Сотовая связь

Базовая станция мобильного оператора BTS Vodafone в Чехии
Принципиальная схема построения сотовой сети и использования базовыми станциями четырех частотных диапазонов (F 1 .. 4)

Сотовая связь - один из видов мобильной радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть. Особенность сотовой связи заключается в том, что зона покрытия делится на "Соты", который определяется зонами покрытия отдельных базовых станций (см. BSS). Соты частично перекрываются и вместе образуют сеть. На идеальной (ровной и без застройки) поверхности зона покрытия одной базовой станции представляет собой круг, поэтому составленная из них сеть имеет вид шестиугольных зон (пчелиных сот).

Сеть составляют разнесенные в пространстве приемопередатчики, работающие в том же частотном диапазоне, и коммутирующих оборудование, позволяющее определять текущее местоположение подвижных абонентов и обеспечивать непрерывность связи при перемещении абонента из зоны действия одного приемопередатчика в зону действия другого.


1. История

В 1947 году д. Рингом, сотрудником известной лаборатории, созданной изобретателем телефона Беллом (США), была выдвинута замечательная идея сотового принципа организации сетей подвижной связи. В таких сетях зоны обслуживания отдельных БС образуют соты, размер которых определяется территориальной плотностью абонентов сети. Частотные каналы, которые используются для работы одной из БС сети, могут повторно распределяться по определенному закону для работы других БС, входящих в эту сеть. Это обеспечивает высокую эффективность использования РЧС. В сотовых сетях абонент, перемещаясь из зоны действия одной бс в другую, может поддерживать постоянную связь как с подвижным абонентом, так и с абонентом ТФОП. Такие сети охватывают большие территории, и абонент, если он находится в зоне действия хотя бы одного из БС, входящей в общую сеть, может выйти на связь или его может вызвать другой абонент независимо от своего местонахождения (услуга роуминга).

Через двадцать лет эта идея нашла свое воплощение в сотовых сетях подвижной связи общего пользования. Внедрение таких сетей начинается с 70-х годов, сначала в США, а позднее в европейских странах, в Японии и в других регионах мира. Благодаря их создания новые услуги мобильной связи стали доступны для сотен миллионов людей многих стран мира.


2. Этапы развития

Сотовые технологии прошли несколько этапов развития:

  • 1G-технологии. Начало 80-х. Первое поколение сотовых сетей использовало аналоговые технологии. В таких сетях передавали только телефонные разговоры;
  • 2G-технологии. Середина 90-х. Цифровое кодирование и передача речи и коротких текстовых сообщений;
  • 2.5G-технологии. 2001 год ( США). Цифровые сети с передачей речи, текста, присоединение к Internet;
  • 3G-технологии. Технологии следующего поколения. Скорость передачи до 2 Мбит / с. Передача мультимедийных данных. Отдельные технологии доступны в Японии.

Сотовые технологии можно рассматривать согласно протокольными уровнями. На физическом и канальном уровнях определяют различные методы доступа, которые отражены в различных технологиях.


2.1. США

Впервые мобильный телефонный радиосвязь был применен в США 1921 года полицией Детройт, использовавшей односторонний диспетчерскую связь в диапазоне 2 МГц для передачи информации от центрального передатчика к приемникам, установленным на автомашинах. В 1933 году полиция Нью-Йорка начала использовать систему двусторонней подвижной телефонной радиосвязи также в диапазоне 2 МГц. В 1934 году Федеральная комиссия связи США выделила для телефонной радиосвязи 4 канала в диапазоне 30 ... 40 МГц, и в 1940 году телефонной радиосвязью пользовались уже около 10 тысяч полицейских автомашин. Во всех этих системах использовалась амплитудная модуляция. Частотная модуляция начала использоваться в том же году и до 1946 года полностью вытеснила амплитудную. Первый общественный подвижный радиотелефон появился в 1946 году в Сент-Луисе (фирма Bell Telephone Laboratories), в нем использовался диапазон 150 МГц.

Некоторое подобие сотовой системы использовали в 1949 году в Детройте (США) диспетчерская служба такси - с повторным использованием частот в разных ячейках при ручном переключении каналов пользователями в оговоренных заранее местах. В 1955 году начала работать 11-канальная система в диапазоне 150 МГц, а в следующем - 12-канальная система в диапазоне 450 МГц. Обе эти системы были симплексными, и в них использовалась ручная коммутация. Автоматические дуплексные системы начали работать соответственно в 1964 году IMTS ( англ. Improved Mobile Telephone Service ) (150 МГц) и 1969 году (450 МГц).

Однако архитектура сотовой связи, была изложена только в технической докладе компании Bell System для Федеральной комиссии связи США в декабре 1971 года. С этого времени начинается развитие собственно сотовой связи. В 1974 году комиссия приняла решение о выделении для сотовой связи полосы частот в 40 МГц в диапазоне 800 МГц. В 1986 году к ней было добавлено еще 10 МГц в том же диапазоне. В 1978 году в Чикаго начались испытания первой опытной системы на 2 тыс. абонентов.


2.2. СССР

В СССР первый опытный образец мобильного дуплексного телефона ЛК-1 и базовую станцию ​​к нему создал 1957 года московский инженер Л. И. Куприянович. Мобильный радиотелефон весил около 3 кг и имел радиус действия 20-30 км. В 1958 году Куприянович создал усовершенствованную модель аппарата весом 0,5 кг и размером с коробку для сигарет. В 60-х годах первый опытный образец карманного мобильного радиотелефона продемонстрировал болгарский изобретатель Христо Бочваров. На выставке "Интероргтехника-66" Болгария представила комплект для организации местного мобильной связи из карманных мобильных телефонов РАО-0, 5 и АТРТ-0, 5 и базовой станции Ратц-10, обеспечивала подключения 10 абонентов.

Конце 50-х годов в СССР начинается разработка системы автомобильного радиотелефона "Алтай", которая была введена в опытную эксплуатацию в 1963 году. Система "Алтай" сначала работала на частоте 150 МГц. В 1970 году система уже работала в 30 городах СССР и для нее был выделен диапазон 330 МГц.


2.3. Коммерческое использование

В Норвегии общественный телефонный радиосвязь использовалась в качестве морского мобильной связи с 1931 года. В 1955 году в стране было 27 береговых радиостанций. Наземный мобильная связь начал развиваться после Второй мировой войны в виде частных сетей с ручной коммутацией. Таким образом, в 1970 года подвижной телефонный радиосвязь уже получил достаточно широкое распространение. Сотовый связи, что позволило резко увеличить емкость за счет повторного использования частот в системе с ячеистой структурой.

Успешное коммерческое использование сотовой связи впервые испытал в Финляндии, где 1971 года была запущена сеть Autoradiopuhelin (ARP). К 1978 года она уже покрыла 100% территории Финляндии, диаметр сот достигал 30 км. Уже в 1986 году сетью пользовались более 30 тыс. абонентов. Сеть работала на частоте 150 МГц.

Первая автоматическая коммерческая система сотовой связи была введена в эксплуатацию в Чикаго в октябре 1983 года компанией American Telephone and Telegraph (AT & T). В Канаде сотовая связь используется с 1978 года, в Японии - с 1979 года, в Скандинавских странах - с 1981 года, в Испании и Англии - с 1982 года. По состоянию на июль 1997 года сотовая связь работал более чем в 140 странах всех континентов, обслуживая более 150 млн абонентов.


3. Принцип действия и оборудование

Принципиальная схема работы сотовой связи. (Англ.)
Антенна базовой станции на мачте

Основные составляющие сотовой сети - это сотовые телефоны и базовые станции. Базовые станции обычно располагают на крышах зданий и отдельных башнях. Включен сотовый телефон прослушивает радиоэфир в поисках сигнал базовой станции. После этого телефон посылает станции свой уникальный идентификационный код. Телефон и станция поддерживают постоянный радиоконтакт, периодически обмениваясь пакетами данных. Связь телефона со станцией может идти по аналоговому (AMPS, NAMPS, NMT-450) или цифровом ( DAMPS, CDMA, GSM, UMTS) протокола.

Сотовые сети разных операторов соединены друг с другом, а также со стационарной телефонной сетью. Это позволяет абонентам одного оператора делать звонки абонентам другого оператора, с мобильных телефонов на стационарные и со стационарных на мобильные.

Главные поставщики оборудования для мобильной связи стандарта GSM / UMTS в мире: Ericcson, NSN, Huawei, ZTE.


3.1. Базовая станция

Антенна базовой станции разделена на несколько секторов англ. Sector antenna , Каждый из которых направлен в свою сторону. Каждый сектор может обслуживать до 72 звонков одновременно, в зависимости от настройки и конфигурации. Всего может быть 6 секторов ("граней сот"), таким образом, одна базовая станция может обслуживать до 432 вызовов. Обычно на большинстве станций из-за нецелесообразности установлено меньшее количество передатчиков и секторов. Предпочитают ставить больше базовых станций для улучшения качества связи. Вертикальная антенна осуществляет связь с телефонами, круглая соединяет станцию ​​с контроллером.

Сотовые сети могут состоять из базовых станций разного стандарта, что позволяет оптимизировать работу сети и улучшить ее покрытие. Базовые станции проектируются таким образом, чтобы обеспечить оптимальное покрытие радиосигналом на уровне земли. Некоторые авиакомпании уже начали устанавливать на своих самолетах маломощные базовые станции, которые обеспечивают покрытие внутри самолета, они соединяются с наземной сетью посредством спутникового канала.

В тоннели метрополитена покрытия сотовой связи происходит специальным излучающим кабелем.


3.2. Контроллер

В зависимости от оборудования, контроллер англ. Base station controller (BSC) может обслуживать до 60 базовых станций. Связь между базовой станцией и контроллером может осуществляться через радиорелейную канал или по оптволоконному кабеля. Контроллер осуществляет управление работой радиоканалов, контролирует передвижения абонента и осуществляет передачу сигнала с одной базовой станции на другую.


3.3. Коммутатор

Каждый коммутатор англ. Мobile switching center (MSC) обслуживает от 2 до 30 контроллеров и осуществляет управление трафиком.

3.4. Центр контроля

Круглосуточный контроль за коммутаторами и контроллерами осуществляется из Центра контроля сети мобильного оператора - вспомогательной структуры, имеет назначение предотвращать и устранять нештатные ситуации в автоматизированной системе сотовой сети, собирать и обрабатывать статистические данные и работать с запросами абонентов. На всем оборудовании сети стоят датчики, посылающие сигнал в ЦКС и выводят информацию на компьютеры диспетчеров.


4. Осуществление связи

После того, как набранный номер адресата, телефон связывается с ближайшей базовой станцией служебным каналом и запрашивает выделить голосовой канал. Базовая станция отправляет запрос на контроллер (BSC), а тот переадресует его на коммутатор (MSC). Если адресат относится к абонентов данной сети, то коммутатор сверится с Home Location Register (HLR), выяснит, где в настоящее время находится адресат, и переведет звонок на соответствующий коммутатор, откуда тот его переправит на контроллер, а затем на базовую станцию, в радиусе действия которой в настоящее время находится адресат. Базовая станция свяжется с его мобильным телефоном и соединит друг с другом. Если ваш адресат абонент другой сети, то коммутатор обратится к соответствующему коммутатора другой сети.


4.1. Хэндовер

Если сотовый телефон выходит из поля действия базовой станции (радиус до 35 км), он налаживает, при активном участии самой базовой станции, связь с другой. Телефон может измерять уровень сигнала от 32 базовых станций одновременно. Информацию о 6 лучших по уровню сигнала он отправляет по служебному каналу, и происходит передача сигнала одной станцией другой - хэндовер ( англ. handover ). Телефон может опрокинуть сигнал на базовую станцию ​​с худшим сигналом где все голосовые линии заняты, в этом случае разговор обрывается.


4.2. Роуминг

Операторы могут иметь заключенные между собой договоры роуминга. Благодаря таким договорам абонент, находясь вне зоны покрытия своей сети, может совершать и принимать звонки через сеть другого оператора. Как правило, это осуществляется по повышенным тарифам.

5. Сотовая связь в Украине

Услуги сотовой мобильной связи - услуги по передаче сетью связи общего пользования голоса, сигналов, звуков, изображений, печатных или письменных материалов или символов, предназначенных для конкретного абонента, в случае, когда для их приема или передачи используется оборудование радиосвязи. [ ]

Состоянию на 2010 год в Украина работают операторы: