Все-симки.ру “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.
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.
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.
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.
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.
Gsm и компьютер
Поскольку эта тема выходит за рамки настоящей статьи, однако очень интересна и актуальна, то в нескольких словах на самом простейшем уровне, думается, стоит ее коснуться.
Рассмотрим пример необходимого оборудования для соединения трубки с компьютером. Для этого необходимо наличие ноутбука, имеющего слот для подключения PC Card Type2, мобильный аппарат, специальный адаптер, вставляющийся в слот самой PC Card Type2 и транслирующий входящие/исходящие пакеты в/из сотового телефона, и, конечно же, соединительный шнур “мобильный аппарат-адаптер”.
Кроме всего этого, естественно, потребуется установка специального программного обеспечения на компьютер, к которому подключается аппарат. Итак, адаптер распознается системой как обычный модем, благодаря чему и происходит передача данных. В адаптере, который модемом в традиционном понимании этого устройства не является, поток данных разбивается на последовательность фреймов по 200бит, которые передаются блоками по 240бит, где дополнительные 40бит – это служебная информация, необходимая для контроля качества и коррекции ошибок. Скорость передачи данных пользователя при этом составляет 9600bps.
Кроме вышеописанного метода, возможен вариант аналогичного типа соединения, но по инфракрасному протоколу, интерфейсным оборудованием которого снабжены большинство новых моделей трубок – блок интерфейса порта инфракрасной связи, состоящий из ИК-приемопередатчика и “PIN-окна”.
Со стороны ПК так же необходимо интерфейсное оборудование: в случае современных ноутбуков этого может и не понадобиться, а в случае обычного ПК необходимо будет приобрести интерфейсную колодку, или внешний модуль, подключаемый к СОМ-порту, или специальную плату расширения, плюс кабель с оптоэлектронной частью для каждого из рассматриваемых вариантов.
Слой соединения GSM непосредственно с обычной телефонной сетью поддерживает протоколы передачи данных в V.21, V.22, V.22bis, V.23, V.26ter, V.32 и протокол коррекции ошибок и сжатия данных MNP5. Поскольку данные по сети GSM передаются в цифровом виде, а модем на другом конце обычной коммутируемой линии работает только с аналоговыми сигналами, адаптер, рассматриваемый в первом примере, формирует такую последовательность данных, которая воспринимается модемом как обычные телефонные сигналы, в том числе несущая сигнала “занято” и т.д.
Gsm под увеличительным стеклом
Когда абонент начинает вести разговор, его аппарат вещает в полосе частот 890–915 МГц и получает отзыв от базовой станции в полосе частот 935–960 МГц. При переключении каналов во время сеанса связи разность между этими частотами постоянна и равна 45 МГц. Разнос частот между соседними каналами связи составляет 200 кГц. Таким образом, в отведённой для приёма/передачи полосе частот шириной 25 МГц размещается 124 канала связи. (Именно эти каналы стали предметом торга между операторами. Вспоминается выход Мегафона на московский рынок связи, когда недостающие каналы приходилось брать у конкурентов или у спецслужб.). В стандарте GSM используется многостанционный доступ с временным разделением (уплотнением каналов – TDMA), что позволяет на одной несущей частоте разместить 8 речевых каналов (можно говорить 8 тайм-слотов) одновременно. В качестве речепреобразующего устройства используется речевой кодек RPE – LTP с регулярным импульсным возбуждением и скоростью преобразования речи 13 Кбит/с. Несложно подсчитать, сколько пользователей одновременно может находиться в эфире в пределах одной базовой станции. Именно с этим и связаны перегрузки сети в некоторых местах, где пользователи единовременно пытаются поговорить между собой, например, на концертах или праздничных городских мероприятиях. Пути решения проблемы очевидны – установить больше базовых станций.
Идеальных радиоканалов не существует – помехи являются неотделимым спутником связи, даже цифровой. Для защиты от ошибок, возникающих в радиоканалах, применяются блочное и свёрточное кодирование с перемежением. Повышение эффективности последнего при малой скорости перемещения подвижных станций достигается медленным переключением рабочих частот в процессе сеанса связи (со скоростью 217 скачков в секунду). Интерфейс связи построен так, что если кодек не может правильно развернуть информацию с голосом абонента, то появляются пропадания звука (говорят о потере пакетов данных).
Ключевым параметром связи всегда оставалась её дальность. Ответим сразу: GSM 900 сотовый телефон может общаться с базовой станцией на расстоянии до 35 км. Это связано с работой технологии TDMA – каждой мобильной станции выделяется тайм-слот в 0.577 миллисекунд (точнее говоря, работает отношение 15/26), за это время мобильная станция должна успеть ответить. Так как скорость распространения радиоволн конечна (300 тысяч км/сек), то максимальное расстояние вычисляется очень просто и составляет эти самые 35 км. Впрочем, если теоретическое вычисленное значение выглядит очень красиво, то в реальности всё обстоит несколько хуже. Для GSM-900 существует 5 классов мощности сотовых аппаратов: 1-й – 20 Вт, 2-й – 8Вт, 3-й – 5 Вт, 4-й – 2 Вт и 5-й – 0.8 Вт. Реально мы не встречали ни одной носимой трубки с мощностью больше 2 Вт. Пробить расстояние в 35 км при таких характеристиках невозможно. Если увеличить мощность базовой станции достаточно просто – надо установить трансформатор побольше и договориться с органами надзора, то дать каждому пользователю генератор или кислотный пятидесятикилограммовый аккумулятор за спину не представляется возможным. Против абонента сотовой сети играет буквально всё: погода, рельеф, инфраструктура и многое другое. Так что реальное расстояние, на котором связь возможна в каждом конкретном случае, достигается простым экспериментом с сотовым телефоном. Наш очень субъективный опыт работы с мобильными телефонами говорит в пользу немецкого производителя Siemens. Инженеры этой компании делают очень хорошие передатчики. Подчеркиваю, что это лишь субъективное мнение. Чувствительность трубок зачастую сильно отличается даже в пределах одной партии.
Чем же отличаются GSM-1800, GSM-1900 и GSM-900? С точки зрения передачи данных, только рабочими частотами. Разумеется, есть нюансы. В диапазонах 1800 и 1900 частотное планирование выполняется более гибко. Для 1800 диапазона максимальная дальность связи (расстояние между сотовым телефоном и базовой станцией) может достигать только 10 км. Проникающая способность радиоволн более высокого частотного диапазона существенно отличается от GSM 900. Принято считать, что в городских джунглях GSM 1800 работает лучше. Единовременная ёмкость базовой станции более высокого диапазона выше. Впрочем, однозначного ответа на вопрос «Что лучше?» нет и быть не может. Частотный диапазон живёт своими абонентами и поддержкой производителей сотовых телефонов. Хорошо, что у операторов есть возможность лавировать между диапазонами. В некоторых регионах возможности по канальному развитию в GSM 900 просто нет. Приходится как-то решать свои проблемы – либо частоты перекупаются у конкурентов, либо их приходится получать от спецслужб (которые давно и серьёзно облюбовали эти частотные диапазоны), предоставляя им взамен что-то другое.
Сети стандарта GSM умеют передавать данные. Изначально эта возможность закладывалась в них разработчиками в далеких 80-х годах прошлого века. Тогда никто и подумать не мог о развитии коммуникаций в ближайшие десятки лет. Сейчас GSM может предоставить вполне конкурентоспособные сервисы, которые выведут абонентов во Всемирную Паутину и позволят переслать факсимильное или е-mail сообщение. Сеть GSM даёт пользователю возможность вывести свой компьютер в Интернет, используя сотовый телефон как устройство передачи данных. Кроме этого, современный мобильный телефон сам является web-браузером, ICQ-клиентом и даже файл-сервером. Однако обо всём по порядку.
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 к всевозможным ухищрениям по увеличению прокачиваемого потока данных.
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 лучшим 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.
Сейчас можно безапелляционно заявить, что EDGE стал будущим для сотовой связи в России. Для его реализации необходимы вложения. Нужно аппаратно модифицировать сеть. Например, стоимость работ по апгрейту сети GSM для Санкт-Петербурга составляет 40 миллионов долларов. Разумеется, сумма эта зависит от существующей аппаратной и программной платформ. После введения EDGE в строй оператор может предлагать пользователю услуги качественно нового уровня, например, видеотрансляцию, действительно быстрый Интернет и т.д. Скорость 384 Кбит/с позволяет EDGE-сетям конкурировать с сетями третьего поколения, которые пока только ходят по Европе и стучатся в двери. Развёртывание последних стоит существенно дороже, чем обновление существующих до EDGE. Поэтому на ближайшие несколько лет мы делаем ставку только на EDGE.
Производители сотовых телефонов начали поставлять трубки с EDGE на мировой рынок только с этого года (несколько аппаратов прошлого года не в счёт). Наибольший интерес к технологии проявляет финская компания Nokia – практически все её новинки имеют поддержку EDGE. Ожидается, что к концу года доля трубок с EDGE составит не менее 30 процентов на рынке.
Второе поколение сотовой связи
В 1982 году Европейская конференция почтовых и телекоммуникационных ведомств начала разрабатывать стандарт GSM. Вскоре его начали называть 2G-связью. Изначально GSM предназначался для стран-членов Европейского института стандартов в телекоммуникации.
Но позже разработкой заинтересовались Средний Восток, Африка, Азия и Восточная Европа. Коммерческий релиз сетей стандарта GSM состоялся в 1991 году. Цифровой метод передачи данных позволял абонентам обмениваться SMS-сообщениями. А чуть позже им стал доступен выход в Интернет через протокол WAP.
Этот стандарт покорил не всех. Некоторые государства пошли по своему пути. Например, в США многие 2G-сети использовали стандарт D-AMPS. Лишь спустя какое-то время американцы перешли на GSM1900. А в некоторых странах надолго завоевал популярность стандарт CDMA. Он не был совместим с GSM, поэтому под него разрабатывались отдельные мобильные телефоны.
Постепенно на прилавках магазинов стало появляться всё большее количество портативных устройств, умеющих выходить в глобальную паутину. В связи с этим сотовым операторам нужно было что-то делать, так как в 2G остро не хватало скорости передачи данных.
Поэтому вскоре появилось промежуточное поколение сотовой связи, которое принято называть 2,5G. В этот стандарт внедрили поддержку технологии GPRS, а затем и EDGE. Отныне мобильным телефоном осуществлялась пакетная передача данных — абонент платил за конкретный объем трафика, а не за время соединения с сервером.
Это не только сэкономило людям деньги, но и увеличило скорость передачи и приема данных. В 2G-сетях этот параметр равнялся 9,6 Кбит/с, тогда как поддержка телефоном поколения 2,5G позволяла выходить в интернет на скорости до 170 Кбит/с (GPRS) или даже 384 Кбит/с (EDGE). В некоторых странах эти две технологии называли совершенно по-разному, но суть от этого не менялась.
Выше вы видите табличку, в которой указаны конкретные отличия всех стандартов, принадлежащих к поколениям 2G и 2,5G.
Первое поколение сотовой связи
Сейчас самое первое поколение сотовой связи принято называть 1G. Но в годы действия этих сетей никто о таком понятии не подозревал, тогда многие люди не думали о том, что в ближайшем будущем сотовая связь станет совсем другой. Итак, что же представляло собой первое поколение?
Фактически это была аналоговая связь. Её запуск был осуществлён компанией AT&T, а первый звонок состоялся 3 апреля 1973 года — его совершил Мартин Купер, являвшийся главой мобильного подразделения Motorola. Как и в случае со стационарной аналоговой связью, теоретически сотовый телефон можно было задействовать в качестве модема. Но решиться на это мог только какой-нибудь миллионер, ведь минута разговора в те времена стоила огромных денег.
Как и в случае с последующими поколениями, 1G — это лишь название, объединяющее под собой несколько разных стандартов. В Канаде, США, Австралии, а также Южной и Центральной Америке применялся стандарт AMPS. В странах Скандинавии и некоторых государствах получил распространение стандарт NMT и его разновидности.
Ну а в Италии, Испании, Англии, Австрии, Ирландии и Японии применялось сотовое оборудование стандарта TACS. И это только три самых популярных варианта реализации сетей! Все эти стандарты были совершенно несовместимы друг с другом. Поэтому британец, приехавший в Америку, не мог разговаривать по своему собственному телефону.
Друг от друга разные стандарты отличались не только диапазоном частот, но и радиусом соты, мощностью передатчика, временем переключения на границе соты и соотношением сигнала к шуму. Подробнее со всеми спецификациями вы можете ознакомиться в прилагающейся табличке.
Обычным людям сотовая связь первого поколения стала доступной далеко не сразу. Первое десятилетие некоторые компании занимались только экспериментами. Коммерческая реализация произошла только в 1984 году. Достаточно быстро стало ясно, что аналоговая сотовая связь имеет ряд недостатков.
Во-первых, каждая сота имела малую ёмкость — при подключении к ней большого количества абонентов начинались серьезные проблемы. Во-вторых, качество сигнала было далеко от идеала, особенно если абонент находился не на улице, а в здании. Первыми об этих проблемах задумались европейцы. Они начали разрабатывать цифровую связь.
Четвертое поколение сотовой связи
В конце 2000-ых годов на свет стали появляться «айфоны» и «андроиды». Эти смартфоны отличались от предшественников крупным ЖК-дисплеем. Теперь уже никому не хотелось просматривать скромные WAP-странички. Отныне встроенных комплектующих вполне хватало для того, чтобы браузер без каких-либо проблем отображал полноценную страницу, насколько бы тяжелой она не было.
Результатом работы ученых стали два стандарта: WiMAX и LTE. Сейчас вы сами знаете о том, какой из них получил наибольшее распространение. Внедрение LTE позволило существенно увеличить емкость каждой соты, хотя ареал её действия при этом уменьшился.
Теперь минимальная скорость передачи данных составляла 100 Мбит/с, чего хватает большинству среднестатистических владельцев смартфон. В дальнейшем этот параметр вырос ещё сильнее. Случилось это за счет реализации технологии LTE-Advanced. В зависимости от категории поддерживаемой аппаратом технологии, может достигаться скорость 400 Мбит/с или даже 1 Гбит/с!
В отличие от предыдущих поколений, стандарт LTE изначально предназначался только для пакетной передачи данных. Но со временем стала доступной и цифровая передача голоса — за это ответственна технология VoLTE. Качество звука при этом гораздо выше, нежели при разговоре посредством сетей 2G или 3G. Однако до сих пор эту технологию поддерживают далеко не все смартфоны.
