Принцип работы сотовой связи. Принцип работы мобильного телефона
17 августа 2010Знаете ли вы, что происходит после того, как вы набрали номер друга на мобильном телефоне? Как сотовая сеть находит его в горах Андалусии или на побережье далекого острова Пасхи? Почему иногда неожиданно разговор прерывается? На прошлой неделе я побывал в компании Beeline и попытался разобраться, как устроена сотовая связь...
Большая площадь населенной части нашей страны покрыта Базовыми Станциями (БС). В поле они выглядят как красно-белые вышки, а в городе спрятаны на крышах нежилых домов. Каждая станция ловит сигнал от мобильных телефонов на удалении до 35 километров и общается с мобильным телефоном по служебным или голосовым каналам.
После того, как вы набрали номер друга, ваш телефон связывается с ближайшей к вам Базовой Станцией (БС) по служебному каналу и просит выделить голосовой канал. Базовая Станция отправляет запрос на контроллер (BSC), а тот переадресует его на коммутатор (MSC). Если ваш друг является абонентом той же сотовой сети, то коммутатор сверится с Home Location Register (HLR), выяснит, где в данный момент находится вызываемый абонент (дома, в Турции или на Аляске), и переведет звонок на соответствующий коммутатор, откуда тот его переправит на контроллер и затем на Базовую Станцию. Базовая Станция свяжется с мобильным телефоном и соединит вас с другом. Если ваш друг абонент другой сети или вы звоните на городской телефон, то ваш коммутатор обратится к соответствующему коммутатору другой сети.
Сложно? Давайте разберемся подробнее.
Базовая Станция представляет из себя пару железных шкафов, запертых в хорошо кондиционируемом помещении. Учитывая, что в Москве было на улице +40, мне захотелось немного пожить в этом помещении. Обычно, Базовая Станция находится либо на чердаке здания, либо в контейнере на крыше:
2. 
Антенна Базовой Станции разделена на несколько секторов, каждый из которых "светит" в свою сторону. Вертикальная антенна осуществляет связь с телефонами, круглая соединяет Базовую Станцию с контроллером:
3. 
Каждый сектор может обслуживать до 72 звонков одновременно, в зависимости от настройки и конфигурации. Базовая Станция может состоять из 6 секторов, таким образом, одна Базовая Станция может обслуживать до 432 звонков, однако, обычно на станции установлено меньшее количество передатчиков и секторов. Сотовые операторы предпочитают ставить больше БС для улучшения качества связи.
Базовая Станция может работать в трех диапазонах:
900 МГц - сигнал на этой частоте распространяется дальше и лучше проникает внутрь зданий
1800 МГц - сигнал распространяется на более короткие расстояния, но позволяет установить большее количество передатчиков на 1 секторе
2100 МГц - Сеть 3G
Вот так выглядит шкаф с 3G оборудованием:
4. 
На Базовые Станции в полях и деревнях устанавливают передатчики 900 МГц, а в городе, где Базовые Станции натыканы как иглы у ежика, в основном, связь осуществляется на частоте 1800 МГц, хотя на любой Базовой Станции могут присутствовать передатчики всех трех диапазонов одновременно.
5. 
6. 
Сигнал частотой 900 МГц может бить до 35 километров, хотя "дальность" некоторых Базовых Станций, стоящих вдоль трасс, может доходить до 70 километров, за счет снижения числа одновременно обслуживаемых абонентов на станции в два раза. Соответственно, наш телефон с его маленькой встроенной антенной также может передавать сигнал на расстояние до 70 километров…
Все Базовые Станции проектируются таким образом, чтобы обеспечить оптимальное покрытие радиосигналом на уровне земли. Поэтому, несмотря на дальность в 35 километров, на высоту полета самолетов радиосигнал просто не посылается. Тем не менее, некоторые авиакомпании уже начали устанавливать на своих самолетах маломощные базовые станции, которые обеспечивают покрытие внутри самолета. Такая БС соединяется с наземной сотовой сетью с помощью спутникового канала. Система дополняется панелью управления, которая позволяет экипажу включать и выключать систему, а также отдельные типы услуг, например, выключать голос на ночных рейсах.
Телефон может измерять уровень сигнала от 32 Базовых Станций одновременно. Информацию о 6-ти лучших (по уровню сигнала) он отправляет по служебному каналу, и уже контроллер (BSC) решает, какой БС передать текущий звонок (Handover), если вы находитесь в движении. Иногда телефон может ошибиться и перебросить вас на БС с худшим сигналом, в этом случае разговор может прерваться. Также может оказаться, что на Базовой Станции, которую выбрал ваш телефон, все голосовые линии заняты. В этом случае разговор также прервется.
Еще мне рассказали о так называемой "проблеме верхних этажей". Если вы живете в пентхаусе, то иногда, при переходе из одной комнаты в другую, разговор может прерываться. Это происходит потому, что в одной комнате телефон может "видеть" одну БС, а во второй - другую, если она выходит на другую сторону дома, и, при этом эти 2 Базовые Станции находятся на большом удалении друг от друга и не прописаны как "соседние" у сотового оператора. В этом случае передача звонка с одной БС на другую происходить не будет:
Связь в метро обеспечивается так же, как и на улице: Базовая Станция – контроллер – коммутатор, с той лишь разницей, что применяются там маленькие Базовые Станции, а в тоннеле покрытие обеспечивается не обычной антенной, а специальным излучающим кабелем.
Как я уже писал выше, одна БС может производить до 432 звонков одновременно. Обычно этой мощности хватает за глаза, но, например, во время некоторых праздников БС может не справиться с количеством желающих позвонить. Обычно это случается на Новый Год, когда все начинают поздравлять друг друга.
SMS передаются по служебным каналам. На 8 марта и 23 февраля люди предпочитают поздравлять друг друга с помощью SMS, пересылая смешные стишки, и телефоны зачастую не могут договориться с БС о выделении голосового канала.
Мне рассказали интересный случай. Из одного района Москвы стали поступать жалобы от абонентов о том, что они не могут никуда дозвониться. Технические специалисты стали разбираться. Большинство голосовых каналов было свободно, а все служебные были заняты. Оказалось, что рядом с этой БС находился институт, в котором шли экзамены и студенты беспрерывно обменивались эсэмэсками.
Длинные SMS телефон делит на несколько коротких и отправляет каждое отдельно. Сотрудники технической службы советуют отправлять такие поздравления с помощью MMS. Это будет быстрее и дешевле.
С Базовой Станции звонок попадает на контроллер. Выглядит он так же скучно, как и сама БС - это просто набор шкафов:
7. 
В зависимости от оборудования, контроллер может обслуживать до 60 Базовых Станций. Связь между БС и контроллером (BSC) может осуществляться по радиорелейному каналу либо по оптике. Контроллер осуществляет управление работой радиоканалов, в т.ч. контролирует передвижение абонента, передачу сигнала с одной БС на другую.
Гораздо интереснее выглядит коммутатор:
8. 
9. 
Каждый коммутатор обслуживает от 2 до 30 контроллеров. Он занимает уже большой зал, заставленный различными шкафами с оборудованием:
10. 
11. 
12. 
Коммутатор осуществляет управление трафиком. Помните старые фильмы, где люди сначала дозванивались до "девушки", а затем она уже соединяла их с другим абонентом, перетыкивая проводки? Этим же занимаются и современные коммутаторы:
13. 
Для контроля за сетью у Билайна есть несколько автомобилей, которые они ласково называют "ежики". Они передвигаются по городу и измеряют уровень сигнала собственной сети, а также уровень сети коллег из "Большой Тройки":
14. 
Вся крыша такого автомобиля утыкана антеннами:
15. 
Внутри стоит оборудование, осуществляющее сотни звонков и снимающее информацию:
16. 
Круглосуточный контроль за коммутаторами и контроллерами осуществляется из Центра Управления Полетами Центра Контроля Сети (ЦКС):
17. 
Существует 3 основных направления по контролю за сотовой сетью: аварийность, статистика и обратная связь от абонентов.
Так же, как и в самолетах, на всем оборудовании сотовой сети стоят датчики, которые посылают сигнал в ЦКС и выводят информацию на компьютеры диспетчеров. Если какое-то оборудование вышло из строя, то на мониторе начнет "мигать лампочка".
ЦКС также отслеживает статистику по всем коммутаторам и контроллерам. Он анализирует ее, сравнивая с предыдущими периодами (часом, сутками, неделей и т.д.). Если статистика какого-то из узлов стала резко отличаться от предыдущих показателей, то на мониторе опять начнет "мигать лампочка".
Обратную связь принимают операторы абонентской службы. Если они не могут решить проблему, то звонок переводится на технического специалиста. Если же и он оказывается бессильным, то в компании создается "инцидент", который решают инженеры, занимающиеся эксплуатацией соответствующего оборудования.
За коммутаторами круглосуточно следят по 2 инженера:
18. 
На графике показана активность московских коммутаторов. Хорошо видно, что ночью практически никто не звонит:
19. 
Контроль за контроллерами (простите за тавтологию) осуществляется со второго этажа Центра Контроля Сети:
22. 
21. 
Понимаю, что у вас осталась куча вопросов о том, как устроена сотовая сеть. Тема сложная, и я попросил специалиста из "Билайн" помочь мне отвечать на ваши комментарии. Единственная просьба - придерживайтесь темы. А вопросы типа "Билайн редиски. Украли у меня 3 рубля со счета" - адресуйте абонентской службе 0611.
Завтра будет пост о том, как передо мной выпрыгнул кит, а я не успел его сфотографировать. Stay Tuned!
Знаете ли вы, что происходит после того, как вы набрали номер друга на мобильном телефоне? Как сотовая сеть находит его в горах Андалусии или на побережье далекого острова Пасхи? Почему иногда неожиданно разговор прерывается? На прошлой неделе я побывал в компании Beeline и попытался разобраться, как устроена сотовая связь…
Большая площадь населенной части нашей страны покрыта Базовыми Станциями (БС). В поле они выглядят как красно-белые вышки, а в городе спрятаны на крышах нежилых домов. Каждая станция ловит сигнал от мобильных телефонов на удалении до 35 километров и общается с мобильным телефоном по служебным или голосовым каналам.
После того, как вы набрали номер друга, ваш телефон связывается с ближайшей к вам Базовой Станцией (БС) по служебному каналу и просит выделить голосовой канал. Базовая Станция отправляет запрос на контроллер (BSC), а тот переадресует его на коммутатор (MSC). Если ваш друг является абонентом той же сотовой сети, то коммутатор сверится с Home Location Register (HLR), выяснит, где в данный момент находится вызываемый абонент (дома, в Турции или на Аляске), и переведет звонок на соответствующий коммутатор, откуда тот его переправит на контроллер и затем на Базовую Станцию. Базовая Станция свяжется с мобильным телефоном и соединит вас с другом. Если ваш друг абонент другой сети или вы звоните на городской телефон, то ваш коммутатор обратится к соответствующему коммутатору другой сети. Сложно? Давайте разберемся подробнее. Базовая Станция представляет из себя пару железных шкафов, запертых в хорошо кондиционируемом помещении. Учитывая, что в Москве было на улице +40, мне захотелось немного пожить в этом помещении. Обычно, Базовая Станция находится либо на чердаке здания, либо в контейнере на крыше:
2. 
Антенна Базовой Станции разделена на несколько секторов, каждый из которых «светит» в свою сторону. Вертикальная антенна осуществляет связь с телефонами, круглая соединяет Базовую Станцию с контроллером:
3. 
Каждый сектор может обслуживать до 72 звонков одновременно, в зависимости от настройки и конфигурации. Базовая Станция может состоять из 6 секторов, таким образом, одна Базовая Станция может обслуживать до 432 звонков, однако, обычно на станции установлено меньшее количество передатчиков и секторов. Сотовые операторы предпочитают ставить больше БС для улучшения качества связи. Базовая Станция может работать в трех диапазонах: 900 МГц — сигнал на этой частоте распространяется дальше и лучше проникает внутрь зданий 1800 МГц — сигнал распространяется на более короткие расстояния, но позволяет установить большее количество передатчиков на 1 секторе 2100 МГц — Сеть 3G Вот так выглядит шкаф с 3G оборудованием:
4. 
На Базовые Станции в полях и деревнях устанавливают передатчики 900 МГц, а в городе, где Базовые Станции натыканы как иглы у ежика, в основном, связь осуществляется на частоте 1800 МГц, хотя на любой Базовой Станции могут присутствовать передатчики всех трех диапазонов одновременно.
5. 
6. 
Сигнал частотой 900 МГц может бить до 35 километров, хотя «дальность» некоторых Базовых Станций, стоящих вдоль трасс, может доходить до 70 километров, за счет снижения числа одновременно обслуживаемых абонентов на станции в два раза. Соответственно, наш телефон с его маленькой встроенной антенной также может передавать сигнал на расстояние до 70 километров… Все Базовые Станции проектируются таким образом, чтобы обеспечить оптимальное покрытие радиосигналом на уровне земли. Поэтому, несмотря на дальность в 35 километров, на высоту полета самолетов радиосигнал просто не посылается. Тем не менее, некоторые авиакомпании уже начали устанавливать на своих самолетах маломощные базовые станции, которые обеспечивают покрытие внутри самолета. Такая БС соединяется с наземной сотовой сетью с помощью спутникового канала. Система дополняется панелью управления, которая позволяет экипажу включать и выключать систему, а также отдельные типы услуг, например, выключать голос на ночных рейсах. Телефон может измерять уровень сигнала от 32 Базовых Станций одновременно. Информацию о 6-ти лучших (по уровню сигнала) он отправляет по служебному каналу, и уже контроллер (BSC) решает, какой БС передать текущий звонок (Handover), если вы находитесь в движении. Иногда телефон может ошибиться и перебросить вас на БС с худшим сигналом, в этом случае разговор может прерваться. Также может оказаться, что на Базовой Станции, которую выбрал ваш телефон, все голосовые линии заняты. В этом случае разговор также прервется. Еще мне рассказали о так называемой «проблеме верхних этажей». Если вы живете в пентхаусе, то иногда, при переходе из одной комнаты в другую, разговор может прерываться. Это происходит потому, что в одной комнате телефон может «видеть» одну БС, а во второй — другую, если она выходит на другую сторону дома, и, при этом эти 2 Базовые Станции находятся на большом удалении друг от друга и не прописаны как «соседние» у сотового оператора. В этом случае передача звонка с одной БС на другую происходить не будет:
Связь в метро обеспечивается так же, как и на улице: Базовая Станция – контроллер – коммутатор, с той лишь разницей, что применяются там маленькие Базовые Станции, а в тоннеле покрытие обеспечивается не обычной антенной, а специальным излучающим кабелем. Как я уже писал выше, одна БС может производить до 432 звонков одновременно. Обычно этой мощности хватает за глаза, но, например, во время некоторых праздников БС может не справиться с количеством желающих позвонить. Обычно это случается на Новый Год, когда все начинают поздравлять друг друга. SMS передаются по служебным каналам. На 8 марта и 23 февраля люди предпочитают поздравлять друг друга с помощью SMS, пересылая смешные стишки, и телефоны зачастую не могут договориться с БС о выделении голосового канала. Мне рассказали интересный случай. Из одного района Москвы стали поступать жалобы от абонентов о том, что они не могут никуда дозвониться. Технические специалисты стали разбираться. Большинство голосовых каналов было свободно, а все служебные были заняты. Оказалось, что рядом с этой БС находился институт, в котором шли экзамены и студенты беспрерывно обменивались эсэмэсками. Длинные SMS телефон делит на несколько коротких и отправляет каждое отдельно. Сотрудники технической службы советуют отправлять такие поздравления с помощью MMS. Это будет быстрее и дешевле. С Базовой Станции звонок попадает на контроллер. Выглядит он так же скучно, как и сама БС — это просто набор шкафов:
7. 
В зависимости от оборудования, контроллер может обслуживать до 60 Базовых Станций. Связь между БС и контроллером (BSC) может осуществляться по радиорелейному каналу либо по оптике. Контроллер осуществляет управление работой радиоканалов, в т.ч. контролирует передвижение абонента, передачу сигнала с одной БС на другую. Гораздо интереснее выглядит коммутатор:
8. 
9. 
Каждый коммутатор обслуживает от 2 до 30 контроллеров. Он занимает уже большой зал, заставленный различными шкафами с оборудованием:
10. 
11. 
12. 
Коммутатор осуществляет управление трафиком. Помните старые фильмы, где люди сначала дозванивались до «девушки», а затем она уже соединяла их с другим абонентом, перетыкивая проводки? Этим же занимаются и современные коммутаторы:
13. 
Для контроля за сетью у Билайна есть несколько автомобилей, которые они ласково называют «ежики». Они передвигаются по городу и измеряют уровень сигнала собственной сети, а также уровень сети коллег из «Большой Тройки»:
14. 
Вся крыша такого автомобиля утыкана антеннами:
15. 
Внутри стоит оборудование, осуществляющее сотни звонков и снимающее информацию:
16. 
Круглосуточный контроль за коммутаторами и контроллерами осуществляется из Центра Управления Полетами Центра Контроля Сети (ЦКС):
17. 
Существует 3 основных направления по контролю за сотовой сетью: аварийность, статистика и обратная связь от абонентов. Так же, как и в самолетах, на всем оборудовании сотовой сети стоят датчики, которые посылают сигнал в ЦКС и выводят информацию на компьютеры диспетчеров. Если какое-то оборудование вышло из строя, то на мониторе начнет «мигать лампочка». ЦКС также отслеживает статистику по всем коммутаторам и контроллерам. Он анализирует ее, сравнивая с предыдущими периодами (часом, сутками, неделей и т.д.). Если статистика какого-то из узлов стала резко отличаться от предыдущих показателей, то на мониторе опять начнет «мигать лампочка». Обратную связь принимают операторы абонентской службы. Если они не могут решить проблему, то звонок переводится на технического специалиста. Если же и он оказывается бессильным, то в компании создается «инцидент», который решают инженеры, занимающиеся эксплуатацией соответствующего оборудования. За коммутаторами круглосуточно следят по 2 инженера:
18. 
На графике показана активность московских коммутаторов. Хорошо видно, что ночью практически никто не звонит:
19. 
Контроль за контроллерами (простите за тавтологию) осуществляется со второго этажа Центра Контроля Сети:
22. 
21. 
Мобильная связь - это радиосвязь между абонентами, местоположение одного или нескольких из которых меняется. Одним из видов мобильной связи является сотовая связь.
Сотовая связь - один из видов радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть. Ключевая особенность: общая зона покрытия делится на соты, определяющиеся зонами покрытия базовых станций . Соты перекрываются и вместе образуют сеть. На идеальной поверхности зона покрытия одной базовой станции представляет собой круг, поэтому составленная из них сеть имеет вид сот с шестиугольными ячейками .
Принцип действия сотовой связи
Итак, для начала рассмотрим, как осуществляется звонок по мобильному телефону. Лишь только пользователь набирает номер, телефонная трубка (HS - Hand Set) начинает поиск ближайшей базовой станции (BS - Base Station) - приемопередающее, управляющее и коммуникационное оборудование, составляющее сеть. В ее состав входят контроллер базовой станции (BSC - Base Station Controller) и несколько ретрансляторов (BTS - Base Transceiver Station). Базовые станции управляются мобильным коммутирующим центром (MSC - Mobile Service Center). Благодаря сотовой структуре, ретрансляторы покрывают местность зоной уверенного приема в одном или нескольких радиоканалах с дополнительным служебным каналом, по которому происходит синхронизация. Точнее происходит согласование протокола обмена аппарата и базовой станции по аналогии с процедурой модемной синхронизации (handshacking), в процессе которого устройства договариваются о скорости передачи, канале и т.д. Когда мобильный аппарат находит базовую станцию и происходит синхронизация, контроллер базовой станции формирует полнодуплексный канал на мобильный коммутирующий центр через фиксированную сеть. Центр передает информацию о мобильном терминале в четыре регистра: посетительский регистр подвижных абонентов или "гостей" (VLR - Visitor Layer Register), "домашний" регистр местных подвижных абонентов (HRL - Home Register Layer), регистр подписчика или аутентификации (AUC - AUthentiCator) и регистр идентификации оборудования (EIR - Equipment Identification Register). Эта информация уникальна и находится в пластиковой абонентской микроэлектронной телекарточке или модуле (SIM - Subscriber Identity Module) , по которому производятся проверка правомочности абонента и тарификация. В отличие от стационарных телефонов, за пользование которыми плата взимается в зависимости от нагрузки (числа занятых каналов), поступающей по фиксированной абонентской линии, плата за пользование подвижной связью взимается не с используемого телефонного аппарата, а с SIM-карты, которую можно вставить в любой аппарат.
Карточка представляет собой не что иное, как обычный флэш-чип, выполненный по смарт-технологии (SmartVoltage) и имеющий необходимый внешний интерфейс. Его можно использовать в любых аппаратах, и главное - чтобы совпадало рабочее напряжение: ранние версии использовали 5.5В интерфейс, а у современных карт обычно 3.3В. Информация хранится в стандарте уникального международного идентификатора абонента (IMSI - International Mobile Subscriber Identification), благодаря чему исключается возможность появления "двойников" - даже если код карты будет случайно подобран, система автоматически исключит фальшивый SIM, и не придется в последствии оплачивать чужие разговоры. При разработке стандарта протокола сотовой связи этот момент был изначально учтен, и теперь каждый абонент имеет свой уникальный и единственный в мире идентификационный номер, кодирующийся при передаче 64бит ключом. Кроме этого, по аналогии со скремблерами, предназначенными для шифрования/дешифрования разговора в аналоговой телефонии, в сотовой связи применяется 56бит кодирование.
На основании этих данных формируется представление системы о мобильном пользователе (его местоположение, статус в сети и т. д.) и происходит соединение. Если мобильный пользователь во время разговора перемещается из зоны действия одного ретранслятора в зону действия другого, или даже между зонами действия разных контроллеров, связь не обрывается и не ухудшается, поскольку система автоматически выбирает ту базовую станцию, с которой связь лучше. В зависимости от загруженности каналов телефон выбирает между сетью 900 и 1800 МГц, причем переключение возможно даже во время разговора абсолютно незаметно для говорящего.
Звонок из обычной телефонной сети мобильному пользователю осуществляется в обратной последовательности: сначала определяются местоположение и статус абонента на основании постоянно обновляющихся данных в регистрах, а затем происходят соединение и поддержание связи.
Системы подвижной радиосвязи строятся по схеме "точка-многоточие" (point-multipoint), поскольку абонент может находиться в любой точке соты, контролируемой базовой станцией. В простейшем случае круговой передачи мощность радиосигнала в свободном пространстве теоретически уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Однако на практике сигнал затухает гораздо быстрее - в лучшем случае пропорционально кубу расстояния, поскольку энергия сигнала может поглощаться или уменьшаться на различных физических препятствиях, и характер таких процессов сильно зависит от частоты передачи. При уменьшении мощности на порядок охватываемая площадь соты уменьшается на два порядка.
"ФИЗИОЛОГИЯ"
Важнейшими причинами повышенного затухания сигналов являются теневые зоны, создаваемые зданиями или естественными возвышенностями на местности. Исследования условий применения подвижной радиосвязи в городах показали, что даже на очень близких расстояниях теневые зоны дают затухание до 20дБ. Другой важной причиной затухания является листва деревьев. Например, на частоте 836МГц в летнее время, когда деревья покрыты листвой, уровень принимаемого сигнала оказывается приблизительно на 10дБ ниже, чем в том же месте зимой, при отсутствии листьев. Замирания сигналов от теневых зон иногда называют медленными с точки зрения условий их приема в движении при пересечении такой зоны.
Важное явление, которое приходится учитывать при создании сотовых систем подвижной радиосвязи - отражение радиоволн, и, как следствие, их многолучевое распространение. С одной стороны, это явление полезно, так как оно позволяет радиоволнам огибать препятствия и распространяться за зданиями, в подземных гаражах и тоннелях. Но с другой стороны, многолучевое распространение порождает такие трудные для радиосвязи проблемы, как растягивание задержки сигнала, релеевские замирания и усугубление эффекта Доплера.
Растягивание задержки сигнала получается из-за того, что сигнал, проходящий по нескольким независимым путям разной протяженности, принимается несколько раз. Поэтому повторяющийся импульс может выйти за пределы отведенного для него интервала времени и исказить следующий символ. Искажения, возникающие за счет растянутой задержки, называются межсимвольной интерференцией. При небольших расстояниях растянутая задержка не опасна, но если соту окружают горы, задержка может растянуться на многие микросекунды (иногда 50-100 мкс).
Релеевские замирания вызываются случайными фазами, с которыми поступают отраженные сигналы. Если, например, прямой и отраженный сигналы принимаются и противофазе (со сдвигом фазы на 180°), то суммарный сигнал может быть ослаблен почти до нуля. Релеевские замирания для данного передатчика и заданной частоты представляют собой нечто вроде амплитудных "провалов", имеющих разную глубину и распределенных случайным образом. В этом случае при стационарном приемнике избежать замираний можно просто переставив антенну. При движении же транспортного средства такие "провалы" проходятся ежесекундно тысячами, отчего происходящие при этом замирания называются быстрыми.
Эффект Доплера проявляется при движении приемника относительно передатчика и состоит в изменении частоты принимаемого колебания. Подобно тому, как тон шума движущегося поезда или автомобиля кажется неподвижному наблюдателю несколько выше при приближении транспортного средства и несколько ниже при его удалении, частота радиопередачи смещается при движении приемопередатчика. Более того, при многолучевом распространении сигнала отдельные лучи могут давать смещение частоты в ту или другую сторону одновременно. В результате, за счет эффекта Доплера получается случайная частотная модуляция передаваемого сигнала подобно тому, как за счет релеевских замираний происходит случайная амплитудная модуляция. Таким образом, в целом многолучевое распространение создает большие трудности в организации сотовой связи, в особенности для подвижных абонентов, что связано с медленными и быстрыми замираниями амплитуды сигнала в движущемся приемнике. Преодолеть эти трудности удалось с помощью цифровой техники, которая позволила создать новые методы кодирования, модуляции и выравнивания характеристик каналов.
"АНАТОМИЯ"
Передача данных осуществляется по радиоканалам. Сеть GSM работает в диапазонах частот 900 или 1800 МГц. Более конкретно, например, в случае рассмотрения диапазона 900МГц подвижной абонентский аппарат передает на одной из частот, лежащих в диапазоне 890-915 МГц, а принимает на частоте, лежащей в диапазоне 935-960 МГц. Для других частот принцип тот же, изменяются только численные характеристики.
По аналогии со спутниковыми каналами направление передачи от абонентского аппарата к базовой станции называется восходящим (Rise), а направление от базовой станции к абонентскому аппарату - нисходящим (Fall). В дуплексном канале, состоящем из восходящего и нисходящего направлений передачи, для каждого из названных направлений применяются частоты, различающиеся точно на 45МГц. В каждом из указанных выше частотных диапазонов создаются по 124 радиоканала (124 для приема и 124 для передачи данных, разнесенных на 45МГц) шириной по 200кГц каждый. Этим каналам присваиваются номера (N) от 0 до 123. Тогда частоты восходящего (F R) и нисходящего (F F) направлений каждого из каналов можно вычислить по формулам: F R (N) = 890+0.2N (МГц), F F (N) = F R (N) + 45 (МГц).
В распоряжение каждой базовой станции может быть предоставлено от одной до 16 частот, причем число частот и мощность передачи определяются в зависимости от местных условий и нагрузки.
В каждом из частотных каналов, которому присвоен номер (N) и который занимает полосу 200кГц, организуются восемь каналов с временным разделением (временные каналы с номерами от 0 до 7), или восемь канальных интервалов.
Система с разделением частот (FDMA) позволяет получить 8 каналов по 25кГц, которые, в свою очередь, разделяются по принципу системы с разделением времени (TDMA) еще на 8 каналов. В GSM используется GMSK-модуляция, а несущая частота изменяется 217 раз в секунду для того, чтобы компенсировать возможное ухудшение качества.
Когда абонент получает канал, ему выделяется не только частотный канал, но и один из конкретных канальных интервалов, и он должен вести передачу в строго отведенном временном интервале, не выходя за его пределы - иначе будут создаваться помехи в других каналах. В соответствии с вышеизложенным работа передатчика происходит в виде отдельных импульсов, которые происходят в строго отведенном канальном интервале: продолжительность канального интервала составляет 577мкс, а всего цикла - 4616мкс. Выделение абоненту только одного из восьми канальных интервалов позволяет разделить во времени процесс передачи и приема путем сдвига канальных интервалов, выделяемых передатчикам подвижного аппарата и базовой станции. Базовая станция (BS) всегда передает на три канальных интервала раньше подвижного аппарата (HS).
Требования к характеристикам стандартного импульса описываются в виде нормативного шаблона изменения мощности излучения во времени. Процессы включения и выключения импульса, которые сопровождаются изменением мощности на 70дБ, должны укладываться в промежуток времени длительностью всего 28мкс, а рабочее время, в течение которого передаются 147 двоичных разрядов, составляет 542.8мкс. Значения мощности передачи, указанные в таблице ранее, относятся именно к мощности импульса. Средняя же мощность передатчика оказывается в восемь раз меньше, так как 7/8 времени передатчик не излучает.
Рассмотрим формат нормального стандартного импульса. Из него видно, что не все разряды несут полезную информацию: здесь в середине импульса располагается обучающая последовательность из 26 двоичных разрядов для защиты сигнала от помех многолучевого распространения. Это - одна из восьми специальных легко распознаваемых последовательностей, по которой принятые разряды правильно располагаются во времени. Такая последовательность ограждается одноразрядными указателями (PB - Point Bit), а с обеих сторон этой настроечной последовательности располагается полезная кодированная информация в виде двух блоков по 57 двоичных разрядов, ограждаемых, в свою очередь, граничными разрядами (BB - Border Bit) - по 3бит с каждой стороны. Таким образом, импульс переносит 148бит данных, которые занимают 546.12мкс временной интервал. К этому времени добавляется еще промежуток, равный 30.44мкс защитного времени (ST - Shield Time), в течение которого передатчик "молчит". По продолжительности этот промежуток соответствует времени передачи 8.25 разряда, но передачи в это время не происходит.
Последовательность импульсов образует физический канал передачи, который характеризуется номером частоты и номером временного канального интервала. На основе этой последовательности импульсов организуется целая серия логических каналов, которые различаются своими функциями. Кроме каналов, передающих полезную информацию, существует еще ряд каналов, передающих сигналы управления. Реализация таких каналов и их работа требуют четкого управления, которое реализуется программными средствами.
Мобильный телефон является неотъемлемой частью современного, технологически развитого общества. Несмотря на обыденность и внешнею простоту этого прибора, очень не многие знают как работает мобильный телефон.
Устройство мобильного телефона
Современные технологии и постоянно движущийся вперёд прогресс позволяют создавать телефоны с огромным количеством функций и возможностей. С каждой новой моделью телефоны становятся всё тоньше, красивее и доступнее по финансам. Несмотря на огромную разновидность моделей и производителей, все эти приборы устроены по одному принципу.
По сути, мобильный телефон - это приёмно-передающее устройство, которое в своём корпусе имеет приёмник, передатчик и радиоантенну. Приёмник обеспечивает приём радиосигнала, преобразовывает его в электрические импульсы и посылает на динамик вашего телефона в виде электрических волн. Динамик преобразует эти электрические импульсы в звук, который мы слышим при разговоре с собеседником.
Микрофон воспринимает вашу речь, преобразует её в электрические сигналы и посылает на встроенный передатчик. Задача передатчика преобразовать электрические импульсы в радиоволны и передать на ближайшую станцию посредством антенны. Антенна служит для усиления приема и передачи радиоволн от телефона на ближайшую станцию сотовой связи.
Как работает телефон стационарный
Устройство стационарного телефона не сильно отличается от мобильного. В стационарном телефоне нет необходимости преобразовывать электрические импульсы в радиоволны, поскольку контакт с абонентом происходит по телефонному кабелю через Автоматическую Телефонную Станцию (АТС). Станция не нуждается в поиске аппарата по зоне своего действия и при наборе номера она автоматически вас соединяет с тем телефонным аппаратом, на который зарегистрирован этот номер.
Как работает мобильная связь?
Каждый из нас имеет возможность визуально наблюдать большое количество радиовышек, расположенных в разных частях города. Эти вышки, как правило, устанавливаются на максимально возвышенных местах, на крышах высотных зданий, на конструкциях других коммуникаций или на собственных стационарных вышках. Эти радиовышки называются базовыми станциями (БС). Вы можете заметить что в городах такие станции установлены гораздо чаще чем на междугороднем пространстве. Это связано с тем, что в городских условиях существует много естественных помех в виде бетонных зданий и различных металлических сооружений, которые значительно ухудшают качество сигнала. Одновременно в городах сосредоточено большее количество абонентов, которые создают сильную нагрузку на сотовую сеть и для поддержания хорошего качества связи требуется усиление зоны покрытия.
Ваш телефон имеет собственную идентификацию в виде мобильного номера вашей SIM карты. Во включённом состоянии, мобильный телефон постоянно сканирует пространство в поисках сети и автоматически выбирает ту Базовую станцию, которая обеспечивает лучшее качество сигнала. Одновременно он сообщает станции о своём местоположении и состоянии, таким образом, центральный компьютер оператора сотовой связи всегда знает, в зоне действия какой базовой станции находится телефон и готов ли он принять сигнал вызова. Как только другой абонент делает вызов вашего номера, компьютер определяет ваше местонахождение и посылает сигнал вызова на ваш телефон. Если телефон выключен или не находится в зоне действия ближайшей Базовой Станции, то компьютер сообщает вам что абонент находится вне зоны покрытия и не может принять звонок.
Хотя большинство из нас считают стационарный телефон само собой разумеющимся, телефон в вашем доме — одно из самых удивительных устройств, когда-либо созданных. Если вы хотите поговорить с кем-нибудь, все, что вам нужно сделать, это поднять трубку телефона и набрать несколько цифр. Вы в любой момент обратитесь к этому человеку и пообщаетесь с ним.
Телефонная сеть распространяется по всему миру, так что вы можете дозвониться почти к каждому на планете. Если вспомнить, что всего 100 лет назад и даже менее, посылка письменного сообщения кому-либо могла занимать несколько недель…
Удивительно, но телефон это одно из самых простых устройств в вашем доме. Принципы телефонной связи не изменялись почти столетие. Если у вас есть старинный телефон, сохранившийся с 1930-х годов, можно подключить его к вашей телефонной розетке, и он будет работать нормально!
Внутренности телефона
Простейший телефон состоит из трех частей:
1. Переключатель, подключающий и отключающий телефон от сети. Этот переключатель обычно называют рычажным переключателем . Он подключает телефон к сети, когда вы поднимаете трубку.
2. Д инамик . Это, самый обычный динамик размером с 50 копеечную монету и сопротивлением 8 Ом.
3. Микрофон . В прошлом, телефонные микрофоны были крайне просты и состояли из гранул активированного угля, зажатого между двух тонких металлических пластин. Звуковые волны от вашего голоса сжимали и разжимали гранулы, меняя их сопротивление и регулировали ток, протекающий через микрофон.
И он будет работать! Вы можете набрать номер на этом телефоне, быстро нажимая на рычажный переключатель — все телефонные коммутаторы по-прежнему распознают «импульсный набор номера ». Если вы поднимете трубку и быстро простучите по переключателю четыре раза, коммутатор телефонной компании поймет, что вы набрали «4».
Единственная проблема с таким телефоном, что во время разговора вы будете слышать свой голос через динамик.
Провода и кабели
Телефонная сеть начинается в вашем доме. Пара медных проводов бежит от вашего телефона до толстого кабеля, содержащего множество таких медных пар. В зависимости от того, где вы находитесь, этот толстый кабель будет входить непосредственно в коммутатор телефонной станции в вашем районе, или будет подключен в коробку размером, примерно, с холодильник, которая выступает в качестве цифрового концентратора .
Оцифровка и доставка голоса
Концентратор оцифровывает ваш голос с дискретизацией 8000 раз в секунду и 8-битным разрешением. Затем он собирает в себе ваш голос и десятки других, и отправляет их все в один провод (обычно коаксиальный кабель или волоконно-оптический кабель) ведущий к телефонной станции. Так или иначе, ваша линия соединяется с линейным разъединителем, и вы можете услышать длинный гудок, поднимая трубку.
Если вы вызываете кого-то, связанного с той же самой станцией, то переключатель просто создает замкнутую цепь между вашим телефоном и телефоном человека, которого вы набрали. Если это междугородний звонок, то ваш голос оцифровывается и объединяется с миллионами других голосов. Ваш голос, обычно, идет по волоконно-оптической линии в телефонную станцию принимающей стороны, но он может также быть передан спутником или вышками связи.
Создание собственной телефонной сети
Не только телефон простое устройство. Связь между вами и телефонной станцией еще проще. В самом деле, вы можете легко создать свою собственною телефонную сеть с использованием двух телефонов, 9-вольтового аккумулятора и резистора на 300 Ом, который можно купить на радиорынке. Вы можете собрать все это оборудование следующим образом: один провод соединяет оба телефона напрямую, а ко второму проводу, соединяющему телефоны, последовательно подключены источник питания и резистор. Если оба человека одновременно возьмут телефонные трубки, то они смогут нормально разговаривать друг с другом на расстоянии нескольких километров.
Единственное, что ваш маленький домофон не сможет сделать — это позвонить на другой телефон, чтобы попросить человека на другом конце провода взять трубку. Для сигнала звонка подается 90 вольт переменного тока частотой 20 герц.
Подключение к телефонной станции состоит из двух медных проводов. По одному из них передается от 6 до 12 вольт постоянного тока, примерно 30 мА. Микрофон модулирует звуковые волны, динамик на другом конце воспроизводит этот модулированный сигнал. Вот и все.
Если вернуться к временам ручного коммутатора, то легко понять, как работала когда-то большая телефонная сеть. В те дни было множество пар медных проводов, идущих от каждого дома к телефонной станции в центре города. Оператор коммутатора сидела перед большим щитом с одним гнездом для каждого абонента. Над каждым разъемом была небольшая лампочка. Большой аккумулятор был подключен через резистор для каждой проводной пары. Когда кто-то поднимал трубку на своем телефоне, рычажный переключатель замыкал цепь и пускал ток по проводам между домом и телефонной станцией. Это зажигало свет лампочки над этим разъемом на распределительном щите. Оператор соединял свою гарнитуру с этим разъемом и спрашивал, с кем этот человек хотел бы поговорить. Затем оператор отправлял сигнал звонка получающей стороне и ждал, чтобы там кто-то взял трубку. После того, как трубка поднималась, оператор соединял двух людей вместе, точно так же, как простая интерком-связь. Это очень просто!
Тональный набор
В телефонах современной системы, операторы были заменены на электронный переключатель . Когда вы поднимаете трубку, переключатель чувствует замыкание цепи и играет звук длинного гудка. Таким образом, вы знаете, что переключатель и ваш телефон работают. Звук длинного гудка — это сочетание 350 Герц тона и 440 Герц тона. Набор цифр номера также сопровождается звуками различной тональности. Если номер занят, вы слышите прерывистый сигнал «занято», который составлен из 480 Герц и 620 Герц тона.
Ширина полосы пропускания
В целях обеспечения более дальних звонков, передаваемые частоты ограничены полосой пропускания около 3000 Герц. Все частоты в вашем голосе ниже 400 Герц и выше 3400 Герц исключаются. От этого голос по междугородному телефону имеет характерное звучание.
Поэтому лучше не устраивать музыкальные перформансы по телефону, чтобы не стать героем анекдота:
Встречаются Петька и Василий Иванович. Василий Иванович говорит: «Что только люди находят в этих Битлз?! Они же поют монотонно!» Петька спрашивает: «Василий Иванович, да где же ты Битлов то слушал?!» Василий Иванович: «Как где? Мне вчера Фурманов пару их вещей напел по телефону…»
