Многоканальное выравнивание

Устройство и работа мобильных телефонов

Введение

Все гениальное просто. Это выражение полностью подходит к устройству мобильного телефона. Вы думаете, это шутка? Не улыбайтесь! Перед вами "Букварь" по устройству мобильных телефонов и их отдельных частей. Если под рукой находится эта книга, можно без труда изучить анатомию мобильных телефонов, чтобы при желании осознанно провести простейшую самостоятельную диагностику и даже ремонт. Пособие не претендует на подробное и исчерпывающее изложение. Понять суть сможет любой человек, имеющий хорошие знания школьного курса физики электричества и представляющий устройство компьютера. Любое сложное устройство, в том числе и мобильный телефон, состоит из простых частей, связанных между собой. Мобильный телефон - это маленький компьютер, который содержит определенные функциональные блоки: процессор, память, устройства ввода и вывода информации. Поэтому и описание дается на функциональном уровне. Что же касается устройства конкретных моделей, то разобраться в нем будет совсем не сложно, зная общее устройство. Необходимы только желание и творческий подход. Данное пособие не обязательно читать от начала до конца. Этот своеобразный справочник можно открывать от случая к случаю, выбирая необходимое. Пособие не претендует на долгую жизнь - ведь оно предназначено стать ступенькой в развитии человека, постигающего быстро меняющийся мир техники. Часть информации любезно предоставлена редакцией журнала "Мабила".

Глава 1. Принципы организации сотовой связи

История

В 1888 г. Генрих Герц придумал установку и с ее помощью доказал существование электромагнитных волн и возможность их обнаружения. 25 апреля 1895 года Александр Степанович Попов сделал доклад, посвящённый использованию электромагнитных волн для передачи сигналов и продемонстрировал устройство для регистрации электрических колебаний – когерер.
Одновременно, в этом же 1895 г. Гульельмо Маркони провел опыты с электромагнитными волнами, целью которых было создание устройства для передачи сообщений. В марте 1896 года Попов, используя прибор собственной конструкции, передал на 250 метров радиограмму с двумя словами «Генрих Герц». В 1897 г. Маркони получил патент на устройство, похожее на прибор Попова. В 1901 году Маркони установил радио на борт парового автомобиля "Торнисрофт" и провел первую «мобильную» связь. С этого времени началось довольно бурное развитие радиосвязи и, прежде всего на военном флоте.
До 1904 года более пятидесяти российских кораблей были оснащены радиостанциями. 1900 году между островами Гогланд и Куутсала в Финском заливе действовала военная радиолиния протяженностью около 45 км, построенная под руководством А. С. Попова и А. А. Реммерта для спасения броненосца "Генерал-адмирал Апраксин". "Получена Гогланда телеграмма без проводов телефоном камень передний удален" - это была первая в истории радиограмма, переданная на расстояние более 40 верст.
С 1920 года вошло в жизнь регулярное общественное радиовещание. При этом радиостанция могла прервать трансляцию, чтобы передать сообщение о криминальном происшествии. Радиофицированные полицейские автопатрули, прослушав сообщение, получали возможность оперативно отреагировать и принять меры по пресечению нарушения общественного порядка.
Так начинались эксперименты с мобильной связью. Потребности в средствах наземной подвижной связи для оперативного управления действиями полиции привели в 1921 году к созданию в США первой диспетчерской системы телеграфной подвижной связи. В 1934 году Конгресс Соединенных Штатов создал Федеральную Комиссию Связи (ФКС). Дополнительно к регулированию наземного телефонного бизнеса, она также начала управлять диапазоном радио. Комиссия решала, кто какие должен получать частоты.
Коренной перелом в истории современной сотовой связи произошел в США в 1946 г. Фирмой AT&T были впервые предоставлены услуги мобильной связи частным лицам. Сотовый телефон располагался в автомобиле, весил 12 кг и объединял в себе телефон и приемопередатчик, в котором прием и передача велись на разных частотах. Связь осуществлялась через ретранслятор или базовую станцию (БС). Канал БС – телефон назывался downlink (восходящая связь), а канал телефон – БС – uplink (нисходящая связь).
Передатчик базовой станции обслуживал широкую область. Поскольку мобильный передатчик не был таким же мощным, как центральный, то его ответный сигнал не всегда достигал приемника базовой станции. Для надежной связи требовались дополнительные распределенные приемники, перенаправляющие сигнал к базовой станции. Этот процесс сохранения связи, при переходе абонента из одной области в другую был назван handoff (handover), т.е. эстафетная передача. Таким образом возникло и понятие роуминга (букв. бродяжничества) из одного района в другой.
Чтобы совершить обычный телефонный звонок с такого "мобильного" достаточно было передать сигнал на телефонную станцию, которая осуществляла соединение с абонентом. Звонок на "мобильный" из обычной сети совершался сложнее: абоненту необходимо было позвонить на телефонную станцию и сказать телефонистке номер телефона, установленного в машине. Говорить и одновременно слушать было невозможно: связь происходила как в обычных радиостанциях того времени - для того, чтобы говорить, надо было нажать и удерживать кнопку, затем отпустить ее, чтобы услышать ответное сообщение. Возможности связи были ограничены: мешали помехи и малый радиус действия радиостанции.
В июле 1947 года сотрудники Bell Laboratories У. Шокли, Дж. Бардин и У. Браттайн изобрели транзистор. Это, казалось, должно было произвести революцию в телефонной промышленности и радиосвязи. Однако радиопромышленность больше полагалась на лампы, и до его внедрения прошли годы.
Еще одна проблема, тормозящая развитие мобильной телефонии - ограниченность частотного ресурса, т.е. невозможность значительного увеличения количества фиксированных частот и как следствие взаимные помехи радиотелефонов, с близкими по частоте рабочими каналами.
В 1947 году произошло событие, послужившее отправной точкой для создания сотовой связи. Д. Рингом, сотрудником Bell Laboratories, была выдвинута идея сотового принципа связи, который подразумевал следующее. Базовые станции своими зонами покрытия образуют соты, размер которых определяется территориальной плотностью абонентов сети. Частотные каналы, используемые для работы одной из базовых станций сети, могут использоваться другими базовыми станциями этой сети. Также подразумевается handoff. Абонент сети, перемещаясь из зоны действия одной базовой станции в другую, может поддерживать непрерывную связь, как с подвижным абонентом, так и с абонентом проводной сети. Сети охватывают обширные территории, и абонент, находясь в зоне действия любой из базовых станций, может выйти на связь или его может вызвать другой абонент независимо от своего местоположения (услуга роуминга).
Важнейшее различие между обычной мобильной телефонной связью и сотовой состояло в многократном использовании одной и той же частоты. Но, несмотря на перспективность, реализация идеи задержалась почти на два десятка лет.
1 марта 1948 года первая полностью автоматическая служба радиотелефонии начала действовать в Ричмонде, устраняя операторов для установки большинства вызовов. В 1951 г. в Стокгольме С. Лауреном была разработана и испытана автоматическая мобильная телефонная система. Устройство состояло из приемопередатчика и логического блока, установленных в багажник автомобиля, с номеронабирателем и телефонной трубкой, висящими на обратной стороне переднего сиденья. Все питалось от аккумуляторной батареи автомобиля.
В Советском Союзе в 1962 году была разработана радиально - зоновая сеть спецсвязи "Алтай" (А. П. Биленко, М. А. Шкуд, Л. Н. Моргунов, Г. З. Рубин, Г. А. Гринев, В. М. Кузьмин), которой пользовалась государственная элита. Она обеспечивала подвижность в пределах сот внушительного размера. Поскольку абонентов у этой сети было немного, вопрос об экономии радиочастотного ресурса не стоял. Система изготавливалась на Воронежском заводе "Электросигнал".
В январе 1969 года AT&T начала эксплуатацию коммерческой сотовой системы, впервые применяя многократное использование частот. Сеть предоставляла услуги связи с использованием таксофонов пассажирам поездов, движущихся между Нью-Йорком и Вашингтоном. Система использовала 6 каналов в диапазоне 450 МГц. Номиналы частот периодически повторялись в 9 зонах. Длина линии 225 миль (362 км).
Мобильные радиотелефоны того времени располагались в багажниках автомобилей, в вагонах поездов, но не в руках абонента.
Первый прототип современных сетей, созданный сотрудниками фирмы Motorola, мог обслуживать не более 30 абонентов и соединял их с наземными линиями связи. Его базовая станция была смонтирована 3 апреля 1973 года на вершине 50-этажного Alliance Capital Building в Нью-Йорке (ранее здание называлось Burlington Consolidated Tower). Фирмой руководил Мартин Купер. Сотовый телефон назывался Dyna-ТАС. Это была трубка весом 1.15 кг. и размерами 22.5х12.5х3.75 см. Передняя панель имела 12 клавиш: 10 цифровых и две для отправки вызова и прекращения разговора. Никакого дисплея, никаких дополнительных функций - они увеличили бы вес аппарата. Аккумулятор позволял разговаривать 35 минут, а заряжать его приходилось более 10 часов.
Motorola начала стремительно развивать успех. Однако официальное признание пришло почти через 10 лет. Как же это удалось? И разве не удивительно, что ФКС утвердила использование частот для Motorola (Dyna-Tac использовался официально), ведь чиновники всегда медлительны и очень скептически относятся к новому?
Рассказывают такую историю…
В начале 80-х основатель Motorola, Пол Галвин связался с вице-президентом Джорджем Бушем и попросил его устроить для семилетней внучки экскурсию по Белому Дому. Буш согласился, и пригласил Пола и его внучку. Как только экскурсия подошла к концу, Пол, взяв в руки мобильный телефон, задал Бушу следующий вопрос: «Почему бы тебе не позвонить Барбаре?». Буш согласился и взял телефон из рук Пола. «Ты знаешь, что я сейчас делаю? – спросил, разговаривая с женой возбуждённый Буш. – Я говорю по мобильному телефону!». Затем Буш спросил Пола: «Рон видел это?». Галвин сразу понял, кого имел в виду его друг и ответил отрицательно. В тот же день президент США Рональд Рейган и Пол Галвин встретились. Рейган сделал звонок с мобильника и сразу же взял быка за рога: «Какой статус у этого устройства?». Пол ответил, что Motorola ждёт уже несколько лет одобрения от комиссии, но всё безрезультатно, и намекнул, что если будут тянуть и дальше, то, Япония может стать первой. Услышав ответ, Рейган не долго думая, связался с помощником и сообщил ему буквально следующее: «Скажи управляющему ФКС, что я хочу, чтобы устройство Motorola вышло официально».
В итоге, в 1982 ФКС признала, что сотовые телефоны безопасны, а в 1983 модель Dyna-Tас была одобрена официально.
В декабре 1983 года модель Motorola DynaTAC 8000X стала первым портативным сотовым телефоном, получившим сертификат Федеральной Комиссии Cвязи США.
Наследник первой трубки, телефон DynaTAC 8000X весил 800 граммов, имел габариты 33х4,5х9 см и был оснащен светодиодным дисплеем. Разговаривать можно было целый час, а в режиме ожидания он мог находиться до восьми часов. Всего Motorola затратила 15 лет и $ 100 миллионов на создание первой мобильной сети.
В мае 1978 года в Бахрейне, телефонная компания Bahrain Telephone Company (Batelco) впервые в мире начала эксплуатацию коммерческой системы сотовой телефонной связи. Две соты с 20 каналами в диапазоне 400 МГц обслуживали 250 абонентов. Использовалось оборудование японской компании Matsushita Electric Industrial Co. Ltd. (известна по торговой марке Panasonic).
Это событие, отмечает момент, когда впервые в мире отдельные личности начали использовать то, что мы считаем традиционным сотовым телефоном.
В июле 1978 года в США начала работу Advanced Mobile Phone Service (Усовершенствованная Служба Мобильных Телефонов) или AMPS.
В декабре 1979 года в Токио начала работу первая сотовая сеть связи из 88 базовых станций.
Одноименная сеть была создана компанией NTT (Nippon Telegraph and Telephone). Телефонное обслуживание осуществлялось в 23 районах города. Через 5 лет (1984) сеть была расширена до масштабов всей страны.
В 1981 году в Дании, Швеции, Финляндии, и Норвегии в диапазоне 450 МГц была создана Nordic Mobile Telephone System (Северная Мобильная Телефонная Система) или NMT-450, принципы построения которой, были подобны системе AMPS. Заработала первая сеть NMT-450 в сентябре 1981 года, в Саудовской Аравии, где она была смонтирована и запущена Шведской компанией “Ericsson”, принимавшей активное участие в создании этих сетей в Скандинавии. В октябре этого же года NMT–450 заработала в Швеции.
Эта система положила начало отсчета истории мобильной связи первого поколения (1G).
В настоящее время понятие поколение трактуется как уровень услуг связи, поэтому практически все существовавшие тогда сети можно отнести к первому поколению. Данные в таких сетях могли передаваться лишь на низких скоростях до 2,4 кбит/сек, а спектр ограничен сверху частотой 900 МГц.
NMT-сеть по праву претендовала на звание самой передовой в мире. По ряду качественных параметров она превосходила существовавшие в США и Японии. Но главное - она являлась действительно массовой.
В 1985 году в Великобритании были введены в эксплуатацию сети национального стандарта TACS (Total Access Communications System), разработанного на основе американского стандарта AMPS.
В 1987 году в связи с резким увеличением в Лондоне числа абонентов сотовой связи была расширена рабочая полоса частот до 900 МГц. Новая версия этого стандарта сотовой связи получила название ETACS (Enhanced TACS).
С целью разработки единого европейского стандарта цифровой сотовой связи, для выделенного в этих целях диапазона 900 МГц, в 1982 году Европейская Конференция Администраций Почт и Электросвязи (СЕРТ) - организация, объединяющая администрации связи 26 стран, - создала специальную группу Groupe Special Mobile. Аббревиатура GSM и дала название новому стандарту (позднее, в связи с широким распространением этого стандарта во всем мире, GSM стали расшифровывать как Global System for Mobile Communications). Работа продолжалась в течение нескольких лет. Так возник стандарт GSM - второе поколение (2G).
Для его внедрения потребовалось еще несколько лет, и лишь в 1990 г. финская фирма Radtolinia запустила первую в мире GSM-сеть. Через год аналогичные сети появились в других скандинавских странах.
Главное отличие систем второго поколения заключается в том, что они "цифровые", т.е. голос передается в цифровом виде. Самый простой сотовый телефон для этой системы представляет собой микрокомпьютер, который управляет не только процессом вызова и переговоров абонентов, но и выполняет множество других, ранее не доступных обыкновенному телефону операций. Для разделения каналов используются две технологии: частотное разделение (FDMA) и временное (TDMA). Данные передаются со скоростями до 14,4 кбит/сек.
Популярность GSM сетей обусловлена несколькими факторами, такими как услуги SMS (которых нет в других мобильных стандартах, таких как CDMA, TDMA, iDEN, PDC или PHS), применение SIM карты (Subscriber Identity Module), а также роуминг и совместимость. В настоящее время всей стандартизацией, связанной с системой GSM, занимается Европейский институт стандартов по телекоммуникациям ETSI (European Telecommunications Standards Institute). Документация по стандарту доступна на сайте ETSI: http://www.etsi.org.
Поначалу услуги GSM-операторов и абонентские терминалы были очень дорогими. Однако скоро трубки подешевели и перестали быть редкостью. Только за первый год существования сетей GSM в Скандинавии к ним подключилось более 1 млн человек.
Телефоны быстро прогрессировали, все новые и новые усовершенствования приводили к уменьшению их размеров и веса, к расширению возможностей.
1996 г. - Nokia представила первый Communicator - раньше никто и не мечтал о том, чтобы с помощью миниатюрного аппарата посылать электронную почту, работать с факсом, звонить знакомым и бродить по Интернету.
1996 г. - Motorola выпустила легендарный телефон-книжку StarTac GSM весом всего 90г.
1997 г. - Philips продемонстрировал Philips Spark с продолжительностью работы в режиме ожидания 350 ч.
1998 г. - Sharp удивил всех мобильником с сенсорным дисплеем - Sharp PMC-1 Smartphone.
1999 г. - 3-диапазонный аппарат Motorola L7089 и Ericsson T28s, который позиционировался производителем "как лучшее достижение человечества после огня и колеса".
1999 г. - реализация технология WAP в модели Nokia 7110.
В 1990 году американская Промышленная Ассоциация в области связи ТIА (Telecommunications Industry Association) утвердила национальный стандарт IS-54 цифровой сотовой связи. Этот стандарт стал более известен под аббревиатурой DAMPS или ADC.
Одновременно американская компания Qualcomm начала активную разработку нового стандарта сотовой связи, основанного на технологии кодового разделения каналов с применением шумоподобных сигналов - CDMA (Code Division Multiple Access). Возможности новой цифровой сотовой системы связи были впервые продемонстрированы в ноябре 1989 г. в Сан-Диего. В последующий период с 1990 по 1992 г. были проведены показательные испытания оборудования в различных городах и регионах (Нью-Йорк, Вашингтон, и т.д.), которые подтвердили исключительно высокие характеристики системы, отличающие ее от систем других стандартов. Цифровая сотовая система связи CDMA обеспечивающая повышенную емкость, была стандартизована в 1993 г. Американской телекоммуникационной промышленной ассоциацией (TIA) в виде стандарта IS-95.
Дальнейшим развитием систем 2G являются надстройки над ними GPRS (General Packet Radio Service) и EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution). Подобные системы принято относить к поколению 2,5G. Они обеспечивают передачу данных на более высокой скорости (GPRS 115 кбит/сек, EDGE 500 кбит/сек). Благодаря этому стало возможным обмениваться не только текстовыми сообщениями, но и графикой невысокого разрешения (MMS). Верхние частоты спектра систем поколений 2-2,5G ограничиваются в районе1800 МГц.
В 1990 году в региональных организациях стандартизации (ETSI - Европа, ARIB - Япония и ANSI - США) начались работы по созданию единого общемирового стандарта оборудования систем сотовой связи третьего (3G) поколения IMT-2000 (International Mobile Telecommunication). Основная предпосылка для выполнения этих работ состояла в том, что в скором времени пользователям мобильных систем станет необходимо будет предоставить возможность обмена мультимедийными файлами, обеспечить участие в глобальной информационной инфраструктуре. Системы должны будут работать на следующих скоростях передачи данных: для абонентов с высокой мобильностью (до 120 км/ч) - не менее 144 кбит/с, для абонентов с низкой мобильностью (до 3 км/ч) - 384 кбит/с, для неподвижных объектов на коротких расстояниях - 2,048 Мбит/с. В дальнейшем планируется увеличить скорость до 10 Мбит/сек. Такие сети можно условно отнести к поколению 3,5G.
В процессе работ по созданию единого мирового стандарта на сети третьего поколения были рассмотрены десятки разных предложений, сделанных ведущими в мире компаниями – производителями телекоммуникационного оборудования. Достичь полного согласия в выборе единого стандарта не удалось. В результате родилось целое семейство стандартов третьего поколения.
В 1998 году после многочисленных перекрестных оценок и испытаний организации по стандартизации из Европы, США, Японии и Кореи объединились в союз «Программа партнерства третьего поколения» (3G Partnership Project, 3GPP) для продвижения Wideband CDMA (WCDMA) в качестве наиболее подходящей технологии, на которую следует переходить растущей индустрии GSM.
В Европе разрабатывается система которую стали называть Универсальной службой мобильной телефонии UMTS (Universal Mobile Telephony Service), относящаяся к семейству IMT-2000. В ряде европейских стран уже выданы лицензии на создание сотовых сетей подвижной связи стандарта UMTS. Почти все лицензии 3G, выданные в мире на сегодняшний день, относятся к технологии WCDMA.
Первая европейская сеть WCDMA открылась 3 марта 2003 г. в Великобритании сотовым оператором Hutchison под коротким названием "3".
В марте 2002 года вышла спецификация Release 99. Она включает все, что необходимо для внедрения коммерческих сетей 3G. Совместимые с ней сети лягут в основу будущей более глобальной структуры, которая будет добавлена релизами 4, 5 и 6, что в свою очередь позволит UMTS развиваться достаточно быстрыми темпами. Каждый релиз, совместимый с предыдущими, создает платформу для внедрения операторами еще более инновационных услуг.
И, наконец, 4G – это система, скорее всего, на основе технологии OFDM, которая будет использовать спектр 40/60ГГц и позволит передавать данные со скоростями 100Мбит/сек.

Теперь рассмотрим вкратце технологии, используемые сегодня в мобильных телефонах.

BLUETOOTH и SWAP

В далеком 908 году у ютландского короля Горма Старого и его супруги Тиры родился сын Харальд. Ему была уготована великая судьба. Харальд I Блаатанд (в поздней транскрипции - Bluetooth, Синезубый), сумев подчинить своей воле разрозненных викингов, объединил Данию с Южной Норвегией и Южной Швецией, создав единое Датское королевство. Он же способствовал распространению в Скандинавии христианства, что, бесспорно, послужило единению культур.
Прошло почти 11 веков. В феврале 1998 года компании Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia решили объединить свои усилия для создания технологии беспроводного соединения мобильных устройств, организовав специальную рабочую группу SIG (Special Interest Group). И прозвище короля Харальда I - Bluetooth - вновь стало символом объединения - были разработаны беспроводные технологии Bluetooth и HomeRF (SWAP) -простые и дешевые решения для потребительского рынка.
Спецификация Shared Wireless Access Protocol (SWAP), основной конкурент технологии Bluetooth, предложена группой HomeRF. В сети этой технологии все устройства взаимодействуют через компьютер.
Идеология Bluetooth иная - это универсальный радиоинтерфейс, непосредственно связывающий самые разные устройства друг с другом и не требующий взаимодействия с компьютером. Спецификация Bluetooth описывает пакетный способ передачи информации с временным мультиплексированием. Радиообмен происходит в полосе частот 2400 - 2483,5 МГц. Метод обеспечивает конфиденциальность и некоторую помехозащищенность передач. Помехозащищенность обеспечивается тем, что если передаваемый пакет не смог быть принят, то приемник сообщает об этом и передача пакета повторяется, уже на другой частоте.
В разных странах используются разные диапазоны частот.

Страна	Диапазон частот, МГц
Европа и США	2400... 2483,5
Япония	2471... 2497
Испания	2445... 2475
Франция	2446,5... 2483,5

Протокол Bluetooth поддерживает как соединения точка - точка, так и точка - многоточка. Два или более использующих один и тот же канал устройства образуют пикосеть (piconet).
Одно из устройств работает как основное (master), а остальные - как подчиненные (slaves). В одной пикосети может быть до семи активных подчиненных устройств, при этом остальные подчиненные устройства находятся в состоянии «парковки», оставаясь синхронизированными с основным устройством.
Взаимодействующие пикосети образуют распределенную сеть (scatternet). В каждой пикосети действует только одно основное устройство, однако подчиненные устройства могут входить в различные пикосети. Кроме того, основное устройство одной пикосети может являться подчиненным в другой.

GPRS и EDGE

Необходимость доступа из сотовой сети в интернет обсуждалась в течение многих лет. В конце концов проблема была решена.
Запуск основанного на GSM-сетях радиосервиса GPRS (General Packet Radio Service) дал возможность соединения в любое время и в любом месте. Пользователи занимают радиоресурсы только тогда, когда происходит реальная передача данных. Это, по сути, означает, что в одной точке доступа можно обслужить большее число пользователей, тогда как скорости передачи данных остаются высокими. Эта новая технология создает пользователям возможность производить телефонные звонки и передавать данные одновременно со скоростями от 9,6 до 115 Кбит/с. В целом GPRS является очередной ступенью 2.5G от GSM к сотовым сетям третьего поколения - 3G.
Как работает GPRS? GPRS является так называемой накладывающейся технологией, распространяемой в сетях GSM, CDMA и TDMA. Данные расщепляются на пакеты и пересылаются по назначению разными путями по сети, затем снова собираются на принимающей стороне. Пакетная коммутация GPRS допускает любой существующий трафик IP или X.25 для пересылки данных через радиосеть GPRS.
Радиополосы распределяются динамическим образом в зависимости от типа контента - одновременно несколько или даже больше, в зависимости от того, передается ли текстовое сообщение или живое видео. Когда пользователь включает устройство, поддерживающее GPRS, обычно оно автоматически ищет канал GPRS в данной местности. Если соответствующий канал найден, устройство будет пытаться соединиться с сетью.
Эта технология применяет новый метод эффективной передачи пакетных данных по радиосетям. Технология пакетной коммутации основана на методах IP и X.25, которые очень популярны и широко используются во многих сетях. GPRS использует радиополосу шириной в 200 кГц, и она делится на восемь каналов. Общая емкость каналов составляет 271 Кбит/с, но каждый из этих каналов способен передавать потоки данных в 14,4 Кбит/с. Теоретически возможна скорость в 115 Кбит/с, но в реальных условиях она используется крайне редко или вообще не используется. Средняя скорость в 48 Кбит/с является наиболее вероятной оценкой, поскольку точки доступа поделены между множественными пользователями, причем диапазон или расположение приемника будут также зависеть от имеющейся в наличии ширины полосы. Этот результат гораздо лучше, чем могут предложить существующие устройства мобильных коммуникаций, дающие всего 9,6 Кбит/с.
Другим важным аспектом интернет-связи через GPRS - и это первое такого рода внедрение для широкополосной сети - является то, что соединение с интернет непрерывно (всегда «он-лайн»), и в то же время ему не приходится подтягивать ресурсы из точек доступа в то время, когда оно не используется, потому что данные передаются только тогда, когда в этом есть необходимость. Приемник запрашивает информацию, и устройство подтягивает в этот момент радиоресурсы, а затем снова находится в нерабочем состоянии, пока не начинает принимать запрошенную информацию.
Если к соте GSM одновременно подключаются сразу много пользователей GPRS и сота GSM не способна поддерживать такой объем голосового трафика, станция GPRS воспользуется радиоресурсами соседних сот GSM.
Таким образом, в реальности пользователи GPRS обслуживаются многими сотами GSM одновременно, когда в этом возникает необходимость. GPRS более или менее хорошо подходит для приложений, основанных на Wireless Application Protocol (WAP).
WAP достиг широкого распространения в новом поколении мобильных телефонов, поддерживающих микробраузеры.
Прямым следствием эволюции услуг GSM/GPRS является создание UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Это следующий этап от GPRS в направлении реальной мобильной сети третьего поколения (3G). Это широкополосная технология, основанная на пакетной передаче при скоростях передачи данных до 2 Мбит/с в помещениях и 348 Кбит/с на открытых пространствах. Пользователи услуг мобильной связи будут иметь доступ как к беспроводной, так и к спутниковой передаче сигнала. Спектр EMR для UMTS был предварительно распределен на полосы по 1885 - 2025 МГц для будущих систем IMT-2000, 1980 - 2010 МГц и 2170 - 2200 МГц для спутникового подразделения систем UMTS.
Наиболее удобный пока кандидат для перехода к 3G - это WCDMA (Wide Band Code Division Multi Access). Попросту говоря, WCDMA является основой технологии беспроводной передачи, которая использует уникальный пользовательский код для кодирования каналов. Каналы не используют отдельные полосы каналов, но разделяют полосу в 5 МГц, что дает им невероятную ширину полосы.

EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution) - расширенные каналы данных для глобальной эволюции. Читается как «эдж». Это не самостоятельный стандарт, а технология увеличения пропускной способности осннованная на GPRS. Метод использует более совершенные методы модуляции и канального кодирования, то есть улучшенная GPRS. На практике, скорость достигает 34-40 кбит/сек (2МБ в минуту), а предусмотренная максимальная скорость составляет 473,6 кбит/сек. Теоретически, эта технология должна позволить нам общаться по видеофону, когда мы видим лицо собеседника в режиме реального времени или просто загружать файлы из сети интернет с большой скоростью. EDGE поддерживается не очень большим количеством телефонов. Так же операторам связи понадобится некоторое время и финансовые вливания для того, чтобы реализовать эту технологию.

Архитектура сети GSM

Пусть вас в данном случае не пугает слово «архитектура». Оно означает искусство строительства - зодчество, иными словами, создание целого из набора составляющих.
Сеть GSM состоит из множества функциональных объектов, которые условно можно разделить на три типа.
Мобильные телефоны, которыми пользуются абоненты, подсистема базовых станций, осуществляющая и контролирующая радиосвязь с мобильными телефонами, и сетевая подсистема, главная часть которой - коммутирующий центр услуг мобильной связи (Mobile service Switching Center, MSC) - производит коммутирование звонков между своими абонентами и пользователями других сетей, а также выполняет многие другие функции, такие как авторизация (подтверждение подлинности) и т.п.
Мобильный телефон и базовая станция осуществляют взаимодействие посредством радиосвязи (Um-интерфейс). Базовая станция взаимодействует с MSC через A-интерфейс (кабельная связь). Рассмотрим их в отдельности.

Мобильные телефоны

Мобильный телефон, как и многие другие современные бытовые приборы, представляет собой микрокомпьютер, одним из компонентов которого является SIM -карта (Subscriber Identity Module), содержащая уникальный код и получившая название опознавательного модуля абонента. Она дает абонентам возможность свободного перемещения и доступа к любым сервисам сети независимо от местонахождения мобильного телефона и того, каким именно мобильным телефоном он пользуется. Вставив SIM-карту в другой сотовый телефон GSM, пользователь имеет возможность принимать звонки на этот телефон, производить с него звонки, а также пользоваться всеми сервисами, на которые он подписан.
Сами мобильные телефоны идентифицируются уникальным образом посредством международного идентификатора мобильного оборудования (International Mobile Equipment Identity, IMEI).
SIM-карта содержит международный идентификатор пользователя мобильных услуг (International Mobile Subscriber Identity, IMSI), идентифицирующий абонента, секретный код для авторизации и другую пользовательскую информацию.
IMEI и IMSI независимы, что обеспечивает личную мобильность абонентов.
SIM-карта может быть защищена от несанкционированного использования при помощи пароля либо персонального идентификационного номера. Из чего состоит IMEI смотри в приложении.

Базовые станции

Подсистема базовых станций является связующим звеном между мобильными телефонами и сетевой подсистемой и состоит из двух частей: приемопередатчика базовой станции (Base Transceiver Station, BTS) и контроллера базовой станции (Base Station Controller, BSC), которые и обеспечивают согласованную работу.
В густонаселенных районах базовых станций должно быть больше. Требования к ним - устойчивость сигнала, надежность, портативность и минимальная стоимость.
Контроллер управляет процессом радиосвязи и обслуживает одну или несколько базовых станций.

Сетевая подсистема

Основой всей системы GSM, конечно же, является сетевая подсистема. Это мозг, который управляет всеми функциями сложного организма сети мобильной связи.
Центральным компонентом сетевой подсистемы является MSC - коммутирующий центр услуг мобильной связи. Он выполняет функции, необходимые для работы с абонентами мобильной связи, такие как регистрация, авторизация, обновление данных о местоположении, хэндоверы, маршрутизация звонков для абонентов, пользующихся услугой роуминга и многое другое. Эту работу выполняют несколько функциональных объектов, которые в совокупности и образуют сетевую подсистему. MSC также обеспечивает связь с обычными телефонными сетями.
Маршрутизацию звонков и роуминговые возможности GSM (в том числе интернациональный роуминг) обеспечивают базы данных HLR (Home Location Register) и VLR (Visitor Location Register), которые функционально не входят в состав MSC.
База HLR содержит всю административную информацию по каждому абоненту, зарегистрированному в соответствующей сети GSM, вместе с текущим местоположением мобильного телефона.
Регистратор VLR содержит избранную административную информацию из HLR, необходимую для контроля звонков и предоставления сервисов, на которые подписаны абоненты, для каждого мобильного телефона, расположенного в данный момент в географической области, контролируемой данным регистратором VLR.
Имеются еще две базы данных, которые используются для целей авторизации и обеспечения безопасности. Первая из них - база данных EIR (Equipment Identity Register) - представляет собой базу данных, содержащую перечень всех действующих мобильных телефонов в сети, причем каждый мобильный телефон идентифицирован посредством IMEI. IMEI помечается как недействительный, если о данном телефоне было сообщено, как о похищенном, либо тип этого устройства не сертифицирован для работы в сети. Вторая - центр авторизации - представляет собой защищенную базу данных, в которой хранятся копии секретных кодов, сохраненных на SIM-карте каждого абонента, которые используются для авторизации и шифровки радиоканалов.

Аспекты радиосвязи

Для мобильных сетей в Европе выделены следующие диапазоны частот: 890 - 915 МГц (GSM), 1710 - 1785 МГц (DCS) - для установления связи в прямом направлении (от мобильного телефона к базовой станции - восходящий канал) и 935 - 960 МГц (GSM), 1805 - 1880 МГц (DCS) - для установления связи в обратном направлении (от базовой станции к мобильному телефону - нисходящий канал). В конечном счете, весь GSM размещается в пределах полосы шириной 2x25 МГц, а DCS - в пределах полосы 2х75 МГц.

Давайте теперь выясним, как же разделяется весь этот диапазон между пользователями - абонентами?
Поскольку диапазон частот является ограниченным ресурсом, разделяемым между всеми пользователями, было придумано несколько методов разделения его между большим числом абонентов. Метод, выбранный для GSM, является комбинацией методов параллельного доступа с разделением времени и с распределением частот (Time - and Frequency - Division Multiple Access, TDMA/FDMA). FDMA включает распределение частот полосы шириной 25 МГц на 124 частотных канала шириной по 200 кГц (124 восходящих и 124 нисходящих) для GSM и полосы шириной 75 МГц на 374 канала для DCS.
Разнос между восходящим и нисходящим каналом - 45 МГц для GSM и 95 МГц для DCS.
Вышеизложенное поясняет, почему у нас не работают телефоны американского стандарта 1900.
Каждым частотным каналом могут одновременно пользоваться 8 абонентов. Каждому из них по очереди отводится небольшой отрезок времени тайм-слот (подканал) - время, в течение которого мобильный телефон одного из абонентов передает либо принимает информацию.
Один тайм-слот используется для передачи сигнала и один - для приема. Они передаются на разных частотах, разделены по времени, так что мобильный телефон не занимается приемом и передачей одновременно.
Наглядное представление такой структуры дает рисунок. Вообразите, что каждому частотному каналу соответствует один телефонный аппарат, подключенный к проводной линии. А к каждому из аппаратов имеют доступ по 8 абонентов, которые могут разговаривать по очереди в течение тайм-слота.

В зоне покрытия одной базовой станции в системе GSM теоретически одновременно могут разговаривать 124х8=992 абонента, а в системе DCS - 374х8=2992.
Реально каждая базовая станция поддерживает от 1 до 16 частотных каналов. Поэтому вышеприведенные значения на практике оказываются существенно ниже. Отсюда вытекает и то, что позвонить человеку, который находится в месте большого скопления людей, например на футбольном матче, бывает очень затруднительно.
Необходимо знать, что радиоволны используемых в системе GSM частот могут распространяться только в пределах прямой видимости, а естественные и искусственные преграды могут препятствовать их распространению. Сигнал частотой 1800 мГц при распространении обладает более сильным затуханием (примерно в 4 раза) по сравнению с сигналом частотой 900 мГц той же мощности. Соответственно он имеет и меньшую дальность распространения. Сеть 1800 мГц, таким образом, идеально подходит для обслуживания в городских условиях. При этом используется большое количество базовых станций, обеспечивающих большую пропускную способность (количество одновременно разговаривающих абонентов) каналов связи. Сеть 900 мГц, напротив, предпочтительнее для обслуживания больших территорий (вдоль автодорог и т.п.) при использовании меньшего числа базовых станций.
Длины волн, соответствующие частотам 900 и 1800 мГц, составляют соответственно примерно 33 и 17 см. Это влияет на размеры и эффективность антенны, поскольку размеры антенны для эффективной работы должны быть соизмеримы с длиной волны, а также на способность передаваемых сигналов проникать через небольшие отверстия, что недоступно для радиоволн обычного вещательного диапазона частот.
Процесс цифровой передачи голосового сигнала в сетях GSM использует ряд методов - таких как прерывистая передача и прерывистый прием - для улучшения качества передачи голоса, снижения энергопотребления мобильного телефона, а также для увеличения общей емкости сети.

Структура каналов

Базовым понятием является тайм-слот. Это период времени, в котором осуществляется связь (передача или прием) мобильного телефона и базовой станции. Его величина составляет 577 мкс. Тайм-слоты содержат не только речевую информацию, но и служебную и бывают пяти типов: нормальные (для передачи речи), подстройки частоты, синхронизации, установочные и доступа. Иными словами, тайм-слот представляет собой последовательность импульсов – код речи либо служебного сигнала.
Каждому каналу (т.е. разговору одного абонента) соответствует один тайм-слот на одной определенной частоте. А поскольку одна частота вмещает 8 тайм-слотов, мобильный телефон передает базовой станции информацию в течение 577 мкс каждые 4615 мкс, что соответствует частоте 217 Гц. Именно непосредственным детектированием этих импульсных сигналов и объясняется характерное низкочастотное гудение, которое слышно, когда мобильный телефон рядом с какой-либо аудиоаппаратурой. Базовая станция передает мобильному телефону точно так же, но на три тайм-слота раньше, чем мобильный телефон ей и на частоте на 45 МГц выше.
Скорость передачи данных по стандартному алгоритму составляет до 9,6 Кбит/с.

Кодирование речи

GSM - цифровая система, где речь, которая является аналоговой по своей природе, преобразуется из аналогового вида в цифровой. Для этого служат специальные устройства: ADC (Analog Digital Converter) - аналогоцифровые преобразователи. Естественно необходимо и обратное преобразование. Оно осуществляется при помощи DAC (Digital Analog Converter) цифроаналоговых преобразователей. Эти устройства, как правило, находятся внутри больших микросхем мобильного телефона.
Но этого мало. Для обеспечения безопасности (чтобы враг не подслушал) кодированный сигнал дополнительно шифруется.
Группа GSM в свое время исследовала несколько алгоритмов кодирования и шифрования речи, сравнивая субъективно воспринимаемое качество передачи речи и сложность реализации и выбрала наиболее оптимальный.

Многоканальное выравнивание

В диапазоне частот мобильной телефонии радиоволны отражаются от всевозможных объектов - зданий, холмов, автомобилей, самолетов и т.д. Поэтому антенна кроме полезного сигнала принимает большое количество отраженных. Для выделения нужного сигнала из группы нежелательных отраженных сигналов используется выравнивание. В процессе выравнивания используется алгоритм, исследующий, каким образом известный передаваемый сигнал изменяется при радиопередаче, и создается обратный фильтр для того, чтобы принять только требуемый сигнал.

Частотный скачок

Одной из главных особенностей мобильных сетей является сохранение связи, например, при переходе абонента в зону соседней базовой станции. Этот процесс был назван handoff (handover), т.е. эстафетная передача. Поэтому мобильному телефону приходится быть частотно подвижным, т.е. он должен уметь быстро переключаться между частотами при передаче, приеме, мониторинге тайм-слотов. Стандарт GSM осуществляет эту частотную подвижность при помощи т.н. медленных частотных скачков несущих частот. Алгоритм частотного скачка (т.е. изменения несущих частот) передается в Broadcast Control Channel (BCCH).