Сотовая связь

Область, где могут находится обслуживаемые отдельной базовой станцией мобильные телефоны, называется сотой (ячейкой, англ. cell). Один сотовый телефон обычно в каждый момент времени виден несколькими базовыми станциями, и, согласно используемым в сотовой сети стандартам и протоколам, связывается с той базовой станцией, которая имеет наименьшее ослабление сигнала (и при этом у этой станции не исчерпан лимит на число обслуживаемых телефонов). Таким образом, когда мобильный телефон перемещается вместе с использующим его человеком, и попадает в области видимости разных базовых станций, то его соединение с сотовой сетью не разрывается, и он может совершать и принимать звонки, а также пользоваться всеми услугами сотовой сети.

Компании, которые предоставляют доступ к сотовым сетям, называются операторами сотовой связи.

Мощность радиопередатчика мобильного телефона в сотовой сети гораздо меньше (в сотни раз) мощности передатчика базовой станции, поэтому мобильные телефоны имеют сравнительно небольшие размеры и безопасны в использовании. Уровень излучения мобильных телефонов регламентируются специальными международными стандартами безопасности. Существует множество стандартов и технологий мобильной связи.

Первые сотовые сети были построены с использованием аналоговых стандартов — стандартов первого поколения (1G, first generation). Самые распространенные из них — NMT и AMPS. Обычно рядом с названием стандарта записывают частоту в мегагерцах, рядом с которой выделен частотный диапазон для взаимодействия базовой станции с мобильными телефонами, например базовые станции сетей NMT-450 общаются с сотовыми телефонами на частоте 450 МГц.

Сеть на основе стандарта NMT (Nordic Mobile Telephone) — первого стандарта сотовой связи — начала работать в странах Северной Европы в 1981 году. Также NMT был первым стандартом мобильной связи, используемым в России (1991) и в США.

В аналоговых стандартах для обеспечения одновременной работы нескольких мобильных телефонов в одной соте, а также базовых станций различных сот, использовалось только разделение каналов по частоте (FDMA, Frequency Division Multiple Access, одновременный доступ с разделением по частоте), что в условиях дефицита свободных частот означает работу в одной соте максимум только 10-20 телефонов и большие размеры сот. Это было приемлемо только при относительно низкой распространенности мобильной связи. Также аналоговые стандарты не давали никакой защиты от помех, а подслушать разговор иногда можно было с помощью простого радиоприемника.

С 2000-х годов. везде в мире сети первого поколения вытесняются сетями второго и третьего поколений.

В сетях второго поколения (2G, second generation) данные между базовыми станциями и мобильными телефонами передаются в цифровом виде. Это позволило использовать в стандартах DAMPS и пришедшему ему на смену GSM для одновременной работы с одной базовой станции нескольких телефонов временное разделение (TDMA, Time Division Multiple Access, одновременный доступ с разделением по времени) — каждый частотный канал разделен на несколько так называемых «таймслотов», т. е. интервалов времени, в течение которых канал занимает один телефон. Таким образом, одна базовая станция может обслуживать до нескольких сотен телефонов одновременно. А мощности передатчиков в мобильных телефонах второго поколения были снижены, так как потери при передаче оцифрованного звука гораздо ниже. В стандарте CDMA (Code Division Multiple Access, одновременный доступ с разделением по коду) используются более сложные методы разделения радиоэфира между различными мобильными телефонами. Причем, как много ни было бы разных телефонов в соте, и сколько бы базовых станций ни было бы соседями, каждый мобильный телефон использует для приема и передачи целую частотную полосу (канал) сравнительно большой ширины — 1, 25 МГц в стандарте CDMA2000 1x. Чтобы различать сигналы разных телефонов и базовых станций, каждый передатчик имеет собственный код, который распространяется по всей ширине канала. Самым популярным стандартом сотовой связи является именно стандарт второго поколения GSM — Global System for Mobile Communications (Глобальная система мобильной связи). Мобильными телефонами этого стандарта сейчас пользуются более миллиарда человек во всем мире. Технологии передачи данных в сетях второго поколения Но главным следствием перехода к цифровой форме сигнала стала возможность использовать мобильные телефоны для передачи не только голоса (звука), но и других видов информации.

Первой подобной услугой, сделавшей возможным передачу текста между мобильными телефонами, был так называемый «сервис коротких сообщений» — Short Message Service (сокращенно SMS). SMS впервые появился в стандарте GSM (в декабре 1992 года в сети британского оператора Vodaphone был произведен эксперимент по рассылке SMS), но позднее был реализован и в сетях на основе других стандартов. С помощью технологии SMS можно передавать не только короткие текстовые сообщения, но и простые картинки и звуки, а также выражать свои эмоции с помощью специальных изображений — смайликов (от smile — улыбка). Для этого используются технологии EMS и Nokia Smart Messaging.

В стандарте CDMA (Code Division Multiple Access, одновременный доступ с разделением по коду) используются более сложные методы разделения радиоэфира между различными мобильными телефонами. Причем, как много ни было бы разных телефонов в соте, и сколько бы базовых станций ни было бы соседями, каждый мобильный телефон использует для приема и передачи целую частотную полосу (канал) сравнительно большой ширины — 1, 25 МГц в стандарте CDMA2000 1x. Чтобы различать сигналы разных телефонов и базовых станций, каждый передатчик имеет собственный код, который распространяется по всей ширине канала.

Самым популярным стандартом сотовой связи является именно стандарт второго поколения GSM — Global System for Mobile Communications (Глобальная система мобильной связи). Мобильными телефонами этого стандарта сейчас пользуются более миллиарда человек во всем мире.

Но главным следствием перехода к цифровой форме сигнала стала возможность использовать мобильные телефоны для передачи не только голоса (звука), но и других видов информации. Первой подобной услугой, сделавшей возможным передачу текста между мобильными телефонами, был так называемый «сервис коротких сообщений» — Short Message Service (сокращенно SMS). SMS впервые появился в стандарте GSM (в декабре 1992 в сети британского оператора Vodaphone был произведен эксперимент по рассылке SMS), но позднее был реализован и в сетях на основе других стандартов. С помощью технологии SMS можно передавать не только короткие текстовые сообщения, но и простые картинки и звуки, а также выражать свои эмоции с помощью специальных изображений — смайликов (от smile — улыбка). Для этого используются технологии EMS и Nokia Smart Messaging.

Позднее, с совершенствованием мобильных телефонов и развитием компьютеризации, в сетях GSM были введены технологии для передачи компьютерных данных, доступа к сети Интернет. Первой такой технологией была CSD (Circuit Switched Data, передача данных через прямое подключение), в которой выделенный телефону таймслот используется для передачи данных со скоростью 9.6 килобит в секунду — таймслот выделяется точно так же, как и при совершении телефонных звонков. При этом телефон нельзя использовать по своему прямому назначению. Для увеличения скорости передачи была создана технология HSCSD (High Speed CSD, высокоскоростная CSD) — телефон получает несколько таймслотов сразу, также применяется специальный алгоритм для коррекции ошибок в зависимости от качества соединения. При использовании этой технологии в соте может не хватить таймслотов для всех мобильных телефонов, поэтому она не стала распространенной.

Самой распространенной технологией передачи данных является GPRS (General Packet Radio Service, служба пакетной радиопередачи данных общего пользования), которая позволяет использовать выделенные таймслоты сразу нескольким мобильным телефонам, использует различные алгоритмы при разном качестве связи с БС, различной загруженности БС. Каждый телефон использует различное количество таймслотов, освобождая их при отсутствии необходимости или запрашивая новые. Таймслоты делятся между телефонами с помощью пакетного разделения, как в компьютерных сетях. Количество таймслотов, которое может использовать телефон, ограничено аппаратно, и зависит от класса GPRS мобильного телефона. Скорость передачи асимметрична — если для получения информации телефон класса может использовать до 4-х таймслотов при 8-м и 10-м классах GPRS, то для передачи всего 1-2. Теоретический предел скорости для GPRS при идеальном соединении (21, 4 килобит в секунду) и 5-и выделенных таймслотах составляет 107 килобит в секунду. Но реально средняя скорость работы GPRS находится на уровне 56 килобит в секунду. Мобильным телефонам при использовании технологии GPRS выделяются IP-адреса в Интернете, в большинстве случаев не уникальные.

Дальнейшим развитием технологии GPRS стала технология EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution, повышенная скорость передачи данных для развития GSM). В этой технологии, по сравнению с GPRS, применены новые схемы кодирования информации, а также изменен алгоритм обработки ошибок (ошибочно переданные пакеты не передаются заново, передается только информация для их восстановления). В результате, максимальная скорость передачи достигает 384 килобит в секунду.

Иногда технологию GPRS называют технологией мобильной связи «поколения 2, 5» — 2.5G, а технологию EDGE — технологией 2.75G.

Для сетей CDMA2000 создана технология 1xRTT, позволяющая достигать скорости 144 килобит в секунду.

Первоначально эти технологии использовались в мобильных телефонах для доступа в Интернет с помощью персональных компьютеров, и лишь затем, с дальнейшим развитием мобильных телефонов, предоставили доступ в Интернет непосредственно с мобильного телефона. Для получения информации на мобильный телефон использовалась технология WAP (Wireless Application Protocol, протокол для беспроводных приложений), которая предъявляла сравнительно небольшие требования к техническим характеристикам мобильного телефона. Странички создавались на специальном языке WML (Wireless Markup Language), приспособленном к особенностям мобильных телефонов — небольшому размеру экрана, только клавишному управлению, небольшим скоростям передачи данных, задержкам при загрузке страниц, и так далее. Более того, ввиду низкой производительности процессора и малого объема памяти мобильного телефона, для максимального облегчения работы мобильного браузера странички на этом языке обрабатывались не непосредственно, а с помощью промежуточного сервера (так называемого WAP-шлюза), который компилировал их в специальный байт-код, выполняемый мобильным телефоном. Именно за это — работу промежуточного сервера — операторы сотовой связи так высоко оценивают эту услугу.

Однако с совершенствованием мобильных телефонов вскоре произошли изменения. Во-первых, отпала необходимость в промежуточном сервере — теперь браузеры современных мобильных телефонов выполняют его работу самостоятельно. Во-вторых, на смену специализированному языку WML приходит стандарт xHTML — он отличается от повсеместно используемого в Интернете языка HTML только соблюдением некоторых специальных правил, а именно, спецификации XML. В-третьих, современные мобильные телефоны обладают вполне достаточным размером экрана для отображения обычных, предназначенных для компьютеров, страниц Интернета. В-четвертых, с развитием современного Интернета оказалось, что код HTML-страниц стал упрощаться и структурироваться, в связи с тем, что теперь он пишется преимущественно машинно. В связи с этими изменениями, многие современные телефоны вполне могут самостоятельно обрабатывать HTML.

На базе этих технологий передачи данных также были созданы дополнительные сервисы для мобильных телефонов — например, MMS(Multimedia Messaging System, система передачи мультимедийных сообщений). С помощью мобильного телефона теперь легко можно составить сообщение, содержащее текст, изображение, звук, видео или другие компьютерные файлы. Многие элементы MMS могут быть объединены в слайды, и принявший MMS телефон может показать презентацию, состоящую из них. Технически, когда отправляется MMS-сообщение, используется специализированный протокол передачи данных через обычное Интернет-соединение, например, через GPRS.

MMS-сообщения с мобильного телефона можно отправлять не только на другие мобильные телефоны, но и на адреса электронной почты — на электронный ящик придут все файлы, из которых состоит MMS. Каждое сообщение может быть отправлено сразу по нескольким адресам.

Если адресатом является номер другого мобильного телефона, поддерживающего MMS, то он напрямую закачивает содержимое сообщения по специальному протоколу, либо автоматически, либо по специальному запросу. А если принимающий сообщение мобильный телефон не поддерживает MMS, то он получает SMS-сообщение, содержащее ссылку в Интернете, перейдя по которой можно через Web посмотреть содержимое MMS либо с самого мобильного телефона, либо с персонального компьютера.

Однако большинство современных мобильных телефонов оснащено программами — клиентами электронной почты, и, по мере их совершенствования, MMS становится ненужным, вытесняется другими сервисами, например, BlackBerry.

Доступ в Интернет с мобильных телефонов может использоваться для тех же целей, что и в персональных компьютерах, например, для использования различных служб обмена сообщениями, вроде ICQ.

Скорости передачи данных в сетях второго поколения недостаточны для реализации многих новых задач мобильной связи, в частности, передачи высококачественного видео в реальном времени (видеофонии), современных фотореалистичных компьютерных игр через Интернет и других. Для обеспечения необходимых скоростей созданы новые стандарты и протоколы:

1. Стандарт UMTS (Universal Mobile Telecommunications System, универсальная система мобильной связи) на базе технологии W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access, широкополосный CDMA), частично совместимой с GSM. Скорость приема и передачи данных достигает 1920 килобит в секунду.

2. Технология 1xEV (evolution, развитие) для сетей CDMA2000. Скорость приема данных достигает 3, 1 мегабит в секунду, а передачи — 1, 8 мегабит в секунду.

3. Технологии TD-SCMA, HSDPA и HSUPA. Позволяют достичь еще более высоких скоростей. По состоянию на 2006 технологии W-CDMA предоставляют часто поддержку HSDPA. TD-SCMA разрабатываются.

Таким образом, современные технологии мобильной связи — это не столько технологии мобильной телефонии, сколько универсальные технологии передачи информации.