Запускаем GSM-сеть у себя дома / Хабр

Почему по сотовому мы можем говорить одновременно

ТВ-вещание либо радиовещание — это симплексная связь, то есть односторонняя. Один источник сигнала облучает какую-то местность, и все приёмники в этой местности «слышат» этот сигнал. 

Сотовая связь — это дуплексная связь, двусторонняя. В сотовой связи есть «канал вверх» и «канал вниз», они так и называются — uplink и downlink. Вниз — это канал к абоненту, потому что вышка обычно выше него, а вверх, соответственно, от абонента туда, наверх, в сторону вышки.

Два самых популярных способа разделения — это frequency division duplex и time division duplex, FDD и TDD соответственно. Классическая сотовая связь построена на FDD, когда у тебя на одной частоте телефон принимает, а на другой передаёт. То есть у тебя словно два радио на разных частотах: по одному ты передаёшь сигнал, по другому — передаёт вышка.

TDD — это то, что мы сейчас делаем. Пока я говорю, ты молчишь, когда ты говоришь, я молчу. Когда все начинают говорить одновременно, происходит интерференция — становится плохо слышно, у тебя начинает квакать телефон.

Стандартный TDD в сотовой связи построен на фреймах, где длина одного фрейма в 4G — 10 миллисекунд, в 5G — до одной миллисекунды. Дальше 10 миллисекунд разбиваются на uplink и downlink, ты 5 миллисекунд говоришь и 5 миллисекунд слушаешь. Это настолько мало, что тебе кажется: ты в любой момент можешь начать говорить, не надо ждать собеседника.

«плохие» и «хорошие» операторы – решение задачки

Самый популярный спорт в сети – это что-то доказать незнакомцу, например, что его оператор плохой, а вот вы сделали правильный выбор. Эта задачка не имеет решения, так как в ней слишком много переменных. Как люди оценивают качество оператора? Поделюсь секретом, который таковым не является.

Большинство людей смотрит на то, как оператор работает в двух точках – у них дома и на работе. Это два места, где человек проводит большую часть своей жизни, а значит, связь в них наиболее важна. Посещение кафе или ресторана, где плохой прием, никак не скажется на восприятии оператора, обычно люди даже не замечают, что им не дозвонились.

Связь во все времена носила вероятностный характер, даже когда она была проводной. Ни один оператор в мире не мог обеспечить одновременное соединение всех своих абонентов, предполагалось, что вероятность такой ситуации стремится к нулю. Поэтому все рассчитывали емкость сети, исходя из пиковых нагрузок и делая небольшой, точно просчитанный запас емкости, предполагая, что сеть будет расти.

С появлением мобильной связи операторы встали перед сложной задачей, им необходимо было точно рассчитать пиковые нагрузки, а также сделать свою услугу конкурентной, не перестараться и не вложить (точнее, вкопать или повесить на столбы, кому как нравится) слишком много денег.

Давайте взглянем на статистику от Роскомнадзора, который учитывает число базовых станций у всех российских операторов. Данные за 2022 год появились в конце марта 2022 года, это самые свежие цифры на момент публикации статьи.

Запускаем GSM-сеть у себя дома / Хабр

Можно ли из количества базовых станций сделать вывод о том, какой оператор лучше? Если подходить к вопросу в лоб, упростить ситуацию, то выиграть должен тот оператор, что имеет наибольшее число станций. Ведь в этом случае он может обеспечить связь в большем числе мест, с лучшим качеством.

Будь у нас только один стандарт связи, например, 2G, и такие рассуждения были бы верны. Но ведь у нас одновременно есть 2G для голоса, 3G/4G и их промежуточные версии для передачи данных, а также голоса (3G, а также появляется Voice over LTE). В теории выигрыш у того оператора, что имеет сбалансированное число как станций 2G, которые обеспечивают хорошее покрытие голоса и SMS, так и 3G/4G-станций.

Давайте на минутку отвлечемся и вспомним про пробки на дорогах. Очень часто люди заглядывают в навигатор, который пишет, что на дорогах кошмар и пробки составляют десять баллов. Мрак! Можно забыть о машине и пересаживаться на общественный транспорт. Но всегда ли это так?

Зачастую на вашем маршруте пробки не так ужасны, и вы можете добраться до нужно места за считанные минуты. Этот пример хорошо объясняет, что даже «плохой» оператор может работать в двух точках, которые вам нужны, и делать это хорошо. Что создает обманчивое впечатление того, что у него все так же хорошо и в других районах города или страны.

Когда мы говорим о качестве связи, то любой оператор в отдельных точках может быть как очень хорошим, так и очень плохим. Это всегда вероятность, которую сложно предугадать. Можно подобрать места так, что даже оператор с наилучшим покрытием покажет плачевные результаты.

Крайне важно при выборе оператора смотреть на то, какие услуги он предлагает. Не просто слышать про 4G, 4G или иные маркетинговые термины, но понимать, какие скорости достижимы на практике и в чем есть подводные камни. Насколько хорошо работает голосовая связь.

Также следует понимать, что большая тройка и примкнувший к ним Теле2 имеют сравнимые тарифные предложения, в течение года вы не выгадаете ничего, переходя от одного оператора к другому. Более того, конкуренция так высока, что за год ваши расходы при одинаковом профиле пользования услугами связи будут скорее всего сравнимы. В большинстве ситуаций отличия мнимые, завязаны на маркетинг конкретного оператора.

Если цены плюс-минус одинаковы, то как же выбрать оператора? Поделюсь своим подходом, возможно, он вам покажется рациональным и вы назовете его выбором от Муртазина. Я выбираю и выбирал оператора исходя из числа базовых станций и количества современных станций, которые объединены высокоскоростной оптикой.

Я постоянно мотаюсь по стране, для меня важно получать сравнимое качество связи в каждой точке или, точнее, иметь высокую вероятность получить такую связь. В моем неформальном рейтинге всегда лидировал МегаФон, так как инвестиции в сеть начиная с 2008 года были максимальными, компания подобралась к теоретическому максимуму базовых станций для всех территорий в России, развивать сеть в тех же темпах бессмысленно, нужно уже проводить еще более тонкую настройку сети.

Но компания продолжает расширять сеть и вкладывает в нее деньги, активно и первой развивает станции новых поколений. Второе место традиционно занимает и занимал МТС, который в 2022 году совершил рывок и строил очень много базовых станций по стране, чтобы выйти по их количеству на первое место.

Условной второй группой выступают Билайн и Теле2, причем второй догоняет первого, и очень агрессивно. Качество и количество БС у этих компаний сильно отличается от первых двух игроков. И поэтому, когда мне рассказывают о том, что они ничуть не хуже, чем МегаФон или МТС, я всегда ухмыляюсь. Вероятность этого не подтверждается цифрами, пока это игроки другого уровня.

Безусловно, у вас может быть совсем другой подход и вам не нравится тот или иной оператор, вы считаете, что вам ближе другая компания. Это вкусовщина, и она всегда была и есть. Но не нужно тогда говорить о том, что это подтверждается качеством сети и ее работы. Это не так.

Небольшая ремарка относительно различных «исследований» качества сети, которые как будто что-то подтверждают. Все операторы без исключения публикуют такие «исследования», иногда это делают «независимые» игроки, но результаты всегда трактуются в пользу того или иного оператора.

Антенны базовых станций. заглянем внутрь

В сотовой связи чаще всего используют секторные панельные антенны, которые имеют диаграмму направленности (ДН) шириной в 120, 90, 60 и 30 градусов. Соответственно, для организации связи во всех направлениях (от 0 до 360) может потребоваться 3 (ширина ДН 120 градусов) либо 6 (ширина ДН 60 градусов) антенных блоков. Принцип работы сотовой связи - фотография 161

А ниже вид типовых диаграмм направленности в логарифмическом масштабе.

Большинство антенн базовых станций широкополосные, позволяющие работать в одном, двух или трех диапазонах частот. Один из эффективных методов управления излучаемой мощностью – это управление углом наклона антенны, что позволяет изменить площадь облучения диаграммы направленности.

Антенны могут иметь фиксированный угол наклона, либо имеют возможность дистанционной регулировки с помощью специального программного обеспечения, располагаемого в блоке управления БС, и встроенных фазовращателей. 

С учетом современных реалий развития беспроводных технологий, базовые станции должны поддерживать работу 2G, 3G и LTE сетей. И если блоки управления базовых станций сетей разных поколений удается вместить в один коммутационный шкаф без увеличения габаритного размера, то с антенной частью возникают значительные трудности.

Например, в многодиапазонных антенных панелях количество коаксиальных соединительных линий достигает 100 метров! 

С целью снижения электрических потерь и уменьшения точек пайки часто делают микрополосковые линии, это позволяет выполнить диполи и систему запитки всей антенны по единой печатной технологии. 

Закупаемся

Запускаем GSM-сеть у себя дома / ХабрТелефоны

на чипсете TI Calypso проще всего будет поискать на сайтах бесплатных объявлений в Вашем городе. Цена варьируется от 300 до 700 рублей в зависимости от состояния и наличия зарядного устройства. Вероятность купить в России телефон, предназначенный для западных GSM диапазонов очень мала, но если Вы решите покупать его за границей, то рекомендую обратить внимание на рабочие GSM диапазоны. Вам нужны телефоны, работающие с 900 Мгц и 1800 Мгц, если Вы проживаете в России.

Список поддерживаемых моделей можете посмотреть тут.

Возможно есть и другие совместимые телефоны, в частности, Motorola c113 и c113a полностью совместимы с OsmocomBB, хоть и не представлены на официальном сайте.

SIM-карты не нужны.

USB-TTL конвертеры могут работать на чипах CP2102, FT232 или PL2303.

Я рекомендую использовать CP2102 так как при помощи специализированной утилиты можно заставить работать этот конвертер на нестандартных скоростях, что требуется для некоторых веток OsmocomBB.

Приобрести его можно от 100 рублей на ebay или aliexpress, либо в 2-3 раза дороже в более-менее крупных магазинах радиоэлектроники. Второй вариант предпочтительнее, если Вы не хотите ждать.

Провод, соединяющий компьютер с телефоном может выглядеть по-разному, но я рекомендую купить 2.5 мм джек в магазине радиодеталей
Запускаем GSM-сеть у себя дома / Хабр

UPD: На фото, как позже заметили, изображен джек с 4 пинами, вам нужен с 3, самый обыкновенный!

и провода с коннекторами, вроде тех, что часто используют для Arduino или Raspberry Pi.
Запускаем GSM-сеть у себя дома / Хабр

При отсутствии вторых, можно придумать что-то свое. Ваша задача соединить выводы Tx, Rx, GND конвертера с контактами джека следующим образом:

Читайте про операторов:  Усилители сигнала сотовой связи и интернета - рейтинг 2022 усилителей сотового сигнала.

TxD подключить к наконечнику джекаRxD подключить к среднему контакту джекаGND подключить к нижнему контакту джека.

Можно взять связку из трех проводов, откусить коннекторы с одного конца и припаять оставшиеся провода с коннекторами на одном конце к выводам джека.

Обратите внимание, что для запуска сети с поддержкой голосовых вызовов вам потребуется 2 телефона, 2 конвертера и 2 готовых провода.

Запуск

Подключаем оба телефона к компьютеру и проверяем их доступность.

ls -l /dev/ttyUSB*


Вы должны увидеть ttyUSB0 и ttyUSB1.

Далее каждую команду нужно выполнять в отдельном терминале.

В синтаксисе osmocon у Вас могут быть отличия. Например в вашем случае может быть compal_e86 или e87 и не c123xor, а что-то другое.

Инициализируем первый трансивер

cd /root/osmocom/trx/src
host/osmocon/osmocon -m c123xor -p /dev/ttyUSB0 -s /tmp/osmocom_l2 -c target/firmware/board/compal_e88/trx.highram.bin -r 99

Коротко нажимаем на кнопку включения телефона, который был подключен первым. После окончания загрузки на экране телефона Вы увидите надпись TRX.

Инициализируем второй трансивер

cd /root/osmocom/trx/src
host/osmocon/osmocon -m c123xor -p /dev/ttyUSB1 -s /tmp/osmocom_l2.2 -c target/firmware/board/compal_e88/trx.highram.bin -r 99


Коротко нажимаем на кнопку включения телефона, который был подключен вторым. После окончания загрузки на экране телефона Вы увидите надпись TRX.

Настраиваем трансиверы на следование таймеру коммерческой BTS

Вместо ARFCN вы должны указать номер канала, на котором работает коммерческая базовая станция с хорошим сигналом. Опять же, может быть найдена при помощи RSSI или cell_log.

cd /root/osmocom/trx/src/host/layer23/src/transceiver/
./transceiver -a ARFCN -2 -r 99

Запускаем MSC, HLR и СМС-центр

cd /root/.osmocom
osmo-nitb -c ~/.osmocom/open-bsc.cfg -l ~/.osmocom/hlr.sqlite3 -P -C --debug=DRLL:DCC:DMM:DRR:DRSL:DNM

Запускаем базовую станцию

cd /root/.osmocom
osmo-bts-trx --debug DRSL:DOML:DLAPDM -r 99

Все компоненты GSM сети теперь должны быть в рабочем состоянии и Вы готовы стать первым абонентом!

Как работает мобильная связь: ликбез

Обратите внимание на промышленные здания, городские высотки и специальные вышки. На них располагаются большие серые прямоугольные блоки с торчащими антеннами разных форм. Это приемо-передающие операторов сотовой связи. От антенны сигнал по кабелю передается непосредственно в управляющий блок станции. Вместе они и образуют базовую станцию [антенны и управляющий блок].

В свою очередь, контроллеры кабелями подключены к «мозговому центру»  – коммутатору. Коммутатор обеспечивает выход и вход сигналов на городские телефонные линии, на других операторов сотовой связи, а также операторов междугородней и международной связи.

Принцип работы сотовой связи - фото 59Принцип работы сотовой связи - фотография 60

Несмотря на своё название, пчёлы в функционировании сотовой связи никак не задействованы. Сотовой связь называется потому, что территория, на которой обеспечивается связь, разбивается на отдельные ячейки или соты.

Соты формируют многочисленные базовые станции – это совокупности антенн, расположенные где-то на крышах зданий.

Каждая такая станция способна поймать сигнал от сотового телефона на расстоянии до 35 километров.

Антенна базовой станции разбита на несколько участков, каждый из которых направлен в свою сторону.

Антенна может включать в себя до шести секторов, каждый из которых в состоянии обрабатывать до 72 звонков одновременно.

То есть теоретически одна базовая станция может обрабатывать до 432 звонков, правда на практике используется меньшее количество секторов антенны.

Провода от антенн тянутся в специальный домик, который по сути и является базовой станцией.

Физически она выполнена в виде двух железных шкафов, установленных в помещениях с хорошей системой вентиляции.

Как правило, базовые станции устанавливаются на чердаках или крышах в специальных контейнерах.

За городом антенны базовых станций как правило устанавливают на антенно-мачтовых сооружениях.

Это наиболее эффективный способ обеспечить связью трассы и большие территории за пределами города.

В этом случае базовые станции располагаются в специализированных вагончиках около вышек.

Провода спускаются от антенн и проникают в помещение.

С базовых станций вызов переводится на центральный контроллер, где и происходит установление соединения с нужным абоненту направлением.

Контроллер и базовая станция связываются по оптическому или радиорелейному каналам. Один контроллер способен обслуживать до шестидесяти базовых станций.

Ниже вы можете увидеть, что из себя представляет коммутатор:

Коммутаторы размещают в больших помещениях, заполненных металлическими шкафами с оборудованием.

Задача коммутатора состоит в управлении трафиком. Если раньше чтобы поговорить друг с другом, абонентам нужно было сначала связываться с телефонисткой, которая затем вручную переставляла нужные провода, то теперь с ее ролью отлично справляется коммутатор.

Многодиапазонные антенны

С развитием сетей связи третьего и четвертого поколений требуется модернизация антенной части как базовых станций, так и сотовых телефонов. Антенны должны работать в новых дополнительных диапазонах, превышающих 2.2 ГГц. 

В качестве примера рассмотрим конструкцию излучателей двухдиапазонной антенны базовой станции сотовой связи Powerwave, работающей в диапазонах 824-960, МГц и 1710-2170, МГц. Ее внешний вид показан на рисунке ниже:

Этот двухдиапазонный облучатель состоит из двух металлических пластин. Та, что большего размера работает в нижнем диапазоне 900 МГц, над ней расположена пластина с щелевым излучателем меньшего размера. Обе антенны возбуждаются щелевыми излучателями и таким образом имеют единую линию запитки.

Если в качестве излучателей используются дипольные антенны, то необходимо ставить отдельный диполь для каждого диапазона волн. Отдельные диполи должны иметь свою линию запитки, что, конечно же, снижает общую надежность системы и увеличивает энергопотребление. Примером такой конструкции является антенна Kathrein. Проектирование многодиапазонной антенны производят поэтапно.

Широкополосная антенна типа “бабочка” может быть удачно использована как основа для трехдиапазонной печатной антенны. На рисунке ниже изображены четыре различных варианта ее конфигурации.

Приведенные конструкции антенн отличаются формой реактивного элемента, который применяется для расширения рабочей полосы частот по согласованию. Каждый слой такой трехдиапазонной антенны представляет собой микрополосковый излучатель заданных геометрических размеров. Чем ниже частоты – тем больше относительный размер такого излучателя.

Таким образом, диполи для нижнего диапазона частот находятся как бы внутри диполей верхнего диапазона.

Для реализации трех- и более диапазонного режимов работы наибольшей технологичностью обладают печатные многослойные антенны. В таких антеннах каждый новый слой работает в довольно узком диапазоне частот. Такая “многоэтажная” конструкция изготавливается из печатных антенн с индивидуальными излучателями.

Мобильная связь

Важное явление, которое приходится учитывать при создании сотовых систем подвижной радиосвязи – отражение радиоволн, и, как следствие, их многолучевое распространение. 

           “АНАТОМИЯ”

Передача данных осуществляется по радиоканалам. Сеть GSM работает в диапазонах частот 900 или 1800 МГц. Например, при диапазоне 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.

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.

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).

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.

Стандарт — дело тонкое

В России, как и в других странах, одновременно действует целый зоопарк разных стандартов. Это необходимо, прежде всего, для сохранения работоспособности всех мобильных терминалов, в том числе телефонов, работающих только в GSM, и даже древних трубок, работающих только в одном из двух диапазонов GSM.

Из основных стандартов (служебная TETRA и прочая экзотика не в счёт) у нас работает GSM в диапазонах 900 и 1800 МГц, сети UMTS (3G) в диапазонах 900 и 2100 МГц, LTE (4G) двух разновидностей (FDD и TDD) в нескольких частотных диапазонах и CDMA (Скайлинк)

в диапазоне 450 МГц. По мере роста распространённости терминалов с поддержкой 3G и 4G операторы начинают «отбирать» у своих сетей GSM часть полос и запускать на этих полосах LTE (4G). Это рационально и необходимо, так как современные стандарты 3G и LTE (4G) позволяют на той же полосе частот обслужить намного больше абонентов.

А преимущество стандарта LTE ещё и в том, что он позволяет объединять и совместно использовать несколько полос частот в разных диапазонах. Это и есть LTE Advanced (LTE-A) с агрегацией частот. Такой «частотный бутерброд» резко повышает эффективность и позволяет добиться фантастических скоростей передачи данных.

Например, в московской сети МегаФон увидеть больше 200 Мбит/с вполне реально. К сожалению, поддерживающих технологию LTE-A смартфонов и роутеров пока сравнительно мало, но это вопрос времени. Ошибочно полагать, что такие современные и скоростные сети доступны только в Москве, в том же МегаФоне сети LTE-A уже есть в пятнадцати городах России.

Стандарт LTE, конечно, объективно лучше, чем UMTS и, тем более, лучше, чем GSM. Позволяет обслуживать намного больше абонентов на тех же частотах и обеспечивает совсем другие скорости передачи данных. Но «счастье» не только в самом стандарте, но и в используемом диапазоне частот.

Общее правило: чем ниже частота, тем лучше проникновение сигнала через стены зданий и тем больше «дальнобойность» базовых станций и терминалов. Самая низкая частота в России у Скайлинка (450 МГц), благодаря этому небольшим количеством базовых станций можно «накрывать» обширные территории, сигнал Скайлинка часто присутствует в такой глуши, куда не пока не дотянулся никто из остальных операторов.

Беда в том, что стандарт Скайлинка (CDMA 450) поддерживает считанное количество китайских телефонов и смартфонов. В обозримом будущем возможен переход на LTE в этом диапазоне и появление поддержки этого диапазона в большинстве современных смартфонов. Всё очень непросто и взаимосвязано.

Стандарт GSM 900 хорош для покрытия больших территорий и «пробивания» стен зданий, GSM 1800 — для обслуживания большого числа абонентов. Но в GSM 1800 требуется в четыре раза больше базовых станций для такого же покрытия. Аналогично с LTE (4G): диапазон 800 МГц хорошо подходит для «лесов и болот», диапазон 2600 МГц даёт необходимую ёмкость сети в городах.

Читайте про операторов:  ТОП-11 лучших усилителей сигнала сотовой связи и интернета для дачи: рейтинг советы по выбору

Сейчас под LTE всё активнее используют диапазон 1800 МГц (полосы частот, «отобранные» у сетей GSM). Тоже вопрос совместимости терминалов. Например, привезённые из США iPhone могут работать в LTE 800 МГц (Band 20), но не поддерживать Band 7 (2600 МГц).

Частот в Band 20 у наших операторов сравнительно мало, и сети в этом диапазоне развивают не так активно, а владельцы таких iPhone жалуются на низкую скорость и «плохого оператора». С LTE в диапазоне 1800 МГц тоже не всё гладко: ваш любимый роутер LTE в диапазоне 1800 может не работать, и опять будет виноват «плохой оператор».

Производители смартфонов, планшетов и другой электроники зачастую адаптируют свои устройства под конкретные рынки. Это заключается не только в том, что они переводят инструкцию, как это видится со стороны. При качественной локализации они также работают с локальными операторами.

В таких устройствах прописаны точки доступа, проверена работа с огромным зоопарком SIM-карт, которые есть у операторов, выставлены правильные настройки для сети в инженерном меню телефона. Одна и та же модель может быть настроена так, что ее локальный вариант будет дольше и устойчивее цепляться за сеть, чем аналог, привезенный из Европы или США.

У природы есть плохая погода

Возможно, вы слышали фразу «сота дышит». Речь о том, что с повышением нагрузки (число одновременно разговаривающих) территория покрытия базовой станции 3G может уменьшаться, вплоть до появления «дыр» в покрытии там, где соседние соты мало перекрывают друг друга.

Ближе к границам сот связь 3G может быть сносной в периоды умеренной нагрузки и сильно портиться или вообще пропадать в «пиковые» часы. Также многие забывают о том, что связь терминала (телефона) с базовой станцией — своего рода «последняя миля», разговор или трафик передачи данных ещё нужно доставить от базовой станции до коммутатора.

В крупных городах сейчас большинство базовых станций подключены по оптоволоконному кабелю, в населенных пунктах поменьше используют радиорелейные каналы связи. Тянуть оптоволокно на десятки километров дорого и ненадёжно, его ещё порой пытаются сдать в пункт приёма цветных металлов.

Всё было неплохо, пока в сетях «гулял» преимущественно голос, с ростом объёмов передачи данных радиорелейки перестали справляться. Их меняют на новые, большей пропускной способности, но дело это дорогое и небыстрое с учётом многих тысяч станций, нуждающихся в таком апгрейде.

Заголовок про погоду неслучаен, радиорелейные каналы связи резко теряют свою пропускную способность во время дождя. Бороться с этим сложно, и в плохую погоду можно ненароком остаться без мобильного интернета. Особенно в местах, удалённых от сравнительно крупных населённых пунктов.

Сезонный фактор тоже имеет значение. Зимой всё может прекрасно работать, и мобильный интернет будет «летать», а на майские праздники и летом, с появлением дачников, всё становится совсем плохо, и просто в соцсети посидеть – счастье, не говоря уже про онлайн-видео.

Может быть перегрузка конкретной базовой станции, а может и радиорелейный канал связи не справляться. Точный «диагноз» может поставить только сам оператор. Чтобы разобрались в проблеме и приняли меры, нужно активно писать и жаловаться, рассчитывать на «само как-нибудь исправится» бесполезно.

И опять пресловутая «экономическая целесообразность»: окупится ли дорогостоящая модернизация? Если голосовая связь работает, то официальных претензий к оператору в принципе быть не может. И даже если голосовая связь перестаёт работать, то в «Договоре» заботливо указано про «вероятностный характер связи», не подкопаешься.

P.S. В следующем материале мы остановимся на покрытии сотовых сетей, качестве сигнала на улице и в домах, поговорим о частотах и проникновении волн. Затронем разницу между операторами в России и других странах, чем отличаются стратегии их развития.

Поделиться: 

Мы в социальных сетях:

Усиление мобильной связи

Параллельно возникает актуальный вопрос об усилении сигнала связи, будь то голосовой трафик или передача данных. В городской местности, да и в области, до сих пор существует множество «мертвых зон», где сигналы ряда сотовых операторов на сегодняшний момент находятся на «грани срыва» или вовсе отсутствуют.

Истинных причин для описания подобной ситуации масса: невозможность согласовать установку новых базовых станций у конкретного оператора сотовой связи, наличие сложного рельефа местности, плотность застройки, обилие «непроницаемых» конструкций, помехи от сторонних устройств и т.п.

На сегодняшний день существует множество способов, призванных решить проблему наличия и качества сотовой связи. Одно из решений это – установка оборудования для усиления сигналов сотовой связи и передачи данных.

Главным элементом системы усиления сотовой связи является – репитер (перевод с англ. означает «повторитель») представляет собой специальное устройство, “повторяющее” исходящий сигнал, что дает возможность на определенной площади всем пользователям смартфонов, ноутбуков планшетов и модемов без проводов соединиться с внешним миром используя голосовой трафик или мобильный интернет.

Репитеры только повторяют принятый внешней антенной сигнал и распространяют его на заранее заданную площадь покрытия, предоставляя каждому из устройств, находящихся в зоне действия системы уже самостоятельно подключаться к сети.

Касаемо сотовой связи – в большинстве случаев вопросов не возникает, в случае правильной установки системы, находясь в зоне её действия, вы гарантированно подключитесь к сети оператора мобильной связи и сможете осуществить голосовое соединение.

Установка

Как и сказано в начале, я рекомендую использовать Ubuntu 14.04, именно 32-битную ее версию. Возможно у Вас получится все установить и на 64-битную Ubuntu 16.04, но тогда Вам придется самостоятельно решать все проблемы с зависимостями при установке и совместимостью с ветками проектов Osmocom.

Также, Вы можете попытаться использовать виртуальную машину, но мне так и не удалось получить устойчивую связь на гостевой ОС. Возможно, проблемы возникают на уровне виртуализации USB порта.

Вы можете использовать виртуальную машину для работы с osmocombb и его отдельными приложениями, но если дело касается запуска GSM сети, я советую не использовать виртуализацию.

Установим базовые пакеты, которые нам потребуются для сборки Osmocom.

apt-get install build-essential libtool libtalloc-dev shtool autoconf automake git-core pkg-config make gcc libpcsclite-dev

Устанавливаем библиотеку libosmocore

git clone git://git.osmocom.org/libosmocore.git
cd libosmocore/
autoreconf -i
./configure
make
make install
ldconfig -i

Устанавливаем toolchain

Для сборки программ для телефона нам потребуется кросс-компилятор toolchain. На официальном сайте сейчас представлена более новая версия, но с ней не будут работать старые ветки osmocombb, которые писались под старый компилятор.

Конечно, можно слегка поправить код и исправить ошибки, возникающие при компиляции новым toolchain, но я оставляю это за рамками данной статьи и рекомендую воспользоваться следующим скриптом для установки кросс-компилятора.

Функции центра коммутации

При покупке sim-карты вся информация об абоненте регистрируется в некотором центре коммутации, назовем этот центр домашним. Домашний MSC хранит информацию об абоненте, такую как тарифный план, текущее местоположение и статус активности. Если вы выходите за пределы своего домашнего центра, вас начинает обслуживать новый, который мы назовем гостевым центром коммутации.

Чтобы понять в какой из ячеек связанные с данным MSC находится абонент, центр коммутации использует несколько методов:

  1. Один из них постоянное обновление информации о положении абонента через определенный промежуток времени.
  2. Также обновление выполняется, если мобильное устройство пересекает заранее определенное количество ячеек.
  3. Наконец, обновление данных о местоположении происходит при включении мобильного телефона. Давайте разберем все три случая на примере.

Предположим Анель хочет позвонить Роме. Когда Анель набирает номер, запрос на вызов поступает на ее домашний центр коммутации, после получения информации о номере Ромы, запрос будет отправлен на его домашний центр, затем следует проверка текущего MSC Ромы.

Если Рома находится в зоне своего домашнего центра, запрос вызова будет немедленно отправлен на ближайшую к его местоположению вышку с целью первичной проверки, активен ли его телефон или не занят ли он разговором с другим абонентом.

Если все в порядке, телефон Ромы зазвонит и начнется разговор. Однако если Рома находится вне зоны своего домашнего MSC, то его домашний центр коммутации просто перенаправляет запрос вызова на гостевой центр. Гостевой центр коммутации следуя ранее описанной процедуре определит местоположение телефона Ромы, после чего установятся соединение.

Чем отличаются поколения мобильной связи

Технология 1G позволила абонентам связываться по телефону без подключенного к нему провода, но у этого поколения было две проблемы: первая заключалась в том, что беспроводная передача велась в аналоговом формате. Аналоговый сигнал может быть легко искажен помехами, поэтому его качество и безопасность были очень низкими.

Вторая проблема заключалась в использовании технологии FDMA множественный доступ с разделением каналов по частоте. Доступный частотный спектр при нём используются неэффективно. Эти негативные факторы стали причиной появления мобильной связи второго поколения.

В мобильной связи 2G использовались цифровые технологии множественного доступа с разделением по времени TDMA или с кодовым разделением CDMA. Второе поколение также представила революционную услугу передачи данных SMS и доступа в интернет.

Технология 3G была нацелена на повышение скорости передачи данных. Для этого наряду с увеличением пропускной способности использовалась технология W-CDMA широкополосный множественный доступ с кодовым разделением. В результате была получена скорость 2 Мбита в секунду, что позволило передавать данные для таких целей как GPS, видео, голосовые вызовы и тому подобное. С появлением этой технологии мобильные телефоны стали быстро вытесняться смартфонами.

Затем появилась технология 4G, которая позволила достичь скорости передачи данных от 20 до 100 Мбит в секунду, этого было достаточно для просмотра фильмов с высоким разрешением и телевидения. Более высокая скорость стала возможной благодаря технологиям OFDM и MIMO.

Следующее поколение мобильной связи 5G, которая будет внедрена в скором будущем, будет использовать усовершенствованную технологию MIMO и миллиметровые волны. Это сделает возможной бесперебойную связь для так называемого интернета вещей, обеспечивающего функционирование беспилотных автомобилей и умных домов.

Элементы сотовой телефонной системы

Основных элементов сотовой телефонной системы шесть: электронный центр коммутации, контроллер базовой станции, радиоприемопередатчики, линии передачи, мобильные и портативные телефонные аппараты, протокол обмена данными [16].

Электронный центр коммутации — сердце сотовой телефонной системы. Он представляет собой цифровую телефонную станцию, которая располагается на центральном узле. Электронный центр коммутации — это коммутатор, который выполняет две основные функции:

  • • управляет коммутацией между проводной телефонной сетью общего пользования и базовыми станциями, обслуживая вызовы от стационарного телефонного аппарата к мобильному и от мобильного к стационарному, а также между мобильными аппаратами;
  • • обрабатывает данные, полученные от контроллеров базовых станций, — информацию о состоянии мобильных аппаратов, диагностические данные и информацию тарификации.
Читайте про операторов:  2 совета, как выбрать и вставить симку в смарт часы с сим-картой

Электронные центры коммутации взаимодействуют с контроллерами базовых станций, используя протокол канала передачи данных (например, X. 25) на скорости передачи 9,6 Кбит/с или выше.

Контроллер базовой станции управляет всеми радиоканалами данной соты, контролирует вызовы, включает и выключает радиоприемник и радиопередатчик, помещает данные в речевые каналы и каналы управления, а также выполняет диагностические тесты оборудования на узле. Контроллер базовой станции является одной из частей подсистемы базовой станции. Вторая часть — приемопередатчик базовой станции (Base Transceiver Station — BTS).

Радиоприемопередатчики сотовых телефонных систем могут использовать узкополосную частотную модуляцию — в аналоговых системах, а также фазовую манипуляцию (ФМ) или квадратурную амплитудную модуляцию (КАМ) — цифровых системах с эффективной полосой пропускания тональной частоты, сравнимой с полосой частот стандартного телефонного канала — 300…3000 Гц. КАМ — это форма амплитудной модуляции, при которой сигналы двух каналов модулируют одну несущую частоту одновременно. Модуляция несущего сигнала осуществляется после его разделения на два несущих сигнала, сдвинутых по фазе на 90° относительно друг друга.

Каналы управления используют частотную или фазовую манипуляцию. Максимальная выходная мощность передатчика зависит от типа сотовой системы.

Базовая станция каждой соты обычно имеет один радиопередатчик и два радиоприемника, настроенные на один и тот же канал (частоту). При этом выбирается тот радиоприемник, который детектирует более сильный сигнал. Такую схему называют разнесением приемников. Радиоприемопередатчики базовых станций имеют антенны (передающие и приемные).

Линии связи служат для соединения центров коммутации с базовыми станциями и телефонной сетью общего пользования. Обычно применяются четырехпроводные выделенные (арендованные) лини связи. Для каждого речевого канала соты выделяется одна четырехпроводная межстанционная соединительная линия. Кроме того, необходимо иметь хотя бы по одной четырехпроводной соединительной линии от электронного центра коммутации до каждого контроллера базовой станции — для передачи сигналов управления.

Мобильный и портативный сотовые телефонные аппараты идентичны. Единственное отличие состоит в том, что портативные аппараты имеют меньшую выходную мощность и менее эффективную антенну и работают только от аккумуляторов.

Структурная схема сотового телефона представлена на рис. 6.16 [9]. Каждый мобильный телефонный аппарат содержит устройство управления (контроллер), память, кодер, канальный кодер, модем, блок радиотракта, жидкокристаллический индикатор (ЖКИ), клавиатуру, микрофон (МК), динамик (Д), аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

Контроллер (устройство управления) вырабатывает управляющие сигналы для организации работы всех устройств телефонного аппарата, поддерживает все пользовательские интерфейсы, т.е. обеспечивает

Структурная схема мобильного сотового телефона

Рис. 6.16. Структурная схема мобильного сотового телефона

работу какого-либо блока телефонной трубки по требованию пользователя. Контроллер также коммутирует периферийные устройства, которые подключаются к трубке с помощью специального соединительного кабеля или посредством инфракрасного (ИК) либо другого порта, например Bluetooch.

Память телефонной трубки используется как устройство хранения программ и данных. Трубка имеет несколько видов памяти: статическую ОЗУ (SRAM) — для хранения программ и временных данных; стековую ОЗУ — для выполнения программ; флэш-память — для сохранения справочника телефонной трубки и приобретенных программ (например, мелодий, игр). В качестве флэш-памяти используется SIM-карта телефона.

Кодер осуществляет кодирование сигнала, представленного в цифровом виде. Метод кодирования выбирается производителем.

Канальный кодер предназначен для формирования кодирующего сигнала по протоколу канала.

Модем выполняет функции кодирования сигнала и демодуляции принятого сигнала.

Блок радиотракта представляет собой многочастотный (многоканальный) радиоприемник и антенну, чаще всего круговую.

ЖКИ — это дисплей, который отображает информацию.

АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой, который подлежит дальнейшей обработке.

ЦАП выполняет обратное преобразование, восстанавливает аналоговый сигнал по цифровому. Примером работы ЦАП может служить услышанная нами речь из телефонной трубки.

Аккумуляторная батарея служит для питания блоков структурной схемы.

Протокол обмена данными управляет процедурами установления и прерывания телефонных соединений. В сотовых телефонных системах используются протоколы нескольких уровней, которые отличаются в различных сотовых сетях. Выбор протокола зависит от того, являются ли речевые каналы и каналы управления аналоговыми или цифровыми, а также от метода доступа абонентов к сети. В системах сотовой связи используются такие протоколы обмена данными, как IS-54, IS-136.2 и IS-95.

Для организации телефонного соединения в сотовой сети требуется одновременное использование двух полнодуплексных радиоканалов — абонентского канала и канала управления. Абонентский канал — это тот речевой канал, по которому мобильные абоненты соединяются через базовую станцию с другими абонентами мобильной или проводной связи. Канал управления используется для передачи контрольной и диагностической информации между мобильными абонентами и центром коммутации сотовой связи через базовую станцию. Базовые станции передают информацию по прямому каналу управления и прямому речевому каналу, а принимают — по обратному каналу управления и обратному речевому каналу. Мобильные аппараты передают информацию по обратному каналу управления и обратному речевому каналу, а принимают — по прямому каналу управления и прямому речевому каналу.

Установление соединения в сотовой телефонной системе происходит так же, как и в проводной телефонной сети общего пользования. После включения мобильного аппарата он выполняет набор стандартных процедур, а затем оценивает уровень сигналов, принимаемых из всех абонентских каналов. Мобильный аппарат автоматически настраивается на канал управления с наибольшим уровнем принимаемого сигнала и синхронизируется по управляющей информации, поступающей от контроллера базовой станции; интерпретирует эти данные и продолжает выполнять мониторинг каналов управления, периодически сканируя их, чтобы убедиться, что используется наилучший канал управления.

В настоящее время наиболее популярен стандарт GSM (Global System of Mobile communication) — всемирная система мобильной связи (иногда эту аббревиатуру расшифровывают как Group Special Mobile — группа разработчиков стандарта GSM).

Основные технические характеристики стандарта представлены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Основные технические характеристики стандарта GSM

Параметры

Значения параметров

Диапазон частот, МГц

450,4…457,6/460,4…467,6 (для GSM-450)

478,8…486/488,8…496 (для GSM-480)

890…915/935…960 (для GSM-900)

1710… 1785/1805…1880 (для GSM-1800)

Разнос между несущими частотами, кГц

200

Количество речевых каналов на несущей частоте

8 (16-для GSM-1800)

Вид модуляции

0,3 (для GMSK)

Скорость преобразования речевого сигнала, Кбит/с

13 (6,5)

Алгоритм преобразования речевого сигнала

RPE-LTP

Скорость передачи информации, Кбит/с

270

Радиус соты, км

0,5…35

Обозначение стандарта GSM-400 представляет собой обобщение обозначений стандартов GSM-450 и GSM-480. В России его пока не используют, однако в Европе он проходит испытания, и вскоре начнут выпускать трехдиапазонные сотовые телефоны стандартов GSM- 400/900/1800. Стандарт GSM-400 призван заменить стандарт NMT- 450/NMT-450/. В технической литературе стандарт GSM-1800 иногда обозначают как DCS-1800. Этот стандарт разработали и впервые использовали в Великобритании, где он получил наименование Digital Cellular System — система цифровой сотовой связи диапазона 1800 МГц. Он лишь незначительно отличается от стандарта GSM.

В США система сотовой связи стандарта GSM работает в диапазоне частот до 1900 МГц и имеет обозначение PCS-1900 (Personnel Communication Devices), кроме этого используется и привычное для нас обозначение — GSM-1900. Американский стандарт GSM-1900 функционирует по технологии CDMA (кодовое разделение каналов с множественным доступом), в отличие от европейских стандартов GSM, использующих технологию TDMA (временное разделение каналов с множественным доступом). Полосы частот, указанные в характеристиках стандарта, записываются в виде дроби: в числителе указывается диапазон передачи от сотового телефона к базовой станции, а в знаменателе — диапазон передачи от базовой станции к сотовому телефону.

Как следует из характеристик стандарта, ширина каждой из частотных полос составляет 25 МГц, что обеспечивает 124 канала связи (124 пары частот) с разносом несущих частот в 200 кГц. Разнос частот передачи и приема каждого канала составляет 45 МГц. Любая базовая станция сотовой связи может обеспечить работу на одной или нескольких несущих частотах, число которых зависит от плотности сети сотовой связи в зоне работы станции.

При этом реализуется принцип множественного доступа с частотным разделением каналов — FDMA. Использовать же два соседних канала в одной ячейке невозможно. Каждой базовой станции назначают одну или более несущих частот, — принцип множественного доступа с временным разделением каналов — TDMA.

При использовании восьми слотов «оцифрованная речь» в каждом канале передается короткими пачками (пакетами) импульсов, а терминал стандарта GSM передает только ‘/8 часть от каждого сообщения (рис. 6.17) [3].

При использовании восьмислотового кадра TDMA и 248 физических полудуплексных каналов (2 х 124 канала) теоретически обеспечивается передача 8 х 248 = 1984 логических полудуплексных каналов на каждую ячейку. Каналы называют полудуплексными потому, что при соединении двух абонентов их разговор передается поочередно (один говорит — другой слушает). На самом деле обеспечивается передача только 283 (из расчета 1984/7) логических полудуплексных каналов на ячейку. Это обусловлено тем, что в каждой ячейке можно использовать только семь пар из общего количества частот (рис. 6.18).

Каждый из частотных каналов разделен на восемь временных слотов длиной 0,577 мс (15/2б мс). Эти слоты составляют TDMA-кадр длиной 4,615 мс (12%бмс). Повторение отдельно взятого временного слота каждые 4,615 мс образует один основной канал (логический канал).

Принцип образования канала связи в системе сотовой связи стандарта GSM с временным разделением каналов по технологии TDMA

Рис. 6.17. Принцип образования канала связи в системе сотовой связи стандарта GSM с временным разделением каналов по технологии TDMA

Распределение частот физических каналов между ячейками

Рис. 6.18. Распределение частот физических каналов между ячейками:

R — радиус ячейки; d — защитный интервал

В системах связи стандарта GSM различают два вида каналов:

  • • каналы трафика ТСН (Traffic Channels) для передачи информации пользователя (речь, данные);
  • • каналы управления, которые в сети резервируют для передачи сообщений при ее обслуживании. Считается, что для передачи речи достаточно скорости 13 Кбит/с.

Системы стандарта GSM используют «медленную скачкообразную перестройку частоты», или SFH (Slow Frequency Hopping), когда мобильная и базовая станции каждый TDMA-кадр передают на новой фиксированной частоте с сохранением постоянного разноса частот в 45 МГц между каналами приема и передачи. Время перестройки частоты составляет около 1 мс. Последовательность переключения частот в процессе установления связи для каждого сотового телефона индивидуальна. Именно принцип SFH успешно решает проблему качества связи, которое при многолучевом распространении сигнала может ухудшаться с изменением значения несущей частоты.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector