Принципы построения сотовой сети

Занятие №6

История развития сотовой связи 
 Мобильные телефоны ворвались в нашу жизнь стремительно, и их распространение и развитие происходило буквально на глазах у ныне живущего поколения людей. Еще в начале девяностых мобильников, кажется, не было вообще, к концу девяностых они стали непременной принадлежностью и отличительной чертой «новых русских», которым некуда девать деньги, а уже в первые годы нового века мобильники превратились в вещь, которая должна быть у каждого человека. И сегодня дети учатся использовать сотовый телефон едва ли не раньше, чем читать, поскольку хорошая мать не отпустит первоклассника без мобильника в школу.
 
Триумфальное шествие мобильной связи по территории нашей страны заняло всего каких-то пятнадцать лет – если отсчитывать этот период со дня основания первой в России сотовой компании «Вымпелком».
 
Однако сама мобильная связь имеет гораздо более долгую историю. Подвижная радиотелефонная связь появилась еще в двадцатые годы прошлого века в США, вскоре после изобретения голосовой радиосвязи вообще. Уже в 1921 году полиция Детройта использовала одностороннюю диспетчерскую радиосвязь с патрульными машинами. Патрульные могли получать указания по радио от диспетчера, но не могли ему ответить. Однако уже в 1933 году полицейская связь в крупных городах США стала двухсторонней.
 
С сороковых годов в американских системах радиотелефонной связи стала использоваться частотная модуляция, обеспечивающая передачу звука без существенных искажений. И уже в 1946 году появилась первая коммерческая сеть автомобильных радиотелефонов. Она позволяла как звонить с одного радиотелефона на другой, так и с радиотелефона в машине на любой стационарный проводной телефон через АТС. Обратный вызов – со стационарного телефона на автомобильный радиотелефон – осуществлялся через телефонистку.
 
Полностью автоматические дуплексные системы подвижной связи появились значительно позже, в шестидесятые годы. Но они по-прежнему оставались преимущественно автомобильными. Причина этого проста – клиентское оборудование для подвижной радиотелефонной связи весило более десяти килограммов. К тому же для этого оборудования не существовало портативных источников питания, и практически единственным выходом было его включение в бортовую электросеть автомобиля.
 
Долгое время к разработке переносных устройств радиотелефонной связи даже не приступали, считая эту задачу неразрешимой. И лишь появление интегральных микросхем и сравнительно легких аккумуляторов позволило сдвинуть дело с мертвой точки.
 
Первый успех принесло многолетнее соревнование двух компаний – AT&T Bell Labs и Motorola. Motorola это соревнование выиграла, представив в 1973 году работающий мобильный телефон в виде телефонной трубки с клавиатурой. Длина этого аппарата превышала 30 см, в ширину и толщину он был более 5 см, а вес его составлял около килограмма. Носить его с собой и держать в руке во время разговора было довольно тяжело, но самое главное – он работал. По этому телефону можно было позвонить как на другой такой же аппарат, так и на любой проводной телефон.
 
Победа Motorola в этом соревновании имела не только техническое, но и большое символическое значение. Дело в том, что концерн AT&T в то время в США являлся монополистом в сфере телефонной связи, а Motorola давала надежду на разрушение монополии.
 
Семидесятые годы стали временем разработки первых стандартов сотовой связи в Америке и Европе. Но реальное функционирование коммерческих сетей сотовой связи началось лишь десять лет спустя.
 
Первый серийный сотовый телефон, представленный все той же компанией Motorola в 1983 году, был немногим компактнее первого образца десятилетней давности. Он весил 800 граммов и позволял лишь звонить и принимать звонки. Ни о каких, даже самых примитивных, дополнительных функциях, к которым привыкли владельцы современных сотовых телефонов, тогда не было и речи.
 
Однако сама связь осуществлялась уже по вполне современным принципам – через базовые станции, сеть которых напоминает соты, поэтому эту связь и называют сотовой. А восходит этот метод организации каналов связи к радиорелейным сетям, зародившимся еще до второй мировой войны и получившим широкое распространение в шестидесятые и семидесятые годы.
 
К 1990 году число пользователей сотовых телефонов в мире превысило 10 миллионов, и дальше это число росло уже в геометрической прогрессии. В 1996 году счастливых обладателей сотовых телефонов было уже 100 миллионов, в 2002 году – миллиард, а в 2007 году – более двух миллиардов. Каждый третий житель нашей планеты (считая младенцев) сегодня имеет сотовый телефон, а в высокоразвитых странах людей без мобильников уже практически не осталось.
 
Россия в этой гонке за мобильность немного задержалась на старте. До 1992 года коммерческих сотовых сетей в нашей стране не было вообще. Лишь в июне 1992 года была создана первая – на 200 абонентов. К 1994 году емкость сотовой сети компании «Вымпелком» в Москве увеличилась до 10000 абонентов, и тогда же на свет появилась торговая марка «БиЛайн». До 1997 года «Вымпелком» предоставлял лишь услуги связи по стандарту AMPS, а летом 1997-го запустил также сеть стандарта GSM.
 
Другая старейшая компания сотовой связи в России была создана позже «Вымпелкома», но на стандарт GSM перешла раньше. Это была компания «Мобильные телесистемы» (МТС) – детище Московской городской телефонной сети. Она была зарегистрирована осенью 1993 года, а уже с 1994-го начала предоставлять услуги мобильной связи по стандарту GSM, который ныне является господствующим повсеместно.
 
Позднее эти две компании сумели немного потеснить более молодые конкуренты – прежде всего «Мегафон». Вместе с ним «БиЛайн» и «МТС» образовали большую тройку российских сотовых операторов, положение которых на данный момент кажется незыблемым.
 
А вот наладить производство собственных мобильных телефонов в России так и не удалось. Да и существенных шагов в этом направлении не предпринималось – ведь потребность в мобильных телефонах, а также в оборудовании для сетей сотовой связи в полной мере удовлетворяется импортом.
 
За четверть века мобильные телефоны уменьшились в размерах почти на порядок. Сейчас телефон массой более ста граммов считается тяжелым, но при этом любой современный мобильник по богатству функций превосходит не только мобильные телефоны, но даже и настольные компьютеры восьмидесятых годов.
 
Нетрудно заметить, что даже телефоны, между которыми всего пять-семь лет разницы, разительно отличаются друг от друга. Достаточно сравнить мобильник 2000 года с маленьким монохромным экраном и внешней антенной и современный аппарат с большим дисплеем на 250 тысяч цветов, встроенной камерой и MP3-плеером. А как будут выглядеть и что будут уметь мобильники еще через пять-десять лет – трудно даже предположить.
 
Принципы построения сотовой сети
 
Несмотря на многообразие существующих стандартов сотовой связи и обилие особенностей их реализации, построение и алгоритмы работы таких систем во многом сходны. Теоретически разделить территорию на одинаковые по форме зоны без перекрытия или пропусков можно путем использования трех правильных геометрических фигур: треугольника, квадрата и шестиугольника. В первом случае базовые станции должны располагаться на местности в шахматном порядке, а во втором — квадратно-гнездовым способом. Но наиболее экономное и эффективное покрытие достигается зонами в виде шестиугольников. А причина здесь простая: именно шестиугольник почти идеально описывает рабочую зону цифровой базовой станции, установленной в центре ячейки и имеющей антенну с круговой диаграммой направленности. В тех местах, где требуется одновременное обслуживание большого числа абонентов, используется метод расщепления сот — создание зон меньшего размера. В этом случае исходный шестиугольник делится на семь шестиугольников меньшего размера (пикосоты). При этом вся остальная структура сети не нарушается. Необходимо заметить, что геометрически правильная форма рабочих зон далеко не всегда достижима на практике. Дальность распространения радиоволн зависит от рельефа местности: холмов, оврагов, гор, больших зданий и т. п. Они искажают форму рабочих зон и вынуждают располагать базовые станции далеко не всегда в строгом геометрическом порядке.
 
Теперь о технических аспектах. Основные элементы сотовой системы: абонентское оборудование (мобильные радио-телефоны), сеть базовых станций, размещенных на обслуживаемой территории, и центр коммутации.
 
Каждая базовая станция — это многоканальное приемно-передающее устройство, которое обслуживает абонентов в пределах своей соты. По специальным линиям связи (проводным или радиорелейным) все базовые станции соединяются с центром коммутации.
 
Центр коммутации обеспечивает управление сетью и по сути является специализированной автоматической телефонной станцией. Он хранит в своей памяти данные всех абонентов сотовой сети, отвечает за проверку прав доступа абонентов и их аутентификацию (подтверждение подлинности), обрабатывает и хранит информацию. Также в его обязанности входит: слежение за сигналами мобильных телефонов, их эстафетная передача при перемещении телефона из соты в соту, коммутация каналов в сотах при появлении помех или неисправностей, а главное — установление соединения абонента сотовой сети в соответствии с набранным номером с другим абонентом или выход в городскую, междугородную и международную телефонную сеть. В некоторых вариантах построения систем все эти функции разделяются между центром коммутации и еще одним элементом оборудования—контроллерами базовых станций.
 
Упрощенно порядок работы элементов сотовой сети выглядит так. В каждой базовой станции есть специальный канал, называемый управляющим, и все сотовые телефоны прослушивают сигналы на этом канале в ожидании вызова. В том случае, если абонент желает позвонить, сразу после набора номера радиотелефон начинает автоматический поиск свободного канала. При его обнаружении он передает свои параметры и набранный номер через базовую станцию на коммутатор сотовой сети. После проверки параметров абонента центр коммутации осуществляет соединение. В обратном направлении — при вызове абонента сотовой сети—коммутатор проверяет в своей базе данных наличие такого номера и начинает поиск радиотелефона в каждой из сот. Радиотелефон абонента, приняв этот вызов по управляющему каналу, передает подтверждение вызова, определяя таким образом свое местонахождение в сотовой сети. После этого коммутатор находит свободный разговорный канал в данной соте и переключает соединение на него.
 
Кроме организации соединений, коммутатор непрерывно следит за сигналами радиотелефонов и в процессе связи. Если возникает неисправность в оборудовании или появляются помехи, коммутатор находит другой свободный канал и переводит разговор на него. Перемещения абонента в процессе соединения (связь-то-мобильная!) могут привести к предельному снижению уровня сигналов. Тогда коммутатор переключается на другую базовую станцию, более близкую к абоненту. Эстафетная передача производится полностью автоматически и настолько быстро, что связь не прерывается, а абонент ничего не замечает.
 
Особая услуга сотовых систем — роуминг (от англ. roam — бродить, странствовать). Благодаря роумингу мы можем пользоваться сотовым телефоном при поездках в другие города или страны. Для обеспечения роуминга необходимо выполнение трех условий;
 
 наличие в других регионах сотовых систем стандарта, совместимого со стандартом оператора, к которому был подключен радиотелефон;
 
наличие каналов связи, обеспечивающих передачу звуковой информации и данных об абоненте и его местонахождении;
 
наличие соответствующих организационных и экономических соглашений между компаниями о роуминговом обслуживании абонентов.
 
Если все эти условия будут выполнены и абонент закажет соответствующую услугу, оборудование исходной («домашней») и роуминговой («гостевой») сотовых сетей обеспечит автоматическую переадресацию всех входящих и исходящих вызовов, и связь будет осуществляться так, как если бы абонент и не покидал зону действия своей сети.
 
Аналоговые стандарты сотовой связи
 
 
На начальном этапе развития сотовой связи важнее всего было обеспечить максимально возможную зону охвата при минимально возможном количестве базовых станций. С этой задачей успешно справлялись аналоговые системы стандарта AMPS (Advanced Mobile Phone Service), в которых каждому абоненту на время разговора выделялась определенная полоса частот. При небольшом числе абонентов свободных частот хватало на всех, а базовые станции аналоговых систем диапазона 450 Мгц можно было размещать на значительном (десятки километров) расстоянии друг от друга. Первые сотовые телефоны весили чуть ли не пять килограммов, имели форму небольшого чемодана и стоили целое состояние. В те времена за весьма относительную, по нынешним представлениям, мобильность такому телефону прощали все остальные неудобства.
 
Однако по мере роста числа абонентов начали возникать проблемы перегрузки сети, так как ограниченного диапазона частот перестало хватать для всех одновременно разговаривающих.
 
 Одной из основополагающих концепций любой сотовой системы связи является концепция "многостанционного (множественного) доступа", под которой понимается то, что система поддерживает одновременную работу в сети нескольких абонентов. Иными словами, значительное количество абонентов делят между собой ограниченное число радиоканалов. Любой абонент может получить доступ к любому радиоканалу. Канал в этой ситуации может рассматриваться как часть ограниченного частотного диапазона, выделенного для данной сети связи.
 
 Интенсивный процесс развития новых технологий мобильной телефонной связи можно считать начавшимся с того момента, когда рост числа абонентов сотовых сетей связи натолкнулся на "шлагбаум" дефицита частот. Несмотря на значительные усовершенствования, стандарт аналоговой передачи AMPS был обречен, и начался переход на цифровые стандарты, позволяющие при прочих равных условиях кардинально увеличить количество одновременно разговаривающих абонентов.
 
 В разных системах сотовой связи используются разные технологии множественного доступа. Традиционные аналоговые системы сотовой связи, основанные на стандартах AMPS и TACS (Total Access Communications System), используют технологию частотного разделения каналов. Например, системы стандарта AMPS делят частотный диапазон на участки шириной 30 КГц на канал. Узкополосные системы AMPS (NAMPS) используют 10 КГц участки спектра на каждый канал, а системы TACS - 25 КГц участки спектра.
 
Организация сотовой сети
Сотовые телефоны перестали быть роскошью и производственной необходимостью. Они входят в нашу повседневную жизнь, активно изменяя как стиль, так и содержание наших будней. Основная идея организации сотовой телефонной сети предельно проста. Вся обслуживаемая территория разбивается на кусочки-соты, в которых имеются базовые станции, соединяющие мобильные телефоны между собой и с внешним миром. На карте такая сеть мобильной связи напоминает пчелиные соты, откуда и пошло название этого вида телекоммуникации. Телефоны в соседних сотах не мешают друг другу, потому что работают на разных частотах, а вот отстоящие более чем на соту просто не слышат друг друга благодаря тому, что земля круглая, и радиоволны, распространяясь, затухают.
 Базовая станция с антеннами и трубка в руках абонента всегда находятся недалеко друг от друга и работают на минимальных мощностях, поэтому телефон становится поистине мобильным, компактным и легким. Между собой базовые станции соединяются высокоскоростной линией связи, по которым наши разговоры и приходят к сотовому оператору. Собравшись на головной сотовой станции, все звонки тарифицируются и коммутируются с адресатами. Естественно, что сотовые операторы имеют выход на телефонную сеть общего пользования, и звонок, если он проходит вне данной сети, начинает свое путешествие по земным линиям связи.
 Благодаря единому управлению при переходе из соты в соту телефон автоматически передается на обслуживание новой базовой станции. Процесс передачи обслуживания сопровождается сменой рабочей частоты и занимает некоторое время, практически незаметное при разговоре.
 Мобильный телефон не имеет постоянной прописки, и ему приходится периодически регистрироваться в сети, соответственно сотовый оператор даже при роуминге (т.е. когда его абонент путешествует по чужой территории) знает, где именно находится выходящий на связь аппарат, и при запросе подтверждает платежеспособность хозяина телефона.