Мобильная сеть

Жангисина Г.Д. д.п.н. (gul_zhd@mail.ru), Ценртально-Азиатский Университет, Алматы

Сериккызы Н.

студент 3-курс, спец: 5В071900-Радиотехника,элетроника и телекоммуникации

Умергалиева Назерке,офис-регистратор ЦАУ

Резюме

Каждое абонентское устройство (мобильный телефон) должно быть совместимо с оборудованием базовой станции, то есть поддерживать один и тот же стандарт мобильной связи.

Ключевые слова

Сеть, планшет, роуминг, хэндовер, микросотовая связь, мтс, мегафон, мобильная сеть.

Мобильная сеть.

Коммутация звонков в условиях мобильности абонентов сильно отличается от коммутации в традиционных сетях. Базовую станцию можно упрощённо представить как набор из большого количества «телефонных розеток», а мобильное абонентское устройство – как обычный стационарный телефон, который подключают (по радио, разумеется) к свободной розетке ближайшей базовой станции. При перемещении изсоты в соту телефон автоматически переключается в одну из свободных розеток другой станции (причем сам абонент может даже не догадываться о таких переключениях).

Каждый мобильный телефон имеет свой уникальный номер, который хранится в SIM-карте телефона и используется для идентификации абонента оборудованием сотовой связи. По этому номеру собственно и определяется, какой из абонентов временно подключился к данной «телефонной розетке» (для этого включённый мобильный телефон периодически обменивается специальными радиосообщениями с ближайшей базовой станцией сети).

В обычной телефонной сети каждому телефонному номеру соответствует всегда одна и та же линия (или группа линий в случае «многоканального телефона», но всё равно это всегда одна и та же группа). В мобильной же сети соответствие между «линиями» и абонентами постоянно меняется, поэтому оборудование АТС должно непрерывно поддерживать и обновлять специальную базу данных, в которой хранится это соответствие для каждого абонента сети. В результате, в соответствии с постоянно меняющейся информацией из этой базы данных, звонки, адресованные одному и тому же абоненту, могут в разное время направляться на разные линии, связывающие АТС и базовые станции.

Хэндовер

Абонент может переходить отсоты к соте прямо во время разговора. А это значит, что коммутация должна происходить не только на этапе установления соединения, но и непосредственно во время разговора. Она должна производится очень быстро, максимально незаметно для разговаривающего абонента.

Процедура переключения звонка между базовыми станциями во время разговора называется хэндовером (hand-over).

Роуминг

Компании-провайдеры сотовой связи могут заключать между собой соглашения о взаимном обслуживании своих абонентов. При этом абонент одной компании может переходить в зону обслуживания другой компании и продолжать принимать входящие и совершать исходящие звонки. Эта услуга называется роумингом.

Например, в сетях стандарта GSM роуминг реализуется следующим образом. Абонент компании A попадает в зону обслуживания компании Б. Его сотовый телефон передаёт свой уникальный номер, а также код компании А ближайшей базовой станции, которая передаёт запрос в АТС компании Б. Телефон регистрируется в специальной «гостевой» базе данных компании Б, затем по специальной сети передачи данных, связывающей А и Б, направляется запрос в базу данных А. В этой базе запоминается информация о том, что абонент находится где-то в зоне обслуживания компании Б. Теперь все входящие звонки, адресованные абоненту, попав в АТС компании А, автоматически перенаправляются в АТС компании Б, где в соответствии с «гостевой» базой данных отправляются на соответствующую базовую станцию.

Таким образом, для реализации роуминга мобильные сети должны использовать специальные совместимые между собой базы данных и специальную сеть передачи данных для автоматической передачи запросов. Например, в сотовых сетях стандарта GSM, принадлежащих разным сотовым провайдерам, для вышеописанного взаимодействия используется цифровая сеть стандарта SS7, к которой мы еще вернемся в разделе 1.6 «Интеллектуальные сети».

Стандарты мобильных сетей

Каждое абонентское устройство (мобильный телефон) должно быть совместимо с оборудованием базовой станции, то есть поддерживать один и тот же стандарт мобильной связи. В настоящее время в мире распространено большое количество таких стандартов – DAMPS, NMT, GSM, CDMA и т. д. Все они используют различные радиочастоты и способы совместной передачи нескольких одновременных разговоров в пределах одной соты (через разделение частот, разделение времени, разделение кода и т. д.), обеспечивают разное качество связи и защищённость, имеют различную сложность реализации и, соответственно, себестоимость.

Микросотовая связь и DECT

Мобильные сети не обязательно должны охватывать большие территории и обслуживаться сторонними компаниями-провайдерами. Мобильная сеть может использоваться для собственных нужд как внутренняя телефонная сеть в пределах некоторой организации, охватывая только её внутренние помещения и прилегающие территории. Такая сеть называется микросотовой.

Стандарты, предназначенные для сотовых сетей общего пользования, оказываются нерентабельны в условиях микросотовой сети. Поэтому микросотовую связь обычно реализуют на основе специализированных стандартов, самым распространённым из которых является DECT.

Оборудование DECT включает особые базовые станции, устанавливаемые в помещениях организации, и специальные радиотелефоны стандарта DECT. Важно отметить, что фирмы-производители базовых станций и телефонов могут быть разными: любой DECT-телефон может использоваться любой базовой станцией. Некоторые производители даже выпускают комбинированные сотовые телефоны, поддерживающие как GSM, так и DECT.

Рис. 1. DECT-оборудование EricssonFreeset DCT‑1800

Каждый DECT-телефон необходимо предварительно регистрировать как «свой» в сети, назначая ему при этом внутренний телефонный номер. Защищённость стандарта DECT обеспечивает достаточный уровень конфиденциальности, необходимый в корпоративных сетях.

Телефоны DECT поддерживают все функции современного аналогового телефона, необходимые при эксплуатации во внутренних сетях, включая кнопку «FLASH» и Caller ID.

DECT может поддерживаться как непосредственно оборудованием мини-АТС наряду с обычными «стационарными» внутренними линиями (рис. 1), так и с помощью внешнего выносного модуля, подключаемого к мини-АТС через набор внутренних линий (рис. 2). Во втором случае можно использовать «традиционную» мини-АТС и DECT-модуль от различных производителей, однако такое решение может оказаться дороже, чем в случае «встроенной» поддержки DECT внутри самой мини-АТС.

Рис. 2. Мини-АТС со встроенной поддержкой DECT

Рис. 3. Реализация DECT через дополнительный модуль

DECT отлично подходит и для домашнего использования в качестве альтернативы для традиционных радиотелефонов, у которых базовая станция и трубка всегда должны быть от одного и того же производителя. Для домашних пользователей выпускаются специальные базовые станции стандарта DECT, подключаемые к городской телефонной линии как обычный телефон. Пользователь может докупать по своему желанию и вкусу дополнительные трубки от любых производителей. Кроме того, DECT гарантирует защиту от телефонного пиратства – главной проблемы владельцев традиционных радиотелефонов

Сети мобильной связи первого поколения
Первые сотовые сети были построены с использованием аналоговых стандартов — стандартов первогопоколения (1G, first generation). Самые распространенные из них — NMT и AMPS. Обычно рядом сназванием стандарта записывают частоту в мегагерцах, рядом с которой выделен частотный диапазон длявзаимодействия базовой станции с мобильными телефонами, например базовые станции сетей NMT-450общаются с сотовыми телефонами на частоте 450 МГц.
Сеть на основе стандарта NMT (Nordic Mobile Telephone) — первого стандарта сотовой связи — началаработать в странах Северной Европы в 1981. Также NMT был первым стандартом мобильной связи,используемым в России (1991) и в США.
В аналоговых стандартах для обеспечения одновременной работы нескольких мобильных телефонов водной соте, а также базовых станций различных сот, использовалось только разделение каналов по частоте(FDMA, Frequency Division Multiple Access, одновременный доступ с разделением по частоте), что в условияхдефицита свободных частот означает работу в одной соте максимум только 10—20 телефонов и большиеразмеры сот. Это было приемлемо только при относительно низкой распространенности мобильной связи.Также аналоговые стандарты не давали никакой защиты от помех, а подслушать разговор иногда можнобыло с помощью простого радиоприемника.
В 2000-е гг. везде в мире сети первого поколения вытесняются сетями второго и третьего поколений.

Сети мобильной связи второго поколения
В сетях второго поколения (2G, second generation) данные между базовыми станциями и мобильнымителефонами передаются в цифровом виде. Это позволило использовать в стандартах DAMPS и пришедшемуему на смену GSM для одновременной работы с одной базовой станции нескольких телефонов временноеразделение (TDMA, Time Division Multiple Access, одновременный доступ с разделением по времени) —каждый частотный канал разделен на несколько так называемых «таймслотов», т. е. интервалов времени, втечение которых канал занимает один телефон. Таким образом, одна базовая станция может обслуживатьдо нескольких сотен телефонов одновременно. А мощности передатчиков в мобильных телефонах второгопоколения были снижены, так как потери при передаче оцифрованного звука гораздо ниже.
В стандарте CDMA (Code Division Multiple Access, одновременный доступ с разделением по коду)используются более сложные методы разделения радиоэфира между различными мобильнымителефонами. Причем, как много ни было бы разных телефонов в соте, и сколько бы базовых станций нибыло бы соседями, каждый мобильный телефон использует для приема и передачи целую частотную полосу(канал) сравнительно большой ширины — 1,25 МГц в стандарте CDMA2000 1x. Чтобы различать сигналыразных телефонов и базовых станций, каждый передатчик имеет собственный код, которыйраспространяется по всей ширине канала.
Самым популярным стандартом сотовой связи является именно стандарт второго поколения GSM — GlobalSystem for Mobile Communications (Глобальная система мобильной связи). Мобильными телефонами этогостандарта сейчас пользуются более миллиарда человек во всем мире.

Технологии передачи данных в сетях второго поколения
Но главным следствием перехода к цифровой форме сигнала стала возможность использовать мобильныетелефоны для передачи не только голоса (звука), но и других видов информации. Первой подобной услугой,сделавшей возможным передачу текста между мобильными телефонами, был так называемый «сервискоротких сообщений» — Short Message Service (сокращенно SMS). SMS впервые появился в стандарте GSM(в декабре 1992 в сети британского оператора Vodaphone был произведен эксперимент по рассылке SMS),но позднее был реализован и в сетях на основе других стандартов. С помощью технологии SMS можнопередавать не только короткие текстовые сообщения, но и простые картинки и звуки, а также выражать своиэмоции с помощью специальных изображений — смайликов (от smile — улыбка). Для этого используютсятехнологии EMS и Nokia Smart Messaging.
Позднее, с совершенствованием мобильных телефонов и развитием компьютеризации, в сетях GSM быливведены технологии для передачи компьютерных данных, доступа к сети Интернет (см. ИНТЕРНЕТ). Первойтакой технологией была CSD (Circuit Switched Data, передача данных через прямое подключение), в которойвыделенный телефону таймслот используется для передачи данных со скоростью 9.6 килобит в секунду —таймслот выделяется точно так же, как и при совершении телефонных звонков. При этом телефон нельзяиспользовать по своему прямому назначению. Для увеличения скорости передачи была создана технологияHSCSD (High Speed CSD, высокоскоростная CSD) — телефон получает несколько таймслотов сразу, такжеприменяется специальный алгоритм для коррекции ошибок в зависимости от качества соединения. Прииспользовании этой технологии в соте может не хватить таймслотов для всех мобильных телефонов, поэтомуона не стала распространенной.
Самой распространенной технологией передачи данных является GPRS (General Packet Radio Service,служба пакетной радиопередачи данных общего пользования), которая позволяет использовать выделенныетаймслоты сразу нескольким мобильным телефонам, использует различные алгоритмы при разном качествесвязи с БС, различной загруженности БС. Каждый телефон использует различное количество таймслотов,освобождая их при отсутствии необходимости или запрашивая новые. Таймслоты делятся междутелефонами с помощью пакетного разделения, как в компьютерных сетях. Количество таймслотов, котороеможет использовать телефон, ограничено аппаратно, и зависит от класса GPRS мобильного телефона.Скорость передачи асимметрична — если для получения информации телефон класса может использоватьдо 4-х таймслотов при 8-м и 10-м классах GPRS, то для передачи всего 1—2. Теоретический пределскорости для GPRS при идеальном соединении (21,4 килобит в секунду) и 5-и выделенных таймслотахсоставляет 107 килобит в секунду. Но реально средняя скорость работы GPRS находится на уровне 56килобит в секунду. Мобильным телефонам при использовании технологии GPRS выделяются IP-адреса вИнтернете, в большинстве случаев не уникальные.
Дальнейшим развитием технологии GPRS стала технология EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution,повышенная скорость передачи данных для развития GSM). В этой технологии, по сравнению с GPRS,применены новые схемы кодирования информации, а также изменен алгоритм обработки ошибок (ошибочнопереданные пакеты не передаются заново, передается только информация для их восстановления). Врезультате, максимальная скорость передачи достигает 384 килобит в секунду.
Иногда технологию GPRS называют технологией мобильной связи «поколения 2,5» — 2.5G, а технологиюEDGE — технологией 2.75G.
Для сетей CDMA2000 создана технология 1xRTT, позволяющая достигать скорости 144 килобит в секунду.
Назначение технологий передачи данных в сетях мобильной связи
Первоначально эти технологии использовались в мобильных телефонах для доступа в Интернет с помощьюперсональных компьютеров, и лишь затем, с дальнейшим развитием мобильных телефонов, предоставилидоступ в Интернет непосредственно с мобильного телефона. Для получения информации на мобильныйтелефон использовалась технология WAP (Wireless Application Protocol, протокол для беспроводныхприложений), которая предъявляла сравнительно небольшие требования к техническим характеристикаммобильного телефона. Странички создавались на специальном языке WML (Wireless Markup Language),приспособленном к особенностям мобильных телефонов — небольшому размеру экрана, толькоклавишному управлению, небольшим скоростям передачи данных, задержкам при загрузке страниц, и такдалее. Более того, ввиду низкой производительности процессора и малого объема памяти мобильноготелефона, для максимального облегчения работы мобильного браузера странички на этом языкеобрабатывались не непосредственно, а с помощью промежуточного сервера (так называемого WAP-шлюза),который компилировал их в специальный байт-код, выполняемый мобильным телефоном. Именно за это —работу промежуточного сервера — операторы сотовой связи так высоко оценивают эту услугу.
Однако с совершенствованием мобильных телефонов вскоре произошли изменения. Во-первых, отпаланеобходимость в промежуточном сервере — теперь браузеры современных мобильных телефоноввыполняют его работу самостоятельно. Во-вторых, на смену специализированному языку WML приходитстандарт xHTML — он отличается от повсеместно используемого в Интернете языка HTML толькособлюдением некоторых специальных правил, а именно, спецификации XML. В-третьих, современныемобильные телефоны обладают вполне достаточным размером экрана для отображения обычных,предназначенных для компьютеров, страниц Интернета. В-четвертых, с развитием современного Интернетаоказалось, что код HTML-страниц стал упрощаться и структурироваться, в связи с тем, что теперь он пишетсяпреимущественно машинно. В связи с этими изменениями, многие современные телефоны вполне могутсамостоятельно обрабатывать HTML.
На базе этих технологий передачи данных также были созданы дополнительные сервисы для мобильныхтелефонов — например, MMS(Multimedia Messaging System, система fпередачи мультимедийныхсообщений). С помощью мобильного телефона теперь легко можно составить сообщение, содержащеетекст, изображение, звук, видео или другие компьютерные файлы. Многие элементы MMS могут бытьобъединены в слайды, и принявший MMS телефон может показать презентацию, состоящую из них.Технически, когда отправляется MMS-сообщение, используется специализированный протокол передачиданных через обычное Интернет-соединение, например, через GPRS.
MMS-сообщения с мобильного телефона можно отправлять не только на другие мобильные телефоны, но ина адреса электронной почты — на электронный ящик придут все файлы, из которых состоит MMS. Каждоесообщение может быть отправлено сразу по нескольким адресам.
Если адресатом является номер другого мобильного телефона, поддерживающего MMS, то он напрямуюзакачивает содержимое сообщения по специальному протоколу, либо автоматически, либо по специальномузапросу. А если принимающий сообщение мобильный телефон не поддерживает MMS, то он получает SMS-сообщение, содержащее ссылку в Интернете, перейдя по которой можно через Web посмотреть содержимоеMMS либо с самого мобильного телефона, либо с персонального компьютера.
Однако большинство современных мобильных телефонов оснащено программами — клиентамиэлектронной почты, и, по мере их совершенствования, MMS становится ненужным, вытесняется другимисервисами, например, BlackBerry.
Доступ в Интернет с мобильных телефонов может использоваться для тех же целей, что и в персональныхкомпьютерах, например, для использования различных служб обмена сообщениями, вроде ICQ.

Мобильная связь третьего поколения.
Скорости передачи данных в сетях второго поколения недостаточны для реализации многих новых задачмобильной связи, в частности, передачи высококачественного видео в реальном времени (видеофонии),современных фотореалистичных компьютерных игр через Интернет и других. Для обеспечения необходимыхскоростей созданы новые стандарты и протоколы:
1. Стандарт UMTS (Universal Mobile Telecommunications System, универсальная система мобильной связи) набазе технологии W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access, широкополосный CDMA), частичносовместимой с GSM. Скорость приема и передачи данных достигает 1920 килобит в секунду.
2. Технология 1xEV (evolution, развитие) для сетей CDMA2000. Скорость приема данных достигает 3,1мегабит в секунду, а передачи — 1,8 мегабит в секунду.
3. Технологии TD-SCMA, HSDPA и HSUPA. Позволяют достичь еще более высоких скоростей. По состояниюна 2006 технологии W-CDMA предоставляют часто поддержку HSDPA. TD-SCMA разрабатываются.
Таким образом, современные технологии мобильной связи — это не столько технологии мобильнойтелефонии, сколько универсальные технологии передачи информации.

Литература:

1. Разработка и продвижение мобильных приложений
Василий Тихонов

2. Преимущества аутсорсинга ИТ-услуг по сравнению с содержанием собственной ИТ-службы
Георгий Сергеев

3. Звони или проиграешь
Константин Изварский, «Electronica», #7/2003