Энциклопедия GSM-связи. Часть 3 / Смартфоны

Как все начиналось…

Сети стандарта GSM строили очень умные люди. Они предусмотрели в них максимум масштабируемости. Сейчас даже дух захватывает от понимания того, сколько всего было продумано наперед. Разумеется, талантливым часто везет, но не до такой же степени. Изначально возможность передавать данные закладывалась в GSM-сети разработчиками в далеких 80-х годах прошлого века.

В те дремучие годы становления сотовой связи, Мадонны и самостоятельного творчества Майкла Джексона, никто и представить не мог, что можно будет не просто отправить факс по мобильнику, но воспользоваться услугами электронной почты и любимой «Аськи», не говоря уже о простом веб-серфинге…

Изначально сеть могла передавать данные на скорости 9,6 Кбит/c.

Если подойти к вопросу исключительно формально и просчитать максимальную скорость канала, то она составит 33,8 Кбит/c. Почему же данные передавались на скорости только 9,6 Кбит/c? Ответ очевиден. Служебная информация, криптозащита и алгоритмы исключения ошибок съедали всё до потока в 13 Кбит/c.

Однако и на этом не заканчивались беды пользователя. Данные посылали через речевой кодек. В результате и получались эти злосчастные 9,6 Кбит/c. Разумеется, в наши дни на такой скорости работать в интернете практически невозможно. Операторы прибегали ко всевозможным ухищрениям по увеличению прокачиваемого потока данных.

На память приходят последние годы прошлого века, когда сотовый телефон становился модемом и линией. Пользователь набирал заветный номер, ждал коннекта и «умирал», ожидая нужного потока данных. Тогда пользователи и научились ценить браузеры с быстрым отключением графики.

Немало седых волос появилось на головах терпеливых мобильных инетчиков при обрывах связи, когда странички загружались вновь, а письма уходили в несколько приемов. Стоимость этого развлечения была очень высока. Например, минута связи в сети NW-GSM (ныне «Мегафон»)

стоила 6 центов со всеми налогами. А тогда деньги были деньгами. Дефолт сделал из этих центов огромную ценность…

Как следствие инженерной мысли в области увеличения скорости пересылки данных, на свет родилась технология HSCSD (High Speed Circuit Switched Data, высокоскоростная передача по коммутируемым каналам).

Её появление диктовалось самой логикой. Предлагалось объединить несколько канальных интервалов. Решение о количестве таких интервалов принималось оператором в зависимости от загрузки сети. Какие скорости сулили пользователям? Теоретический предел составлял до 57,6 Кбит/с.

Увеличить скорость до 76,8 Кбит/с (9,6х8) не представлялось возможным, так как сетевой канал между коммутатором и базовой станцией составлял 64 Кбит/с. Для включения технологии HSCSD требовалось приобрести сотовый аппарат с её поддержкой со стороны пользователя и программной поддержкой протокола (аппаратная часть не трогалась) со стороны оператора.

HSCSD требует установить непрерывное соединение для обмена данными между вызывающей и вызываемой сторонами. Протокол напоминает обыкновенную голосовую связь и тарифицируется на поминутной основе. Оператор теряет голосовые каналы, а пользователь не получает возможность платить только за переданные данные.

Одним словом, HSCSD стала своего рода заплаткой на старых штанах перед покупкой обновки. Впрочем, свою роль она сыграла наилучшим образом, хотя пробыла на сцене сотовой связи не боле двух лет.

Рождение GPRS (General Packet Radio Service) стало новым витком в развитии GSM-сетей.

Эта новая технология пакетной передачи данных несколько лет назад ворвалась на рынок и удерживает на нём серьёзные позиции. Вместо передачи непрерывного потока данных через постоянное соединение (например, HSCSD), при пакетной коммутации сеть используется только в случае наличия данных для передачи.

Такой подход абсолютно обоснован и созвучен самой идее Интернета, где данные возникают в импульсном режиме. В GPRS максимально возможная скорость передачи данных составляет 171,2 Кбит/с (теоретически возможная скорость составляет 270,4 Кбит/с = 33,8х8).

Стоит отметить, что мобильный аппарат может одновременно устанавливать голосовое соединение и обмениваться данными. GPRS позволяет тарифицировать данные по их количеству, а не по времени нахождения в сети, что и реализовано в данный момент операторами сотовой связи.

Чтобы запустить GPRS, инженеры должны дополнить существующую сеть оборудованием пакетной передачи данных.

Сегодняшний день принес нам технологию EDGE (Enhanced Data for Global Evolution). Базисом новинки стала идея изменения метода модуляции несущей и адаптивная схема кодирования.

Для тех, кто не любит технических тонкостей, просто сообщим, что скорость поднялась до 384 Кбит/с. Если вы не привыкли скакать по верхушкам и интересуетесь сутью дела, то с удовольствием сообщаем подробности. В протоколах передачи информации GSM используется модуляция GMSK с одним битом на символ.

В EDGE заработает модуляция 8PSK с тремя битами на символ, которая увеличивает скорость в три раза. Кроме этого, в EDGE реализованы два режима работы: первый – с коммутацией пакетов (EGPRS или Enhanced GPRS), второй – с коммутацией каналов (ECSD, Enhanced Circuit Switched Data), подобно технологии HSCSD.

В режиме пакетной передачи данных может изменяться скорость работы в зависимости от состояния эфира. Иными словами, если количество ошибок возрастает, то следующий пакет отсылается на меньшей скорости. Это придает протоколу гибкость.

Если вам достаточно технической информации, которую мы предоставили в этой главе, то можете пропустить следующую и перейти к разделу «Подключение». Но если ваша задача – разобраться во всем этом до конца, то знакомимся с GPRS и EDGE более подробно.

Заключительно слово

Итак, нами рассмотрена еще одна глава «Энциклопедии GSM-связи», которая создается при информационной помощи компании

. Тема мобильного интернета остается очень популярной сейчас, и мы готовы расширить ее границы, создав некий FAQ, который раскроет множество аспектов и подводных камней этого интересного сервиса. Если вы хотите стать его соавтором и внести свою лепту в его создание, то напишите письмо на адрес

История развития мобильного телефона

Итак, прежде чем перейти к устройству сотового телефона, мимоходом познакомимся с эволюцией этого устройства. Прежде всего, надо условиться, что первые такие аппараты представляли из себя банальные рации. При этом ни о каком «дуплексе» говорить не приходилось.

В один момент времени говорила только одна сторона, а другая слушала. Идеальная схема семейной жизни, но никак не повод создать удобную коммерческую связь.

Первые радиотелефоны для коммерческой продажи появились в лабораториях компании AT&T Bell Labs.

Инженеры этой великой фирмы быстро смекнули, что размеры и габариты мобильных аппаратов просто страшны. Их первое детище, выпущенное в далеком 1946 году, весило почти пуд. Все надежды на создание носимого варианта рассыпались как карточный домик. Однако умный менеджмент выставил свое предложение – делать телефоны для автомобилистов.

Как результат появилось творение, которое весило 12 килограммов и должно было устанавливаться в багажник легковой машины. Микрофон и динамик устанавливали в салон автомобиля. Детище работало очень любопытно. Пользователь связывался с диспетчером и сообщал прежде всего свой собственный номер, а потом называл номер того абонента, куда хотел позвонить.

Сказочная процедура, которая работала еще в режиме: «Прием, как слышишь?».

Отметим, что первый такой сервис работал в крупных городах США. В середине 60-х в качестве эксперимента было покрыто шоссе из Нью-Йорка в Бостон. Он просуществовал целых 5 лет и после этого его создатели выключили его, как самый нерентабельный проект в их истории.

Все мы помним русские народные сказки и то, что сила в вениках. Сообща что-то делать всегда проще, но так же приходится делиться. Компания AT&T Bell Labs решила разделить все тяготы и надежды с гигантом Motorola. Первую трубку они разрабатывали 15 лет и потратили порядка 100 миллионов долларов.

По тем временам сумма неслыханная. Огромная заслуга в создании первого мобильного телефона лежит на инженере Motorola Мартине Купере. Его коллеги рассказывали, что именно его энтузиазм и огромное желание работать помогли довести проект до логического завершения.

Именно Мартин Купер совершил первый звонок с разработанного компаниями телефона. Вы будете смеяться, но сделал он его своим конкурентам. Он вышел на улицу Нью-Йорка и вызывал номер компании, которая продвигала мобильные аппараты для автомобилистов. С гордостью сообщив им о том, что он говорит с простого носимого телефона он с наслаждением услышал скрежет зубов своего оппонента.

После этого ему задавали только один вопрос: «Как было слышно?». На что он с гордостью заявлял: «Превосходно».

Первый мобильный телефон имел такие габариты – 25 см (высота), 12 см (ширина) и 5 см (толщина). Вес трубки составлял около одного килограмма.

На фото Мартин Купер 2007 год

Разумным разрешением всех обстоятельств стало появление первого сотового телефона. Он практически полностью повторял прототип, о котором мы писали выше. Итак, 6 марта 1983 года был выпущен первый в мире коммерческий портативный сотовый телефон. Вышел он из недр корпорации Motorola.

Разработчики наделили его простым именем – DynaTAC 8000X. Трубка получила совсем нескромные габариты 33 x 4,4 x 8,9 см, при этом она весила 794 грамма. Неудивительно, ведь даже дисплей этого чуда инженерной мысли был выполнен в виде светодиодного панно.

Не хватайтесь за сердце, ламповые диоды и логарифмические линейки в комплекте с трубкой не шли. Аккумулятор телефона смог протянуть порядка одного часа в режиме разговора или 8 часов работы в режиме ожидания. На лицевой стороне телефона расположились 12 клавиш, из них 10 цифровых и две для отправки вызова и прекращения разговора.

Важно отметить, что аппарат был первым сертифицирован для коммерческого использования Федеральной комиссией по связи США. Телефон начали продавать. Решение стоило 3.995 долларов. Космическая сумма для начала 80-х годов. Однако за ним выстроились очереди. К сожалению, сейчас нельзя сказать сколько таких мобильников было продано.

Европейцы тоже вели свои эксперименты в области создания первого сотового телефона. Однако уровень инвестиций и результат был более скромным. Хочется выделить всего лишь одну разработку. Она была создана шведскими разработчиками – МТА – Mobiltelefonsystem А (система мобильной телефонии А).

В далеком 1956 году это решение начали массово продавать. За год было реализовано 26 терминалов. Вес последнего составлял порядка 35 килограммов. МТА работала только в двух шведских городах в Стокгольме и Гетеборге. Просуществовала эта мобильная связь совсем не долго.

Мобильная связь

Мобильный телефон как элемент gsm сети

В прошлом нашем материале мы разобрали

. Сегодня для нас остались «сливки» – сам мобильный телефон. Предстоит познакомиться с этим небольшим кусочком пластика, металла и полупроводников. На самом деле, перед нами уникальное устройство. Оно прошло стремительный путь от недосягаемого вожделенного гаждета до любимой игрушки.

Вспомните сумасшедшие 90-е годы прошлого века. Буквально все бредили этой дорогой игрушкой. Он символизировал богатую и шикарную жизнь, где мобильный телефон был не инструментом для связи, а просто атрибутом невероятного достатка. Буквально за десятилетие сотовый аппарат стал доступным утилитарным инструментом нашего общения.

Однако интерес к нему при этом нисколько не упал. Удивительно. Развращенное человеческое естество работает так, что в десяти из десяти случаев, получая в руки желаемое, мы со временем теряем к нему всякий интерес. Наш мозг требует новых сцен и впечатлений, любой застой приводит к скуке и сну.

Пускай это звучит пошло, но мобильник всерьез приковал внимание общественности. Он пользуется любовью и вниманием, которые опередили интерес человечества к автомобилям. Хорошая обувка, например, очень важна и является предметом первой необходимости, но где вы видели, чтобы люди платили деньги за каталоги сандалий?

Режимы работы мобильной станции

Раз уж речь сегодня зашла о мобильных станциях, то необходимо рассказать вам о режимах работы этого устройства. Они перед вами:

• detach- аппарат абонента выключен
• attach- аппарат абонента включен, который в свою очередь делится наследующие режимы:
• IDLE- режим ожидания;
• active – активный режим.

Detach (выключен) бывает явный и не явный. Явный detach когда абонент нажал кнопку отключения телефонного аппарата. Неявный detach – это когда у абонента разрядилась аккумуляторная батарея, или абонент находится вне зоны действия сети. При переходе из режима detach в режим attach происходит регистрация абонента в сети.

Как происходит регистрация абонента в сети? Рассмотрим ситуацию, когда Вы впервые стали абонентом сотового оператора (например, МТС). Вы получили SIM-карту, установили ее в свой мобильный телефон и включили его. Мобильная станция начинает сканировать все частоты (124 частоты)

GSM-900, для того, чтобы определить частоты, которые принадлежат нашей компании. Мобильная станция слушает информацию, передающуюся в эфире по каналам сигнализации. Из всего объема информации для мобильной станции на данном этапе важен мобильный код сети (MNC- Mobile Network Code)

, который в МТС – 01. До 30 удовлетворяющих частот GSM-900 заносятся в виртуальный буфер. После того, как отобраны все «лучшие частоты» GSM-900, начинается сканирование GSM-1800. До 40 частот GSM-1800 заносятся в виртуальный буфер. Из частот двух диапазонов выбираются 6 лучших, которые записываются на SIM-карту.

После того, как частоты выбраны, мобильная станция посылает в сеть приветствие – IMSI (International Mobile Subscriber Identity). Идет запрос базы данных. Происходят процедуры: аутентификация; обновление местоположения абонента. Если эти процедуры проходят успешно, то процедуру регистрации можно считать завершенной.

Как работает телефон в режиме ожидания? В режиме ожидания мобильная станция постоянно отслеживает:

• измерения информации системы, связанные с изменением режима работы сотовой системы;
• измерения, связанные с перемещением мобильной станции;
• команды системы, например, команду подтверждения своей работоспособности;
• получения вызова со стороны сотовой сети (входящие вызовы);
• получение вызова со стороны абонента (исходящие вызовы).

Мобильная станция измеряет и периодически передает на BTS: уровень сигнала BTS «своей» соты и до 16 соседних (смежных) сот; качество сигнала. Кроме того, мобильная станция может периодически подтверждать свою работоспособность, передавая соответствующие сигналы (подтверждение регистрации или уточнение местоположения).

Самое время сделать паузу. В следующей нашей части мы продолжим знакомиться с GSM связью.

Системы мобильной связи

Технические аспекты работы gprs и edge

Итак, GPRS (General Packet Radio Service) – технология пакетной передачи данных, которая позволяет получать и передавать информацию с помощью мобильного телефона на существенно более высоких скоростях по сравнению со стандартным голосовым каналом GSM (9,6 Кбит/с).

• Более высокая скорость передачи данных. Практика показывает, что GPRS позволяет передавать данные на скорости до 80 Кбит/с. Впрочем, на качество связи влияет слишком много факторов. Прежде всего, это качество сигнала от ближней базовой станции. Зачастую пользователям доступна скорость порядка 30 – 50 Кбит/с.
• Плата за фактический объем переданной/принятой информации, а не за время работы в интернете. Вы будете удивлены, но ради эксперимента операторы из других стран предлагали пользователям и временные тарифы через GPRS. У них даже была своя аудитория, но подобный подход провалился, так как не отвечал законам простой логики.
• Ввод новых услуг, что очень важно для оператора, так как насыщенность рынка сотовой связи высока. Рынок голосовых услуг идейно исчерпал себя, а вот сервисы, связанные с передачей данных, только начинают жить. Даже представить сложно, сколько всего можно реализовать в этой области.
• Отсутствие необходимости создания новой сети, так как сеть GPRS — это дооснащение уже существующей сети GSM. Стоимость работ по модернизации сети в 100 раз ниже, чем создание чего-то нового.
• Бережное использование радиоресурсов. Сейчас даже представить себе трудно, что происходит в частотном диапазоне. Если бы мы могли его слышать, то гам азиатского базара показался бы нам тишиной зимнего леса. Обладатели частот абсолютно не хотят делиться ими с другими участниками рынка. Зачем? Ведь завтра за этот товар можно будет получить в несколько раз больше. Так что удобные участки частотного спектра уже давно находятся в надежных руках. И построить новую сеть гораздо дешевле, чем расчистить для нее диапазон. Поэтому бережное отношение к радиоресурсам является жестким требованием современности.

Как происходит увеличение скорости в GPRS-сетях? Благодаря чему для нас открываются новые границы? Увеличение скорости передачи данных при использовании технологии GPRS достигается за счет следующих факторов. Во-первых, в отличие от абонента GSM, где для передачи информации используется только один из восьми TS (time slot), в технологии GPRS теоретически могут использоваться все восемь.

На рисунке представлен пример, когда абоненту GPRS предоставлено четыре TS; один TS отдан под сигнализацию (служебную информацию), остальные три отданы трафиковым (говорящим) абонентам. Абонент GSM всегда имеет приоритет над абонентами, использующими технологию GPRS.

Если появляется еще один трафиковый абонент, то абонент GPRS один свой TS отдает трафиковому абоненту. Появляется еще один трафиковый абонент, и абонент GPRS отдает еще один TS и т.д., пока у абонента GPRS не останется всего лишь один TS. Когда же трафиковый абонент завершит соединение — его TS будет отдан абоненту GPRS.

Также в одном TS могут находиться несколько пользователей GPRS. Пользовательский поток данных разбивается на маленькие пакеты, каждый из которых имеет заголовок, содержащий адрес “отправления” и адрес “назначения”. Таким образом, пакеты от разных пользователей могут быть смешаны в одной “информационной трубе”, обеспечивая использование радиоресурсов лишь на время, необходимое для пересылки пакетов.

Если пакетов нет, то радиоресурсы остаются незанятыми. Например, абонент GPRS использует два TS. Когда подключится еще один абонент GPRS, оба они будут использовать по одному TS. Увеличение скорости передачи информации достигается также за счет использования схем кодирования с пониженной избыточностью.

Помехоустойчивое кодирование позволяет обнаруживать и в значительной мере исправлять ошибки, возникающие при распространении радиосигнала. В отличие от стандарта GSM, где используется одна схема кодирования, технология GPRS предусматривает применение четырех: CS 1 – CS 4 (CS-Coding Schemes).

Схема кодирования с максимальной помехозащищенностью (CS 1) позволяет передавать информацию лишь с наименьшей скоростью. В то время как схема кодирования с минимальной защищенностью (CS 4) обеспечивает максимальную скорость передачи информации. В зависимости от интенсивности помех, автоматически выбирается одна из четырех схем кодирования.

Смена схем происходит динамически, каждый раз при изменении уровня помех. Таким образом, реальная скорость передачи данных в конкретный момент времени зависит от используемой в данный момент схемы кодирования и от количества используемых TS (time slot).

Максимальная скорость передачи данных получается при использовании максимальной схемы кодирования (CS4) и максимального количества используемых TS (8). 21,4х8 = 171,2. Если абоненту отводится четыре TS (как, в основном, и происходит в нашей сети), то максимальная скорость будет 21,4х4 = 85,6.

Теперь нам предстоит решить еще один важный вопрос. Скорее всего, вы уже сталкивались с непонятными обозначениями классов для GPRS-телефонов. Очень мало пользователей реально понимает, о чем идет разговор. Зачастую только производитель может разъяснить вопрос с классом модема своего мобильника.

1.

Класс А: аппараты, работающие и с передачей речи, и с передачей данных одновременно.

2.

Класс В: аппараты, работающие и с передачей речи, и с передачей данных, но по очереди (большинство аппаратов).

3.

Класс С: аппараты, работающие только с передачей данных (как правило, это разного рода компьютерные платы для обеспечения беспроводного доступа к данным).

Также существует следующее деление телефонов GPRS.

Например, телефон GPRS класса 10 означает, что такой телефон может принимать информацию, используя четыре TS, а передавать – используя два TS. Но максимальное количество TS – пять, поэтому телефон работать по схеме 4 2 никогда не будет (четыре TS – на прием информации и два TS – на передачу).

Телефон будет работать по схемам: либо 4 1, либо 3 2. Все оказалось не так сложно.

Следующий вопрос, с которым мы познакомим наших читателей, это структура сети GPRS. Разумеется, ввод технологии GPRS требует добавления некоторых элементов в уже существующую сеть GSM. Ключевые компоненты сети GPRS:

• PCU (Packet Control Unit) — устройство управления пакетами, взаимодействует с контроллером базовых станций BSC (Base Station Control) и отвечает за направление трафика данных непосредственно от BSC к SGSN.
• SGSN (Serving GPRS Support Node) — сервисный узел поддержки GPRS, контролирует доставку пакетов данных пользователям; взаимодействует с HLR, проверяя, разрешены ли запрашиваемые пользователями услуги; ведет мониторинг находящихся в онлайне пользователей; организует регистрацию вновь проявившихся в зоне действия сети абонентов.
• GGSN (Gateway GPRS Support Node) — шлюзовой узел поддержки GPRS, отвечает за переход во внешние сети; маршрутизацию данных, идущих от и к абоненту через SGSN; обеспечение безопасности; обработку счетов абонентов; динамическое выделение IP-адресов.

Итак, мы идейно подошли к логическому расширению GPRS до рамок EDGE. Именно на него стараются сделать свой упор многие современные сотовые операторы. Хотя бытует мнение, что необходим качественно новый скачок, который раскроет новый быстрый интернет для абонентов сотовых сетей.

Скорее всего, многие уже поняли, о чем речь, но сегодня мы выводим такие дискуссии за рамки этой статьи.

EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution) — является эволюционным развитием GSM/GPRS, теоретически обеспечивающим беспроводную передачу данных со скоростью до 473,6 Кбит/с.

Реально достижимая средняя скорость передачи данных составляет 100 – 120 Кбит/с, с пиковыми значениями до 230 Кбит/с. Во многом скорость передачи данных в сети с поддержкой технологии EDGE зависит от типа мобильного телефона.

Существует идентичная GPRS-техника распределения таймслотов (TS) между каналами на прием и передачу.

Одно из преимуществ этой техники в том, что максимальная скорость передачи информации в одном таймслоте (TS) составляет 59,2 Кбит/с (против 9,6 Кбит/с у GSM и 21,4 – в GPRS). В зависимости от качества связи, предусмотрено девять схем кодирования: от MCS-1 до MCS-9 (последняя обладает наименьшей избыточностью кодирования, соответственно – самой большой скоростью передачи данных).

Энциклопедия мобильной связи. в 2 томах. том 1. мухин а.м., чайников л.с.