное слышали, тарифные планы бывают трех разных типов – так называемые «кредитные», «авансовые» и «припейд», от английского Pre-Paid, то есть предоплаченный. В чем же различие? Рассмотрим, как может происходить списание денег при разговоре:

Допустим, Вы куда-либо позвонили. На коммутаторе зафиксировалось – абонент такой-то звонил туда-то, поговорил, допустим, сорок пять секунд.

Первый случай – у Вас кредитная или авансовая система оплаты. В таком случае происходит следующее: данные о Ваших и не только Ваших звонках накапливаются в коммутаторе и затем, в порядке общей очереди, передаются в специальный блок, называемый Биллингом, от английского to bill – платить по счетам. Биллинг отвечает за все вопросы, связанные с деньгами абонентов – рассчитывает стоимость звонков, списывает абонентскую плату, списывает деньги за услуги и так далее.

Скорость передачи информации из MSC в Биллинг зависит от того, какова вычислительная мощность биллинга, или, другими словами, с какой скоростью он успевает переводить технические данные о совершенных звонках в непосредственные деньги. Соответственно, чем больше абоненты разговаривают, или чем более «тормозной» биллинг, тем медленнее будет двигаться очередь, соответственно, тем больше будет задержка между самим разговором и фактическим списанием денег за этот разговор. С этим фактом связано часто высказываемое некоторыми абонентами недовольство – «Мол, деньги воруют! Два дня не разговаривал – энную сумму списали…». Но при этом совсем не учитывается, что за разговоры, которые происходили, например, три дня назад, деньги-то сразу и не списали… Хорошее люди стараются не замечать… А в эти дни, например, биллинг мог просто не работать – из-за аварии, или из-за того, что его как-нибудь модернизировали.

В обратную сторону – от биллинга к MSC – стоит другая очередь, в которой биллинг сообщает коммутатору о состоянии счетов абонентов. Опять же довольно частый случай – задолженность счета может достигать нескольких десятков долларов, а по телефону еще можно звонить – это как раз из-за того, что «обратная» очередь еще не подошла и коммутатор пока не знает о том, что Вы злостные неплательщик и Вас давно надо заблокировать.

Авансовый же от кредитного тарифы отличаются лишь способом расчета с абонентом – в первом случае человек вносит какую-либо сумму на счет, и деньги за разговоры постепенно вычитаются из этой суммы. Это способ удобен тем, что позволяет в какой-то мере планировать и ограничивать свои расходы на связь. Второй вариант – кредитный, при котором суммарная стоимость всех разговоров за какой-либо период («биллинговый цикл»), обычно за месяц, выставляется в виде счета, который абонент должен оплатить. Кредитная система удобна тем, что страхует Вас от тех случаев, когда срочно необходимо позвонить, а деньги на счету вдруг закончились и телефон заблокирован.

Припейды устроены совсем по-другому:

В припейде биллинг как таковой обычно называют «Припейд платформой».

Непосредственно в момент начала телефонного соединения устанавливается прямая связь между коммутатором и припейд платформой. Никаких очередей, данные передаются в обе стороны непосредственно в процессе разговора, в режиме реального времени. В связи с этим припейдам присущи следующие характерные черты – это отсутствие абонентской платы (так как нет такого понятия, как биллинговый период), ограниченный набор дополнительных услуг (их технически трудно тарифицировать в режиме «реального времени»), невозможность «уйти в минус» — разговор просто прервется, как только кончатся деньги на счету. Явным достоинством припейдов является возможность точно контролировать количество денег на счету, и, как следствие, свои расходы.

В припейдах еще иногда наблюдается некоторое забавное явление – если припейд платформа по каким либо причинам отказывается работать, например, из-за перегрузки, то, соответственно, для абонентов припейд-тарифов в это время все звонки становятся абсолютно бесплатными. Что, собственно, их – абонентов — не может не радовать.

А как же рассчитываются наши деньги, когда мы разговариваем, находясь в роуминге? Да и как вообще телефон работает в роуминге? Что же, попробуем ответить и на эти вопросы:

Номер IMSI состоит из 15-ти цифр, и первые 5 цифр, так называемые СС – Country Code (3 цифры) и NC – Network Code (5 цифр) – четко характеризуют оператора, к которому подключен данный абонент. По этим пяти цифрам VLR гостевого оператора находит HLR домашнего оператора и смотрит в нем – а, собственно, можно ли этому абоненту пользоваться роумингом у данного оператора? Если да, то IMSI прописывается у VLR гостевого оператора, а в HLR домашнего – ссылка на тот самый гостевой VLR, чтобы знать, где искать абонента.

Со списанием денег в биллинге ситуация тоже не очень простая. Из-за того, что звонки обрабатывает гостевой коммутатор, но деньги подсчитывает свой, «домашний» биллинг, вполне возможны большие задержки в списании средств – до месяца. Хотя существуют и системы, например, «Camel2», которые и в роуминге работают по принципу припейда, то есть списывают деньги в реальном времени.

Тут возникает очередной вопрос – а за что списываются деньги в роуминге? Если «дома» все понятно – есть четко прописанные тарифные планы, то с роумингом ситуация другая – денег списывают много и непонятно, за что. Ну что же, попробуем разобраться:

Все телефонные звонки в роуминге делятся на 3 основных категории:

Входящие звонки – в таком случае стоимость звонка складывается из:

Стоимости международного звонка из дома в гостевой регион + Стоимость входящего звонка у гостевого оператора + Некая надбавка, зависящая от конкретного гостевого оператора

Исходящий звонок домой:

Стоимость международного звонка из гостевого региона домой + Стоимость исходящего звонка у гостевого оператора

Исходящий звонок по гостевому региону:

Стоимость исходящего звонка у гостевого оператора + Некая надбавка, зависящая от конкретного оператора

Как видно, стоимость звонков в роуминге зависит только от двух вещей – от того, к какому оператору абонент подключен дома и того, каким оператором абонент пользуется в гостях. При этом выявляется одна очень важная вещь – стоимость минуты в роуминге абсолютно не зависит от выбранного абонентом тарифного плана.

Хотелось бы добавить еще одно замечание – если два телефона одного оператора вместе находятся в роуминге у другого оператора (ну, например, двое друзей поехали отдыхать), то разговаривать им друг с другом выйдет весьма накладно – звонящий платит, как за исходящий домой, а принимающий звонок – как за входящий из дома. Это один из недостатков стандарта GSM – то, что связь в этом случае идет через дом. Хотя технически вполне реально устроить связь «напрямую», но кто из операторов на это пойдет, если можно оставить все как есть и зарабатывать деньги?

Еще один вопрос, в последнее время часто интересующий владельцев более чем одного мобильного телефона – а сколько будет стоить переадресованный звонок с одного телефона на другой? И на этот вопрос ответить вполне реально:

Допустим, с телефона B установлена переадресация на телефон С. С телефона А звонят на телефон B – соответственно, звонок переадресовывается на аппарат С. В этом случае платят:

Телефон А – как за исходящий на телефон В (вообщем-то, это логично – ведь он на него и звонит) Телефон В – платит цену переадресации (обычно несколько центов за минуту) + стоимость международного звонка из региона, где зарегистрирован В, в регион, где зарегистрирован С (если телефоны одного региона, то это составляющая равна нулю). Телефон С – платит как за входящий с телефона А

В завершении тем хотелось бы упомянуть еще один тонкий момент – а сколько будет стоить переадресация в роуминге? А вот тут начинается самое интересное:

Например, в телефоне стоит переадресация по условию занятости на домашний номер. Тогда при входящем звонке образуется так называемая «роуминговая петля» — звонок пойдет на домашний телефон через гостевой коммутатор, соответственно, стоимость такого переадресованного звонка для роумера будет равна сумме стоимостей входящего и исходящего домой звонков плюс еще стоимость самой переадресации. И что забавно при этом – роумер может даже не знать, что подобный звонок имел место быть, и впоследствии удивиться, увидев счет за связь.

Отсюда следует практический совет – при поездках желательно отключать все виды переадресации (можно оставить только безусловную – в этом случае «роуминговой петли» не получается), особенно переадресации на голосовую почту – иначе впоследствии можно долго удивляться – «Куда ж это деньги делись-то, а?»

AuC – Autentification Center, Центр Аутентификации, отвечает за кодирование информации при передаче в сети и приеме из сети Billing – Биллинг, система учета денежных средств у оператора BS – Base Station, базовая станция, несколько приемо-передающих антенн, принадлежащих одному управляющему устройству. Camel2 – одна из систем Prepaid, в которой реализовано мгновенное списывание средств в роуминге CC – Country Code, код страны в стандарте GSM (для России – 250) GSM – Global System for Mobile Communications, самый распрострастраненный в мире стандарт сотовой связи Handover – передача управления трубкой от одной антенны/базовой станции/LAC к другой HLR – Home Location Register, реестр домашних абонентов, содержит подробную информацию о всех абонентах, подключенных к данному оператору. IMEI – International Mobile Equipment Identification, международный серийный номер оборудования в стандарте GSM, уникален у каждого аппарата IMSI – International Mobile Subscriber Identification, международный серийный номер подписчика на услуги стандарта GSM, уникален у каждого абонента LAC – Local Area Controller, Контроллер Локальной Зоны, устройства, управляющее работой некоторого количесва базовых станций, чьи антенны обслуживают опеределенную территорию. Local Area – Локальная зона, территория, обслуживаемая BS, входящими в состав одного LAC MSC — Mobile services Switching Center, Центр Управления Мобильными услугами, коммутатор – центральное звено сети GSM. NC – Network Code, Сетевой Код, код конкретного оператора в данной стране в стандарте GSM (для MTS – 01, BeeLine – 99). Prepaid – Припейд, предоплата – система биллинга, основанная на мгновенном списании средств. Roaming – Роуминг, пользование сетью другого, «гостевого» оператора. SIM – Subscriber Identification Module, Модуль Опознавания Абонента, СИМ-карта – электронный блок, вставляемые в телефон, на котором записан IMSI абонента. VLR – Visitor Location Register, реестр активных абонентов – содержит информацию об всех абонентах, кто в данный момент пользуется услугами данного оператора.

Принцип работы сотовой связи

Доступность услуг мобильных компаний обеспечивают базовые станции. Каждая покрывает свою территорию – соту. Вы перемещаетесь между сотами, смартфон автоматически переключается между базовыми станциями и связь не обрывается.

Через ручные настройки смартфона можно подключиться к конкретной доступной базовой станции. К примеру, выезжая за границу Российской Федерации, вы можете продолжать выполнять звонки, отправлять SMS-сообщения и сидеть в интернете, используя исключительно российский базовые станции. Если вы отъедите слишком далеко от ближайшего российского передатчика, услуги перестанут работать. При этом смартфон не переключится на радиоэлектронные средства местных операторов, пока вы не переведете выбор сети в автоматический режим.

Базовая станция состоит из секторов антенно-фидерных устройств, радиорелейных линий, коммутационного оборудования, системы контроля климата и всепогодного корпуса.

Сектора передатчиков 2G-4G расположены по периметру базовых станций и обеспечиваю вас связью. Они развернуты на 45-120 градусов относительно друг друга, чтобы покрыть максимум территории по горизонтали и вертикали. Каждый сектор обслуживает до 72 звонков одновременно. Зона действия классической базовой станции ограничена препятствиями. Поэтому чаще антенно-фидерные устройства устанавливают на возвышенностях, крышах домов, железобетонных опорах и башнях высотой от 20 до 70 метров.

Все антенно-фидерные устройства сотовых компаний объедены в единую сеть с помощью оптоволоконных кабелей и радиорелейных линий. Последние позволяют без проводов соединять станции, находящиеся на расстоянии до 70 км друг от друга.

В каждой базовой станции предусмотрено место для коммутационного оборудования и системы контроля климата. Эта зона защищена металлическим корпусом. С годами он уменьшился с размеров вагона до небольшого всепогодного шкафа.

Мобильные компании также используют мобильные ретрансляторы и фемтосоты – маломощные базовые станции. Благодаря этому удается поддерживать работу услуг сотовой связи в труднодоступных местах, например, в метро, больших зданиях или подвалах. Подобные устройства устанавливают, как по желанию оператора, так и по заказу со стороны.

Информация о SIM-картах хранится на серверах оператора в домашнем регионе и где бы не находился абонент, взаимодействие с телефоном происходит через упомянутые сервера.

Для оказания услуг сотовой связи используют 3 основные технологии:

• GMS. Цифровой стандарт передачи данных второго поколения. Информация передается в виде узкополосного сигнала на частотах 850, 900, 1800, 1900 МГц. В 2003 году разработана технология Enhanced Data-rates for GSM Evolution (EDGE или 2,5G), которая позволила пользоваться услугами сети Интернет через сети GSM. Максимальная скорость передачи данных – 59,2 Кбит/ секунду;
• UMTS. Наиболее распространенный стандарт сетей 3 поколения. В отличие от сетей 2 поколения, информация передается по широкополосному каналу связи. Преимущественно работает в диапазонах 2100 и 900 МГц. Первоначально позволял передавать данные на скоростях от 384 Кбит/ секунду. Благодаря дополнительной технологии 2006 года High-Speed Downlink Packet Access (HDPSA+ или 3,5G) скорость увеличилась до 21 Мбит/секунду;
• LTE. Стандарт передачи данных четвертого поколения. Работает на частотах 800, 1800, 2100, 2600 МГц. В мире 1800 МГц – наиболее используемый диапазон. В России первоначальный упор делался на 2600 МГц, но на 2021 год задействованы все перечисленные диапазоны радиочастот. Каждая сота может поддерживать до 200 клиентов при ширине полосы 5 МГц и выдавать информацию абоненту со скоростью до 75,4 Мбит/с.

Для каждой технологии и оператора выделены отдельные частоты передачи и приема. Список разрешенных для использования каналов отличается в разных странах. К примеру, в регионах России до 2016 года технология 4G не работала на некоторых китайских телефонах, потому что передатчики смартфонов не поддерживали частоты, используемые российскими операторами.

FAQ про работу сотовой сети для самых маленьких

— В чём отличие сотовой связи от связи с помощью раций?

Связь — это так называемый вариант точка-многоточка, когда информация от одной рации передается на выделенной частоте, и все, кто настроен на ту же частоту, слышат вызов. Пока у вас 10 абонентов — всё просто. Когда людей становится больше, начинают быстро разбирать частоты, и очень скоро новые разговоры создавать негде – свободных частот не остается. Сотовая связь использует тот же частотный канал, но не отдает его в безраздельную собственность одного абонента, а разделяет его между несколькими, каждому выделяя лишь короткий промежуток времени для передачи информации. Вы можете в этом случае использовать частоты эффективнее и уметь соединять людей друг с другом напрямую. Однако для того, чтобы быстро обработать такой поток информации и разделить информацию одному абоненту в частотном канале от информации другому, необходим новый узел, который будет производить необходимые вычисления – появляется базовая станция или ретранслятор.

— Ок, пока просто. Пропустим пару шагов эволюции инфраструктуры, что получится?

Телефон связывается с ближайшим ретранслятором (базовой станцией), она доставляет данные в контроллер базовых станций и далее через голосовую Core Network несёт на другую базовую станцию, которую использует второй абонент. Та, в свою очередь, отдаёт данные и голос ему. Таким образом, каждый абонент имеет точку входа в общую сеть, а сеть обеспечивает коммутацию и доставку информации.

— А как делается авторизация в такой сети?

По специальному ключу. В вашу SIM-карту, кроме процессора, оперативки и средств I/O, вшит ключ, позволяющий авторизоваться в сотовой сети. Этот же ключ, с использованием других алгоритмов, обеспечивает шифрование сигнала: разговоры в сотовой сети «закрываются».

— А откуда базовая станция знает, что вызываемый абонент находится на её территории покрытия?

Когда абонент звонит другому абоненту, от голосовой Core Network приходит команда на все базовые станции, с требованием проверить наличие вызываемого абонента: что-то вроде «Вася, ты тут?». Эта процедура проверки называется Paging. По идее, телефон абонента отвечает одной из них, что он здесь. Дальше устанавливается соединение через нужные узлы. Но с ростом количества базовых станций их стали объединять в географические группы – Location Area, которые управляются с узла голосового коммутатора — MSC.

— Ок, новый тип узла, коммутатор. Что он делает?

Переходим на новый уровень сложности. Есть регионы, в каждом из них — своя группа базовых станций, координируемая общим узлом-контроллером. Контроллер обеспечивает подключение к себе всех базовых станций, и сбор от них звонков абонентов. Но что с этими звонками делать, он не знает и передает всю информацию на тот самый Коммутатор. Коммутатор знает, где и когда последний раз находился каждый абонент в его зоне действия, и поэтому, когда вы звоните Васе:

1. Сначала ваш телефон по радиоканалу передает звонок на БС.
2. БС ретранслирует данные до контроллера
3. Контроллер передает те же данные на коммутатор
4. Коммутатор проверяет номер, который вы вызываете – есть ли такой в зоне его обслуживания?
5. Если да, коммутатор отправляет вызов в нужную Location Area, чтобы получить ответ от базовой станции, где последний раз регистрировался Вася
6. Если такой номер не принадлежит нашему коммутатору, он отправляет вызов на другой коммутатор в соответствии с имеющимися у него таблицами маршрутизации и ищет нашего Васю в других сетях
7. Коммутатор другой сети также отправляет вызов своим базовым станциям по известной ему Location Area, где последний раз регистрировался Вася
8. Одна из базовых станций отвечает на наш вызов, и вы, наконец, можете начать разговор.

— Ладно, а как коммутатор узнает, что Вася в его зоне (LA)? Базовые станции имеют код зоны — LAC. Когда ваш телефон переключается на базовую станцию, LAC которой отличается от предыдущего использованного, отправляется специальный пакет с обновлением расположения — Location Area Update. Этот сигнальный пакет обрабатывается коммутатором, в нем же сохраняется информация, что ваш телефон зарегистрирован на базовой станции с новым LAC. В будущем все вызовы на ваш номер будут отправляться по базовым станциям имеющим данный LAC, пока коммутатор не получит новый пакет Location Area Update, где будет информации о новом географическом коде. Кроме того, на всякий случай такой пакет отправляется раз в несколько часов, даже если вы не сдвигаетесь с места.

— То есть когда телефон лежит около колонок, и они делают странные звуки — это не пришельцы меня слушают?

Нет, это просто Location Area Update или какой-то другой сигнальный пакет, которые телефон передает и принимает регулярно, даже если вы с ним ничего не делаете.

— Кто строит базовые станции?

Сотовые операторы. Или точнее их подрядчики, которые имеют соответствующие лицензии на строительство и опыт работы. Как показывает нехитрый подсчёт, на Россию нужно от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч базовых станций для покрытия 95% территории. Очень приблизительно, одна БС стоит около 2 миллионов — это по затратам как открыть маленький ресторан. Это ещё если нашёлся подходящий годный столб. Если столба нет — смело пишите до 8 миллионов, особенно, если вышка где-то в степи или на горе со сложным доступом.

— Из чего состоит инфраструктура оператора и куда идут мои деньги?

Кроме базовых станций, контроллеров, коммутаторов, магистральных транспортных линий и других узлов сети (которых только чтобы перечислить, потребуется полстраницы) нужны склады запчастей, инженерные службы, сервис и так далее. Базовые станции на домах требуют арендных отчислений собственникам, людям нужна зарплата, оборудование нужно менять, проводить техническое обслуживание, оплачивать счета за электричество, потребляемое оборудованием. Плюс операторы постоянно расширяются — это новое железо, обновление старого, новый софт. А ещё есть офисы с теми, кто пишет ПО, колл-центры, аналитики, маркетинг, реклама, салоны продаж и подключений — в общем, полный набор.

— Стойте-стойте, забыли ЦОД!

Верно, для работы сотового оператора нужно обрабатывать огромное количество данных. Именно поэтому сотовые операторы обычно обладают не только хорошей магистральной сетью, но и наиболее современными дата-центрами. В дата-центрах считается всё. Одна из самых ресурсоёмких задач — подсчёт баланса в реальном времени. Кстати, операторы сотовых сетей настолько давно и успешно работают с ЦОД-ами, что их опытом и ресурсами пользуются многие другие – арендуя ресурсы дата-центров сотовых операторов для своих проектов.

— Ок, тут понятно. А как взаимосвязаны сети разных операторов?

Принцип примерно похож на вызов одним коммутатором другого. Упрощая, вы связываетесь с БС, она — с контроллером, тот — с коммутатором, а коммутатор ищет узел входа в другую сеть по номеру вызываемого абонента. Коммутатор родной сети находит нужный номер в своих таблицах и определяет, на какой внешний коммутатор необходимо отправить вызов, после чего создается маршрут до нужного узла.

Телефон обычно пробует найти домашнюю сеть. Если это не получается, он начинает искать другие сети и пытается в них регистрироваться. Коммутатор сотовой сети, где вы пытаетесь зарегистрироваться, проверяет, есть ли у данного оператора роуминговое соглашение с вашим домашним оператором. Если такое разрешение находится, коммутатор точно знает, что абонентов вроде вас можно обслуживать, и вы получите связь. Например, когда вы приезжаете в новую страну, вас почти сразу «подхватывает» другая сеть, с которой у вашего оператора есть соглашение. Эти соглашения в большинстве очень редко обновляются, поэтому цены на трафик могут быть очень высокими. Там, где у вас есть безлимитный трафик в роуминге, скорее всего, соглашение было обновлено относительно недавно невероятной кровью юридических отделов обоих операторов.

— Можно ли выйти в роуминг в своём регионе?

Технически — да, другой оператор имеет возможность вас «подхватить». Но чтобы так не случилось, ваша SIM содержит настройки не цепляться к чужим отечественным сетям, а коммутаторы чужих сетей не разрешают вашему телефону регистрироваться на базовых станциях неродного оператора. Иначе бы вы оказывались в роуминге в лифте, на границе области и так далее. Исключение — аварийный межсетевой роуминг, когда все сети работают для всех абонентов во время чрезвычайных ситуаций. Ну и всегда нужно помнить, что звонки в службу спасения можно делать всегда, даже через чужую сеть! Когда на вашем экране появляется надпись «Только экстренные вызовы» или «SOS» это означает, что ваш оператор в данном месте не имеет своих базовых станций, но через сеть другого оператора вы можете сделать бесплатный звонок на экстренный номер «112».

— Почему телефоны Verizon не работают в РФ?

Причин может быть масса. Самая распространенная – «залочка» телефона под конкретный код сети оператора. Согласно стандарту сотовой связи, каждый оператор имеет уникальный код, который не повторяется нигде в мире, и технически довольно легко обеспечить при включении телефона проверку SIM карты – тот ли код сети на ней использован. Другая возможная причина — в каждой стране используются свои частоты для организации связи, и у каждого оператора лицензия на определённые диапазоны. Соответственно, если устройство вдруг не поддерживает диапазоны, используемые в РФ, работать в отечественных сетях оно не будет.

— Что надо знать про транспорт до БС?

Транспортный канал требуется каждой базовой станции, чтобы передавать информацию от абонентов, которая собирается через радиоканалы. Чаще всего транспорт до базовой станции сегодня — либо радиорелейный канал (РРЛ), либо кабели: медные и оптические. Оптика быстрая и крутая, медь дешевле и проще в использовании, а радио позволяет не класть кабель там, где это сложно или дорого делать. Учитывая, что каналы резервируются кольцами, обычная архитектура — пара оптических колец на город и область, плюс ветки базовых станций на медном транспорте и выносы на 1-2 хопа по РРЛ.

Чебоксары и Новочебоксарск, схема конца 2012 года

— Что с магистралями?

Только оптика, причём, сегодня — со спектральным уплотнением (DWDM). Для надежности — тоже кольца. Главный враг магистрали — экскаватор, который решил покопать там, где лежит кабель-канал. И даже красная ленточка с предупреждениями за полметра до кабеля не спасает — её обычно снимают с ковша уже постфактум.

— Чем отличаются 2G, 3G и 4G?

Это разные поколения стандартов сотовой сети, о чем можно догадаться по буковке G, которая означает Generation. Сети 2G, в основном, предназначены для передачи голоса, скорости передачи данных там очень невысоки по современным меркам. В сетях 3G можно передавать высококачественный голос, и одновременно предоставлять сервис передачи данных с высокой скоростью. Сети 4G сейчас являются сетями последнего поколения и предназначены только для высокоскоростных сервисов передачи данных, коммутация голосовых каналов в этой сети не предусмотрена стандартом, так что стоит помнить: даже если оператор предоставляет услуги голоса в сетях 4G, это какой-то вариант передачи голоса в IP сетях. Как правило, на одном сайте устанавливается несколько комплектов оборудования для создания сетей разных стандартов, которые предоставляют абонентам разные сервисы. В ближайших планах — замена множества разнотипных блоков базовых станций на общие – мультистандартные. Стандарты сотовой сети отличаются массой технического функционала, но вы этого почти не видите. Наиболее значимые отличия для обычного абонента — разная скорость интернета, разные зоны покрытия, разное качество голоса (HD-Voice очень крут).

Как устроена сотовая связь в России

В связи с особенностями советской политики, с начала 90-ых годов Россия отставала и зачастую использовала вышедшую из эксплуатации технику сотовой связи США и других развитых стран. Сегодня отставание существенно сократилось. Как и в развитых странах, мы используем технологии 2G, 3G и 4G. По информации Минкомсвязи России покрытие GSM-передатчиками до сих пор остается наиболее плотным. Покрытие LTE пока отстает от технологий предыдущих поколений.

Для того чтобы не отстать от конкурентов, сотовые операторы постоянно совершенствуют своё оборудование и расширяют покрытие. Для того чтобы убедиться в качестве услуг, специальные мобильные комплексы операторов перемещаются по городам и оценивают связь. Аналогичные независимые комплексы используют и государственные органы, чтобы предоставлять гражданам независимую оценку предоставляемых услуг сотовых компаний.

На сайте Минкомсвязи России вы можете посмотреть, как работает сотовая связь в вашем населенном пункте. Выбирайте интересующие технологии и компании, смотрите зоны покрытия, наложенные на карту.

Принципы организации сотовой связи

Основной принцип сотовой связи заключается в разделении всей зоны охвата телефонной связью на ячейки, называемые сотами. В центре каждой соты находится базовая станция (БС), поддерживающая связь с мобильными абонентами (сотовыми телефонами), находящимися в зоне её охвата. Базовые станции обычно располагают на крышах зданий и специальных вышках. На идеальной (ровной и без застройки) поверхности зона покрытия одной БС представляет собой круг, диаметр которого не превышает 10-20 км. Соты частично перекрываются и вместе образуют сеть, которая для простоты обычно изображается в виде множества шестиугольных сот.

Каждая сота работает на своих частотах, не пересекающихся с соседними.

Все соты одного размера и объединены в группы по 7 сот. Каждая из букв (A, B, C, D, E, F, G) соответствует определённому диапазону частот, используемому в пределах одной соты. Соты с одинаковыми диапазонами частот разделены сотами, работающими на других частотах. Небольшие размеры сот обеспечивают ряд преимуществ по сравнению с традиционной наземной беспроводной связью, а именно:

· большое количество пользователей, которые одновременно могут работать в сети в разных частотных диапазонах (в разных сотах);

· небольшая мощность приемно-передающего оборудования, обусловленная небольшим размером сот (выходная мощность телефонных трубок составляет десятые доли ватт);

· меньшая стоимость устройств сотовой связи как маломощных устройств.

Если в какой-то соте количество пользователей оказывается слишком большим, то она может быть разбита на соты меньшего размера, называемые микросотами.

Базовая станция, в общем случае, содержит приёмопередатчик (ПП), поддерживающий связь с мобильными телефонами, и компьютер, реализующий протоколы беспроводной мобильной связи.

В небольших сетях все базовые станции соединены с коммутатором MSC (Mobile Switching Center – мобильный коммутационный центр) и имеют выход в телефонную сеть общего пользования (ТфОП), обеспечивающий связь мобильных телефонов со стационарными.

В больших сетях коммутаторы 1-го уровня (MSC) соединяются с коммутатором 2-го уровня и т.д., при этом все MSC имеют выход в ТфОП напрямую, либо через коммутатор более высокого уровня.

Связанные таким образом базовые станции и коммутаторы образуют сеть сотовой связи

, административно подчиняющиеся одному оператору, предоставляющему услуги мобильной связи.

Базовые станции совместно с коммутационным оборудованием реализуют функции по определению текущего местоположения подвижных пользователей и обеспечивают непрерывность связи при перемещении пользователей из зоны действия одной БС в зону действия другой БС. При включении сотовый телефон ищет сигнал базовой станции и посылает станции свой уникальный идентификационный код. Телефон и БС поддерживают постоянный радиоконтакт, периодически обмениваясь служебными данными. При выходе телефона из зоны действия БС (или ослаблении радиосигнала) устанавливается связь с другой БС. Для этого базовая станция, фиксирующая ослабление сигнала, опрашивает все окружающие БС с целью выявить станцию, которая принимает наиболее мощный сигнал от мобильного телефона. Затем БС передаёт управление данным телефоном базовой станции той соты, в которую переместился мобильный телефон. После этого, телефону посылается информация о переходе в новую соту и предлагается переключиться на новую частоту, которая используется в этой соте. Этот процесс называется передачей

и длится доли секунды.

Поколения мобильной сотовой связи. 1G, 2G, 2,5G, 3G, 3,5G, 4G.

Различают 4 поколения мобильной сотовой связи, обозначаемые как 1G, 2G, 3G, 4G. В то же время, между 2G и 3G, 3G и 4G выделяют промежуточные поколения, получившие обозначения 2.5G и 3.5G соответственно.

Эти поколения можно разбить на две группы:

· аналоговая связь (1G);

· цифровая связь (все остальные, начиная с 2G, различающиеся прежде всего предоставляемыми возможностями по передаче цифровых данных, а также скоростями передачи).

Поколение 1G

Первые сети мобильной сотовой связи поколения 1G появились в начале 80-х годов прошлого века и представляли собой аналоговые беспроводные сети, основной и, фактически, единственной функцией которых была передача речи со скоростями, не превышавшими 9,6 кбит/с.

Наиболее известными стандартами сотовой связи первого поколения являются AMPS и NMT.

Стандарт AMPS (Advanced Mobile Phone System), использует частотное уплотнение, формируя 832 дуплексных канала, каждый из которых состоит из двух симплексных каналов шириной по 30 кГц, в диапазоне частот от 824 до 894 МГц. Радиус действия одной базовой станции от 10 до 20 км.

Стандарт NMT (Nordic Mobile Telephone system), предписывает работу в диапазоне частот 453-458 МГц (NMT-450), используя до 180 каналов связи по 25 кГц каждый.

Радиус действия базовой станции в зависимости от нагрузки достигает 5-25 км. Модернизированная версия NMT-900, работающая на частоте 900 МГц, позволила уменьшить размеры телефонных аппаратов, а также добавить несколько новых сервисов.

Основной недостаток

аналоговой беспроводной связи – отсутствие защиты от несанкционированного перехвата разговора.

В начале 90-х годов на смену аналоговой сотовой связи пришла цифровая связь, которая в настоящее время полностью её вытеснила.

Поколение 2G

Второе и последующие поколения мобильной сотовой связи относятся к цифровым сетям связи и, в отличие от первого поколения, предоставляют пользователям, кроме передачи речи, множество дополнительных видов услуг (сервисов).

Стандартами сотовой связи второго поколения являются D-AMPS, GSM, CDMA, в основе которых лежит метод мультиплексирования TDMA.

TDMA (Time Division Multiple Access) – множественный доступ с разделением по времени

– метод мультиплексирования в беспроводной связи, при котором несколько пользователей для передачи данных используют разные временны е интервалы (слоты) в одном частотном диапазоне, при этом каждому пользователю предоставляется полный доступ к выделенной полосе частот в течение короткого периода времени.

Стандарт D-AMPS (Digital-AMPS)был разработан так, чтобы мобильные телефоны первого и второго поколений могли работать одновременно в одной и той же соте. Коммутатор может определять и динамически изменять тип канала (цифровой, аналоговый).

Наибольшее распространение среди перечисленных стандартов получили GSM (заменивший NMT) и CDMA.

GSM (Global System for Mobile Communications)– глобальная система мобильной связи, использующая частотное уплотнение. Каждая пара (для передачи в прямом и обратном направлении) частотных каналов разбивается с помощью временного уплотнения (TDMA) на кадровые интервалы, используемые несколькими абонентами. Каналы GSM имеют полосу пропускания в 200 кГц, что значительно шире каналов AMPS с полосой пропускания 30 кГц. Это обусловливает более высокие скорости передачи данных.

GSM, как и D-AMPS, использует частотное и временное уплотнение для разделения спектра на каналы и разделения каналов на временны

е интервалы соответственно.

GSM обеспечивает поддержку следующих услуг:

· передача данных (синхронный и асинхронный обмен данными, в том числе пакетная передача данных — GPRS);

· передача речевой информации;

· передача коротких сообщений (SMS);

· передача факсимильных сообщений.

· определение вызывающего номера;

· переадресация вызовов на другой номер;

· ожидание и удержание вызова;

· конференцсвязь (одновременная голосовая связь между тремя и более пользователями);

· голосовая почта и многие другие.

К основным достоинствам

стандарта GSM следует отнести:

· меньшие по сравнению с аналоговыми стандартами размеры и вес телефонных аппаратов при большем времени работы без подзарядки аккумулятора;

· хорошее качество связи;

· возможность большого числа одновременных соединений;

· низкий уровень индустриальных помех в выделенных частотных диапазонах;

· защита от прослушивания и нелегального использования за счёт применения алгоритмов шифрования с разделяемым ключом.

Недостатками

стандарта GSM являются:

· искажение речи при цифровой обработке и передаче;

· большее, чем в NMT-450, количество передатчиков, используемых для покрытия определённой площади.

В стандарте GSM определены 4 диапазона частот для передачи данных: 850 МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц, наиболее популярными среди которых являются 900 МГц (стандарт GSM-900) и 1800 МГц (GSM-1800). Соты могут иметь диаметр от 400 м до 50 км.

Основные отличия

GSM-1800 от GSM-900:

· максимальная излучаемая мощность мобильных телефонов стандарта GSM-1800 (около 1 Вт) вдвое меньше, чем у GSM-900, что увеличивает время непрерывной работы без подзарядки аккумулятора и снижает уровень радиоизлучения;

· большая ёмкость сети;

· возможность совместного использования телефонных аппаратов стандартов GSM-900 и GSM-1800 в одной и той же сети;

· зона охвата для каждой базовой станции значительно меньше и, как следствие, необходимо большее число базовых станций.

В состав системы GSM, кроме мобильных сотовых телефонов, называемых в стандарте мобильными станциями

(MS – Mobile Station), входят три подсистемы.

1. Подсистема базовых станций (BSS – Base Station Subsystem)состоит из собственно базовых станций и контроллеров базовых станций.

Базовая станция (BTS – Base Transceiver Station)

обеспечивает приём/передачу сигнала между мобильной станцией и контроллером базовых станций.

Контроллер базовых станций (BSC – Base Station Controller)

контролирует соединения между базовой станцией и подсистемой коммутации, а также управляет очерёдностью соединений, скоростью передачи, распределением радиоканалов, сбором статистики и переходом MS в другую соту.

2. Подсистема сетевой коммутации (NSS – Network Switching Subsystem)построена из следующих компонентов.

· домашний реестр местоположения;

· гостевой реестр местоположения;

· реестр идентификации оборудования;

· центр аутентификации.

Центр коммутации (MSC – Mobile Switching Centre)

реализует следующие функции:

· устанавливает соединения внутри сети GSM;

· обеспечивает интерфейс с ТфОП и другими сетями;

· выполняет маршрутизацию и управление вызовами;

· управляет передачей обслуживания при перемещении мобильной станции из одной соты в другую;

· постоянно отслеживает положение мобильной станции, используя данные из домашнего (HLR) и гостевого (VLR) реестров местоположения, что необходимо для быстрого нахождения и установления соединения с мобильной станцией в случае её вызова;

· собирает статистические данные;

· по завершению вызова передаёт данные в центр расчётов для формирования счета за предоставленные услуги.

Домашний реестр местоположения (HLR – Home Location Registry)

содержит базу данных абонентов, приписанных к нему, с информацией о предоставляемых абоненту услугах и о состоянии каждого абонента, а такжемеждународный идентификатор мобильного абонента(IMSI – International Mobile Subscriber Identity), который используется для аутентификации абонента. Каждый абонент приписан к одному домашнему реестру. К домашнему реестру имеют доступ все центры коммутации и гостевые реестры данной GSM-сети, а в случае межсетевого роуминга и центры коммутации других сетей.Гостевой реестр местоположения (VLR – Visitor Location Registry)

содержит базу данных о перемещающихся абонентах, которые находятся в данный момент в этой зоне, в том числе об абонентах других систем GSM, называемыхроумерами. Если абонент переместился в другую зону, данные о нём удаляются из гостевого реестра. Такая схема позволяет сократить количество запросов к домашнему реестру и, следовательно, время обработки вызова.Реестр идентификации оборудования (EIR – Equipment Identification Registry)

содержит базу данных, необходимую для установления подлинности мобильной станции помеждународному идентификатору мобильного устройства IMEI(International Mobile Equipment Identity) в виде трёх списков: · белый

– мобильная станция допущена к использованию;

– имеются проблемы с идентификацией мобильной станции;

— мобильная станция запрещена к использованию.

Центр аутентификации (AUC – Authentication Centre)

осуществляет аутентификацию абонента по SIM-карте (Subscriber Identity Module). Для этого он посылает на мобильный телефон случайное число, которое шифруется параллельно в центре аутентификации и в мобильном телефоне с использованием специального алгоритма. Результаты шифрования возвращаются в центр коммутации, где они сравниваются. Если результаты шифрования совпадают, аутентификация считается успешной, и пользователь получает доступ к сети.

3. Центр технического обслуживания (OMC – Operations and Maintenance Centre)обеспечивает:

· управление всей сетью;

· контроль качества функционирования;

· обработку аварийных сигналов;

· проверку состояния сети и ряд других функций.

В сетях CDMA (Code Division Multiple Access)используется совершенно иной принцип передачи данных, подробно рассмотренный ниже. В отличие от GSM скорость передачи данных в CDMA может достигать 1,23 Мбит/с. Кроме того, существенным отличием является использование распределённого спектра, что усложняет обнаружение и идентификацию передаваемого сигнала и, соответственно, обеспечивает надёжную защиту от случайного подслушивания.

Поколение 2.5G

В процессе разработки принципов и стандартов третьего поколения мобильной сотовой связи появилось промежуточное поколение 2.5G, отличающееся от второго поколения большей ёмкостью сети и пакетной передачей данных. Поколение 2.5G реализовано в виде стандартов GPRS, EDGE и 1xRTT, наиболее распространённым среди которых является GPRS.

GPRS (General Packet Radio Service)– технология пакетной радиосвязи общего пользования, ориентированная на реализацию «мобильного Интернета».

GPRS использует базовые станции GSM для передачи данных в виде пакетов, что делает его внедрение достаточно простым и позволяет обеспечить доступ в Интернет. Пакеты передаются через свободные в данный момент каналы. Возможность использования сразу нескольких каналов обеспечивает достаточно высокие скорости передачи данных (до 171,2 кбит/c). Передача данных разделяется по направлениям: «вниз» (downlink, DL) – от сети к абоненту, и «вверх» (uplink, UL) – от абонента к сети. Один и тот же канал поочерёдно могут использовать несколько абонентов, при этом ресурсы канала предоставляются только на время передачи пакета, что приводит к появлению очереди на передачу пакетов и, как следствие, к увеличению задержки пакетов.

Принцип работы GPRS аналогичен Интернету: данные разбиваются на пакеты и отправляются получателю (возможно разными маршрутами), где происходит их сборка. При установлении сессии каждому устройству присваивается уникальный адрес. Пакеты могут иметь формат IP или X.25, при этом в качестве протоколов транспортного и прикладного уровней могут использоваться любые протоколы Интернета: TCP, UDP, HTTP и др.

Мобильный телефон в GPRS рассматривается как клиент внешней сети, которому присваивается постоянный или динамический IP-адрес.

Поколение 3G

Первые реализации третьего поколения сотовой связи появились в 2002 году. Существует три основных стандарта 3G:

· WCDMA (Wide CDMA).

Все они ориентированы на пакетную передачу данных и, соответственно, на работу с цифровыми компьютерными сетями, включая Интернет. Скорость передачи данных может достигать 2,4 Мбит/с что позволяет передавать качественный звук, а также реализовать «видеозвонок».

При необходимости сеть 3G может быть наложена на уже ранее развёрнутую сеть GSM или другую сеть второго поколения.

UMTS(Universal Mobile Telecommunications System – универсальная мобильная телекоммуникационная система) – технология сотовой связи третьего поколения, разработанная Европейским Институтом Стандартов Телекоммуникаций (ETSI) для внедрения Европе. UMTS поддерживает скорость передачи до 21 Мбит/с и позволяет пользователям проводить сеансы видеоконференций, загрузку музыкального и видео контента. UMTS обычно реализуется на основе технологий радиоинтерфейса, например W-CDMA. При переходе от GSM к UMTS сохраняется значительная часть прежней инфраструктуры. Основным отличием UMTS от GSM является возможность осуществлять стыки с сетями ISDN, Internet, GSM или другими сетями UMTS.

Для передачи данных от мобильного станции к базовой станции и обратно использует разные диапазоны частот: 1885 МГц – 2025 МГц и 110 МГц – 2200 МГц соответственно, причём оба канала имеют ширину 5 МГц (для сравнения CDMA2000 – 1,25 МГц).

К недостаткам

UMTS-технологии следует отнести:

· относительно высокий вес мобильных терминалов наряду с низкой ёмкостью аккумуляторных батарей;

· сложность реализации перехода абонента из зоны действия одной базовой станции в зону действия другой без потери разговора (хэндовера) между сетями UMTS и GSM;

· небольшой радиус соты: 1-1,5 км.

В перспективе планируется эволюция UMTS в сети четвёртого поколения 4G, позволяющие базовым станциям передавать и принимать данные на скоростях 100 Мбит/с и 50 Мбит/с соответственно.

CDMA2000представляет собой развитие технологии CDMA и обеспечивает скорость передачи данных до 153 кбит/с, что позволяет предоставлять услуги голосовой связи, передачу коротких сообщений, работу с электронной почтой, интернетом, базами данных, передачу данных и неподвижных изображений.

Основными достоинствами CDMA2000 являются:

· широкая зона обслуживания;

· высокое качество речи;

· гибкость и дешевизна внедрения новых услуг;

· устойчивость канала связи от перехвата и прослушивания;

· низкая излучаемая мощность радиопередатчиков абонентских устройств — менее 250 мВт (для сравнения: в GSM-900 этот показатель составляет 2 Вт, а GSM-1800 – 1 Вт).

WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access) – технология широкополосного множественного доступа с кодовым разделением

каналов в диапазоне частот 1900 – 2100 МГц. Термин WCDMA также используется для стандарта сотовой сети, который разрабатывался как надстройка над GSM. WCDMA ориентирована на предоставление мультимедийных услуг, доступа в Интернет и видеоконференции со скоростями передачи данных:

· до 2 Мбит/с на коротких расстояниях;

· 384 кбит/с на больших расстояниях с полной мобильностью.

Такие скорости обеспечиваются за счёт широкой полосы частот канала в 5 МГц, что больше, чем в стандарте CDMA2000, использующем один или несколько каналов с полосой 1,25 МГц для каждого соединения.

Поколение 3.5G

Поколение 3.5G, как промежуточное поколение, характеризуется более высокими скоростями передачи данных по сравнению с 3-м поколением.

Начиная с 2006 года на сетях UMTS повсеместно распространяется технология HSDPA.

HSDPA(High Speed Downlink Packet Access – высокоскоростная пакетная передача данных от базовой станции к мобильной станции) – стандарт поколения 3.5G, представляющий собой модернизированный 3G со средней скоростью передачи данных 3 Мбит/с и максимальной – 14 Мбит/с.

Поколение 4G

Четвёртое поколение мобильных коммуникаций представляет собой эволюционное развитие 3G. Инфраструктура стандарта 4G базируется на IP-протоколе, что позволяет обеспечивать простой и быстрый доступ к Интернету. Высокие скорости передачи данных (100-200 Мбит/с) должны обеспечить передачу не только качественного звука, но и видео.

Планируется дальнейшее увеличение скорости передачи данных до 2,5 Гбит/с. Такие высокие скорости объясняются тем, что в четвёртом поколении используется только пакетная передача данных, включая голосовой трафик, передаваемый через протокол IP (мобильная VoIP-телефония). Помимо этого, сети 4G должны обеспечивать глобальный роуминг, связь корпоративных сетей, мобильное телевидение высокой чёткости.

В качестве стандарта 4G активно продвигается технология широкополосной беспроводной связи для быстрого доступа в Интернет с мобильных компьютеров

WiMAX, описанная стандарте IEEE802.16.

WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access) – телекоммуникационная технология, предоставляющая высокоскоростной беспроводной доступ к сети на больших расстояниях для широкого спектра устройств (от рабочих станций и портативных компьютеров до мобильных телефонов).

Скорости работы WiMAX-сетей будут достигать 75 Мбит/с и выше, что обеспечит не только доступ в Интернет, но и качественную передачу аудио- и видеоинформации, а также позволит использовать эту технологию в качестве «магистральных каналов».

Разработаны два стандарта технологии WiMAX – IEEE 802.16 d и IEEE 802.16 e, определяющие:

· рабочие диапазоны частот;

· ширину полосы пропускания;

· методы передачи и доступа;

· способы кодирования и модуляции сигнала;

· принципы повторного использования радиочастот и другие показатели.

Стандарт IEEE 802.16 d, известный как фиксированный WiMAX и утверждённый в 2004 году, позволяет обслуживать только «статичных» абонентов, которые могут находиться как в зоне прямой видимости, так и вне зоны прямой видимости.

Стандарт IEEE 802.16 e, известный как мобильный WiMAX и утверждённый в 2005 году, ориентирован на работу с пользователями, передвигающимися со скоростью до 120 км/ч, и поддерживает ряд специфических функций, таких как хэндовер, режим ожидания (idle mode) и роуминг, что позволяет использовать его в сетях сотовой связи

Возможна работа при отсутствии прямой видимости. Естественно, что мобильный WiMAX может применяться и для обслуживания фиксированных пользователей. Частотные диапазоны для сетей Mobile WiMAX расположены в интервале 2,3 — 3,8 ГГц.

Сети WiMAX состоят из следующих основных частей: базовых и абонентских станций, а также оборудования, связывающего базовые станции между собой, с поставщиком сервисов и с Интернетом. Для соединения базовой станции с абонентской используется диапазон частот от 1,5 ГГц до 11 ГГц. В идеальных условиях скорость обмена данными может достигать 70 Мбит/с, при этом не требуется наличия прямой видимости между базовой станцией и приёмником.

Конкурирующей по отношению к WiMAX является технология LTE.

LTE(Long Term Evolution) – технология мобильной передачи данных, предназначенная для повышения эффективности, снижения издержек, расширения оказываемых услуг путём интегрирования с существующими протоколами. Скорость передачи данных в соответствии со стандартом может достигать: 173 Мбит/с «вниз» (download) и 58 Мбит/с «вверх» (upload). Радиус действия базовой станции LTE зависит от мощности и используемых частот и составляет около 5 км, а при высоко расположенной антенне может достигать 100 км.

Важной проблемой в сетях 4-го поколения является поддержка высокой скорости передачи данных при перемещении мобильных станций с высокими скоростями, учитывая, что скорость передачи данных падает с увеличением скорости перемещения и с удалением от базовой станции.

Кроме того, необходимо обеспечить передачу управления мобильной станцией при её переходе с высокой скоростью (например, при движении в автомобиле или в поезде) из одной соты в другую без прерывания передачи данных и потери качества передаваемой информации.

Предполагается, что 4G станет единым стандартом, который заменит GSM, CDMA, UMTS и другие стандарты.

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.

С 2021 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 2021 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 2021 также ведется разработка российского программного обеспечения для взаимодействия с технологией 5G.

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.

Перспективы

Подготовка к запуску сетей пятого поколения началась в 2010 году. Именно тогда в разных странах началось тестирование отдельных тестовых элементов сетей, на основе которых и появится новый стандарт связи. Однако стоит отметить, что пятое поколение будет существенно отличаться по своей сути от действующих сейчас сетей. Это связано с тем, что скорости, которые будут доступны с 5G, будут ориентированы в первую очередь на связь между устройствами.

Поэтому именно с появлений новой технологии эксперты связывают более активное использование интернета вещей в медицине, транспорте, медиасвязь в реальном времени. По прогнозам через пять лет будет использоваться по всему миру более трех с половиной миллиарда устройств IoT.

Первая коммерческая сеть 5G запущена американским оператором Verizon в октябре. Компания позиционирует новую услугу как ультраскоростной интернет без проводов. Сеть была запущена в четырех городах. Услуги рассчитаны на домашнее использование, а не в привычном понимании мобильной связи. Первым клиентам предоставили бесплатное оборудование и его установку.

Следующий год должен стать годом повсеместного запуска сетей нового поколения. Именно с начала следующего года в продаже должны появится устройства с поддержкой 5G у всех ведущих производителей. А вот активное развитие стоит ожидать не ранее следующего года.

Как будет развиваться построение сетей в России пока сложно, поскольку еще не утверждена концепция развития технологии. Также на рассмотрении находится проект создания единого оператора инфраструктуры 5G сетей. Участники потенциального консорциума (МегаФон, Ростелеком, Ростех)позволят объединить усилия операторов в построении новых сетей. Однако другие участники рынка опасаются ограничения конкуренции, поскольку консорциум будет диктовать тарифы.