GSM, Как все начиналось

Вам внушили, что мы живем на краю пропасти и что сознание смертельной
опасности отнимает у нас последние крохи разума. Но люди всегда жили на краю
пропасти, и это не мешало им любить, трудиться, созидать. Почему бы вам не
последовать их примеру?
Андрэ Моруа. «Открытое письмо молодому человеку о науке жить»
История GSM связи

У каждого события или вещи есть своя история. Достаточно один раз проявить себя в этом мире и народная молва увековечит ваше имя. Помните Безумного Герострата? Так этого малого несколько тысячелетий пробуют забыть всем миром. А результат? Одним словом, история самая долгоиграющая вещь. Вы можете сломать любимые часы или завести собаку, но это не скажется на ходе минувших дней.

История никогда не была, да и не сможет стать точной наукой. Ведь призма человеческого толкования страшная штука. Каждый последующий рассказчик добавляет в историю что-то свое. Еще удивительнее тот факт, что большинство событий для вчерашнего дня появляются в будущем. Каждый историк считает своим долгом найти в прошлом что-то новое и принести свой личный вклад. В результате, нет более спорной и неправдоподобной науки, чем история. Слова о непреложности фактов и прямом толковании документов вызывают лишь легкую усмешку. Но, с другой стороны, согласитесь, что именно в истории есть что-то магическое и романтическое. Наверно каждый из нас в детстве мечтал стать археологом. Ьродить по пустыням с совочком и раскапывать дюны. Результат нам представлялся, как невероятная старая гробница с несметными сокровищами и мумией фараона. Кстати, мумия у большинства людей не ассоциируется с бренными остатками… Однако мы ушли в сторону.

Сегодня нам предстоит написать историю GSM-связи, которая должна максимально отвечать существующим фактам и содержать минимум следствия времени – вымысла. Не судите нас строго за попытку, ведь «за доброе желание к игре – прощается актеру исполнение». Нельзя не отметить один факт. GSM-связь имеет историю всего лишь на несколько десятилетий, но количество противоречий в ней поражает бывалых следователей прокуратуры. Одним словом, мы отправляемся в не самое простое путешествие, которое должно открыть первую главу «Энциклопедии GSM-Связи», первую главу – «История GSM-связи».

Как все начиналось

У всякой истории есть логическое начало. Сотовая связь, как и все в этом мире, упирается в определенную дату, когда один из чудаков решил, что настал момент связать людей по телефону, но без проводов. Идея эта была революционной. Она относится к 1946 году. Один из английских ученых предложил и начал реализовывать концепцию сотовой связи. Я подчеркну – сотовой, а не мобильной. Разница между двумя рациями и рацией в паре с базовой станцией ощущается каждым. Однако все эксперименты по строительству были буквально сразу свернуты в силу их технической незаконченности.



Действительно, если вы помните, то изобретение транзисторов Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли произошло лишь в 1948 году. А до этого вся радиосвязь строилась на ламповой базе. Что это такое, многие из нас наверно не знают. Представьте себе обыкновенный сотовый телефон, если из него вынуть все полупроводниковые транзисторы (полупроводниковая микросхема была изобретена в 1959 году американскими инженерами Джеком Килби и будущим основателем корпорации Intel Робертом Нойсом) и заменить их лампами, то его размеры увеличатся до скромного десятиэтажного дома. Пожалуй, такую трубку носить с собой будет трудновато. О смартфонах лучше сразу забыть.

Долгое время идея строительства сотовых сетей если и обсуждалась, то только в аналоговом аспекте. Действительно, все серьезные цифровые преобразования стали возможны лишь в 80-х годах. До этого момента аналоговая база была настолько узкой, что все серьезные микропроцессорные расчеты больше походили на игру со счетными палочками или подключение педального привода к машине «Железный Феликс».

Попытки сделать телефон свободным от проводов с успехом проводились в Европе, Америке и Советском Союзе. Речь, разумеется, не шла о полной сотовой мобилизации. Изначально связь планировали дать высоким чиновникам и спецслужбам. Дальше всего в таких экспериментах ушли англичане и наши соотечественники. Впрочем, их технологические решения были примитивны и абсолютно не масштабировались. Это значит, что создание очередного беспроводного номера превращалось в новую битву за абонента. Установка беспроводных аппаратов шла в автомашины и на вилы. В Америке и Европе в самом начале 80-х годов мобильная связь стала мелькать на экранах телевизоров. В то время назвать ее модной язык не поворачивался. Ведь можете ли вы сказать, что «полеты в космос нынче в моде». Нет. Это не больше, чем диковинка. Сотовые операторы имели несколько десятков абонентов и крайне ограниченную территорию покрытия. Однако тогда находились люди, которые были готовы платить 10–50 тысяч долларов в месяц за красивую диковинку. Связь 80-х строилась исключительно на базе аналоговой передачи данных, а о цифровых технологиях, в силу их дороговизны и недоступности - не говорили.

Удивительно, но история забыла имя первого сотового оператора. Возможно, именно его маленький размер и привел к этому. Ведь помните ли вы имя первой коммерческой радиостанции?

Большинство первых сотовых сетей представляли простую радиосвязь. Роуминг, текстовые сообщения и всевозможные сервисы являлись чем-то неосуществимым в техническом плане. Операторы работали не только на разных частотах, которые предоставляло им местное правительство, но и по-разному модулировали сигнал. Зачастую мобильный телефон выпускался строго под опредёленную сеть.



Одним словом, в основании лежал настоящий хаос. Наивно полагать, что ввергая тот или иной процесс в самотечение, мы получим упорядоченный и законченный продукт. Лишний раз в этом можно убедиться, взглянув на историю нашей страны. Чего стоили попытки наладить нашу экономику и сделать людей богатыми «свободным рынком»? Годы развала. То же и в сотовой связи. Существовало множество маленьких операторов. Каждый из них понимал, что надо договариваться и вырабатывать совместные стандарты. Они помогут сотрудничать с производителями мобильных телефонов и операторам между собой. Однако подобные разговоры привели бы к неизбежным слияниям. В результате, часть руководителей осталась бы без своих мест. Так и вымирали первые «гордые» операторы сотовой связи.

Откуда возникла идея развития цифрового стандарта, который стал бы единым для многих государств? Прежде всего, причина в том, что на заре сотовой связи ни одно государство не хотело в полной мере инвестировать миллионы в не совсем понятное начинание. С одной стороны, все понимали, что договариваться пора, а, с другой стороны, строительство башни в Вавилоне как минимум грешно. Всегда кажется, что твой партнер халтурит или меньше вкладывает в общее дело. Честно говоря, практически все мировые проекты, где принимают участие сразу несколько стран, становились предметами раздора. Хорошо, что были исключения, которые подарили человечеству, в частности, GSM-связь. Первые международные договоренности и исследования прошли под управлением Европейской конференции административных работников почты и телекоммуникаций СЕРТ (Conference des administrations Europcennes des Postes et Telecommunications). Реальное участие в проекте принимали немцы и французы.

Учёные ограничились частотными исследованиями. Проводили их в большей мере французы, но немцы очень исправно финансировали совместный проект. Через пару лет, в 1982 году, к проекту примкнули 26 европейских стран. Нужно отдать должное, что союз немцев и французов смог переубедить всю Европу и стать родоначальником сотовой связи стандарта GSM. Эта победа не имеет аналогов в истории. Страны, входящие в проект, поставили интересы создания единого стандарта связи выше своих национальных интересов и выиграли. Жаль, что человечество отказалось от сооружения памятника по этому поводу. Вы будете удивляться, но идеи в этом направлении выдвигались на самом высоком уровне.

В далёком 1982 году Европейской конференцией была инициирована "Специальная группа по разработке мобильной связи". Позднее Global System for Mobile communications стали сокращать до аббревиатуры GSM (Groupe Special Mobile (Fr.)). Так началась история современной связи. Большинство постулатов GSM зародилось двадцать лет назад и практически не претерпело никаких изменений, как сама фундаментальная физика. Это говорит, что учёные, работавшие над проектом, не просто создали великолепный стандарт, но и заложили в него принципы масштабирования (например, передачи данных). Нельзя не отметить, что скандинавские страны всегда проявляли собственную инициативу в строительстве и проектировании сотовых сетей. Так, в Европе в 1981 году появилась первая международная система, объединившая Норвегию, Данию, Швецию и Финляндию. Совместно они запустили очень перспективный проект - NMT450 (Nordic Mobile Telephone). Сеть оказалась очень долгоживущей. Бытует мнение, что сеть NMT450 перед своим запуском в Скандинавии была продана арабам, и они сделали коммерческий старт на месяц раньше Шведов. Однако точной информации у нас нет.



Хорошо известна сеть Comvik. Она стартовала в Швеции в 1981 году. Сеть отличалась тем, что имела все необходимые механизмы для роуминга абонентов и возможность передачи данных.

Итак, перед тем, как вернуться к GSM-стандарту и его эволюции, нельзя не сказать несколько слов о производителях сотовых телефонов. До 1981 года существовало шесть основных производителей трубок: AP, Handic, Mitsubishi, Salora, SRA и Storno (продажи более одного процента от общего числа реализованных за год мобильников). Они создавали практически штучный товар и ориентировали продукцию на небольшие компании. До 1986 года количество крупных производителей увеличилось до двадцати. Однако погреть руки вокруг такого «денежного дела», как молодые сотовые сети, они не смогли. В итоге с 1986 по 1991 год на рынке осталось только семь основных производителей: Ericsson, Motorola, Nokia-Mobira, Panasonic, Philips, Technophone и Mitsubishi. Эти имена нам хорошо знакомы. Но даже такие громкие имена не смогли удержаться на молодом рынке. В результате до 1994 года балом правили - три основных производителя: Ericsson, Motorola и Nokia-Mobira.

Почему мы отошли от истории GSM и заговорили о других первых сетях? Любое событийное явление не может жить само по себе. На него накладывают влияние другие исторические процессы. Поэтому важно понимать ситуацию в целом. Именно она дает представление о становлении исследуемого нами события. Настал момент перейти или вернуться к Истории GSM.

Активное становлении GSM

Итак, успешные исследования в области GSM не могли быть гарантам развития новой связи. Проекту была необходима ратификация и поддержка других государств. Через несколько лет после старта работ она последовала. В 1984 году GSM была признана Францией, Италией и Германией, а через пару лет к договору присоединилась Великобритания. Эта четвёрка и стала родоначальником 900 МГц цифровой связи.

Какие требования выдвигались к новой сети? Сейчас они хорошо известны:

Хорошее субъективное качество речи
Низкая стоимость оборудования и абонентной подписки
Поддержка международного роуминга
Возможность создания портативных терминалов
Поддержка ряда новых возможностей и услуг
Спектральная эффективность
Совместимость с ISDN

Первостепенной задачей для проектировщиков стала расчистка требуемого диапазона частот. Надо заметить, что он очень плотно эксплуатировался военными. А забрать у людей в погонах что-то для гражданских нужд очень тяжело. Люди с оружием в руках очень неохотно делятся «своей собственностью». Кстати, в Западной Европе ситуация не сильно отличалась от Советского Союза. Впрочем, если у нас в стране в то время подобная деприватизация частот не состоялась бы в принципе, то западники смогли добиться своего.

Ключевым событием развития сети стало декабрьское выступление Франции на международной конференции 1986 года, где была провозглашена дата коммерческого запуска сети. Он намечался на 1991 год. Так общественность услышала о дате запуска первой массовой единой сотовой сети. Действительно, любое изыскание или дело обретает смысл после того, как разработчики заявляют о конкретном результате или дате его получения. Нам кажется, если бы праздник Новый Год отмечали быв в середине зимы, то он не был бы так ожидаем и значим, как событие, приуроченное к 12 часам ночи с 31 декабря на 1 января.

Франция проявила себя лидером международного проекта. Именно её инженеры провели исследования в области передачи данных. В 1987 году на совещании в Мадейре было подписано соглашение, что новая система будет основана на методе многостанционного доступа с временным разделением каналов TDMA (Time Division Multiple Access). Иногда этот способ передачи данных радиосигналом называют с временным уплотнением (мультиплексирования). В GSM часто одни и те же вещи носят разные названия. Впрочем, радиофизика полна таких примеров. Нельзя не назвать институт, где зародилась радиосоставляющая GSM связи – CNET, впоследствии преобразованный во France Telecom. Одним словом, мы точно знаем, куда стоит относить цветы или слать гневные письма по поводу радостей и злоключений с GSM-связью. Виноватый, так сказать, найден.

Уже в 1988 году было построено несколько тестовых сетей. За год работы они показали миру свою жизнеспособность и то, что все требования, выдвигаемые к ним заранее, выполнялись. Это говорило об огромной победе инженеров. Действительно, сделать подобное до настоящего момента не представлялось возможным. В 1989 году тестовые сети начали обкатывать роуминг. Этот технически сложный сервис сетей заработал буквально с первой попытки.

Что делали для проекта другие страны? Английские инженеры проснулись лишь в 1990 году, но буквально за год создали и расписали работу GSM в частотном диапазоне 1800 МГц. Почему так произошло? Зачем надо было отходить от общепринятого в то время частотного диапазона? Прежде всего, в 1990 году англичане поняли, что GSM это всерьез и надолго. Поэтому в проект надо было стремительно врываться. Кроме этого, бытует мнение, что англичане не были полностью уверены, что смогут освободить нужный частотный диапазон в полном объеме. А это значило, что у себя на Туманном Альбионе они могли оказаться почти у разбитого корыта. В довесок тогда читались минусы и плюсы 900 МГц. Было ясно, что частоту придется увеличивать. Поэтому ее банально удвоили. На первых порах было много противников отхода от GSM 900, но англичанам удалось придать мировую значимость своей работе. В 1991 году в Женеве на выставке TELECOM 91 работа 1800 МГц GSM была представлена, как необходимая составляющая сети. Другие подобные проекты по изменению частотного диапазона поддержки в то время не нашли.

Настал 1991 год. Если вы внимательно читали текст, то должны понимать, что как раз в этот исторический момент должен был состояться первый коммерческий запуск сетей. Однако подвели именно те, от кого это меньше всего ждали. Производители терминалов (мобильников) не представили в этот год своих коммерческих образцов. В результате из-за того, что трубок не было, сети не стартовали в коммерческую эксплуатацию. Опыт из этого знакового события так и не был извлечен. сейчас сперва создаются новые сервисы в сотовых сетях, а лишь время спустя терминалы. Это говорит о том, что производители перестраховываются и не делают мобильников непонятно для чего; разработчики новых сервисов не в должной мере делятся информацией, необходимой производителям сотовых аппаратов, а бюрократы нагородили достаточно барьеров, которые делают тестирование новых терминалов очень долгим процессом. Первый запуск сети состоялся в апреле 1992 года. Это знаковое событие произошло в Финляндии. Впрочем, днём рождения сети правильнее считать июнь 1992 года. Именно тогда было подписано первое соглашение по роумингу, а значит, были реализованы планы по созданию международной сотовой связи. В конце 1992 года в мире было запущено порядка четырнадцати сетей. Первый миллион пользователей сеть разменяла к концу 1993 года.

Вслед за Европой в сферу GSM устремился весь мир. В стройные ряды Ассоциации GSM стали вливаться страны Америки и Африки. Произошло это в 1993 году. Азия подтянулась несколько позже и с должной для нее неохотой, которая сейчас всем нам хорошо понятна. Таким образом, GSM пошла по миру.

В 1993 году были предприняты удачные попытки ввода в эксплуатацию сетей, работающих в стандарте 1900 МГц. Преуспели в этом не англичане, а скандинавы. Буквально сразу стали понятны преимущества этого диапазона в реальной жизни и вопросы о его жизненном цикле больше не поднимались.



Непрерывно шли попытки проверить на прочность существующую сеть GSM. Однако она так хорошо зарекомендовала себя, что о ней пошли грозные слухи. Самый шикарный из них , что изначально GSM разрабатывалась военными для передачи строго секретных сообщений и раскодировать сигнал в реальном времени сможет только компьютер, созданный в 2020 году. Красиво звучит. Впрочем на деле, реальный взлом SIM-карты состоялся в 1998 году. Но опасности для сетей и абонентов GSM-оператора он не принес. А остался очередным событием в жизни стандарта. Еще одним важным фактом можно считать появление GPRS в 1999 году. Стандарт стали продвигать в сторону перспективного направления передачи данных. Опыт оказался настолько востребованным, что сейчас без него мы не представляем жизни GSM-сетей. Масштабируемость технологии привела к планомерному увеличению скорости.

Заключительное слово

Самые скромные подсчеты говорят, что сейчас на нашей планете GSM-связью пользуется порядка 500 миллионов человек. Разумеется, речь идет об активных абонентах. Число это будет расти, пусть не так быстро, как за последние годы, но все же. Сейчас сети GSM эксплуатируются в 80-ти странах мира. Однако любое самое хорошее и интересное начинание обречено на моральное устаревание. Все чаще мы слышим вопрос: «Сколько лет осталось жить GSM?». Этот вопрос задают преждевременно. Стандарт будет жить еще десятилетия. Вспомните недавние попытки европейских операторов строительства и эксплуатации 3G сетей. Он оказался явно не самым удачным. Замещение сетей второго поколения на сети третьего поколения пока не возможно. Причин тому масса – главным образом, экономическая целесообразность. Более вероятен несколько другой сценарий. Существующие GSM-сети будут обрастать различными дополнительными сервисами и возможностями, главным образом повышающими скорость передачи данных. Мы с вами имеет уникальный шанс вживую наблюдать за этим процессом.

krot
Реально интересно!!!
Я уже 3 года занимаюсь сервисом - в железе все (почти) знаю а вот таких весчей не читал и не слышал!!!

Самая главная весчь в ГСМ/3Г сетях - это масштабируемость, то есть зашита от перегрузки в случае наличия достаточных объемов доп вышек....

Энциклопедия GSM-связи. Часть 2
Автор: Андрей Воронин
Дата: 30.07.2007


"В любой области науки профессора предпочитают свои собственные
теории истине, потому что их теории - их личная собственность, а истина - всеобщее достояние"
Чарлз Колтон

Принцип построения сети и базовые элементы сети

Изучение любого предмета начинается с основ, что является тем базисом, на котором выстраивается иерархия древа знаний. Без этого любая, даже самая хитрая структура рассыплется, как карточный домик. Только глупцы начинают строить дом с крыши… Хотя если речь идет о метростроителях или шахтерах, то это правило не действует. Но и их работа не сводится к бездумному перебрасыванию земельных недр на железные вагонетки.

Один наш знакомый самостоятельно знакомился с каждым событием или формой, начиная с азов. Любой разговор с ним, на самую пустяковую тему мог затянуться на несколько часов. Он тщательно обрабатывал свою жертву, методично накачивая ее мозг максимумом информации о предмете разговора. Иными словами, если бы вы спросили у него о принципе работы эмиттерного повторителя, то изначально вам пришлось бы прослушать часовую лекцию о создании и эволюции полупроводников. Занудство? Большинству из нас может показаться именно так. Однако настоящий фундаментальный подход к знаниям лежит именно в этом. Можно долго и заумно говорить о сложных вещах, но если вы не имеете базовых знаний, то все сказанное так же красиво и быстротечно, как и брызги шампанского.

Сегодня мы выстроим определенный базис знаний о сотовой связи. Мы расскажем об основах построения современной мобильной телефонной сети.

Сети сотовой связи

Телефонная связь так глубоко проникла в нашу среду, что мы не представляем жизнь без нее. Поднять трубку, набрать номер и услышать голос друга или близкого человека? Что может быть проще? Но за этим стоит огромный труд физиков, технологов, электриков и людей других специальностей.

В 1947 году произошло событие, которое послужило отправной точкой для создания сотовой связи. Сотрудник Bell Laboratories, Д. Ринг, во внутреннем меморандуме выдвинул идею сотового принципа организации сетей подвижной связи. Инженер предложил основные идеи, которые по сей день лежат в основе современных сотовых сетей.

С одной стороны, сотовая связь проста и понятна, как движение колеса, но как только мы начинаем рассматривать ее более пристально, то открываются всевозможные технические тонкости, подкрепленные десятками патентов и авторских свидетельств. На расстоянии эти подробности теряются и опять открывается вид неделимого целого - комплекса сотовой связи.

Итак, давайте обсудим построение системы сотовой связи. Следует обозначить основные проблемы, с которыми мы столкнемся при ее создании. Для создания сотовой сети нужно получить набор частот или частотный диапазон. Именно в нем базовая станция будет общаться с вашим мобильным терминалом. Основным принципом работы сотовых сетей считают принцип повторного использования частот. Именно он позволяет существенно повысить ее емкость и покрывать практически неограниченное пространство, применяя при этом конечный набор частот. Обратим внимание на рисунок.



В нашем распоряжении есть три частоты (f1, f2, f3). В первой соте (ячейке) мы используем частоту f1. Во второй соте (ячейке) использовать ту же частоту, то есть f1, мы не можем из-за явления интерференции. Интерференция – физическое явление, которое возникает при наложении двух (или более) волн от одинаковых источников и приводит к усилению или ослаблению амплитуды волны. Поэтому борьба с интерференцией – одна из основных задач при частотном планировании, то есть распределении частот по сотам (ячейкам). Итак, поскольку во второй соте (ячейке) мы не можем использовать частоту f1 — используем частоту f2. В третьей соте мы используем частоту f3, а в четвертой соте мы опять можем использовать частоту f1.

Картина предельно проста. Однако на практике инженеры сталкиваются с серьезными проблемами. Действительно, нарисовать границы сот тонкими прямыми линиями удается только на бумаге. Реальный ландшафт, особенно городской, накладывает серьезные ограничения на геометрию зоны покрытия каждой базовой станции. Поэтому фактическое покрытие можно проверить только экспериментальным путем. Так как количество точек в пространстве бесконечно, то проверить их все невозможно. Даже если аппроксимировать каждое место пространства в зоне действия базовой станции до кубического метра, то работа невыполнима. Отсюда появление белых пятен на карте покрытия и мест с активной интерференцией, которая ведет к помехам.

В соответствии с рекомендациями CEPT, стандарт GSM-900 предусматривает работу передатчиков в двух диапазонах частот. Полоса частот (частоты на которых передается информация) 890–915 МГц используется для передачи информации с мобильной станции (мобильный телефон) на базовую станцию (uplink). Полоса частот 935–960 МГц – для передачи информации с базовой станции на мобильную станцию (downlink). При переключении каналов во время сеанса связи дуплексный разнос (разность между частотами передачи и приема) постоянен и равен 45 МГц. Разнос частот между соседними каналами связи составляет 200 кГц. Таким образом, в отведенной для приема/передачи полосе частот шириной 25 МГц размещаются 124 канала связи (124 канала для всех операторов GSM данного региона).

Кроме этого, в нашей стране хорошо известен еще один популярный диапазон - GSM-1800. Полоса частот передачи информации от мобильной станции (телефона) к базовой станции (uplink) составляет 1710–1785 МГц и полоса частот для передачи информации от базовой станции к мобильной станции (downlink) составляет 1805–1880 МГц. Дуплексный разнос- 95 МГц. В полосе частот шириной 75 МГц размещается 374 канала связи.

Использование GSM-1800 целесообразно в городских условиях. Плотность абонентов тут больше, и поэтому дополнительная канальность приходится очень кстати. Кроме того, электромагнитные колебания высокой частоты имеют лучшую проникающую способность через всевозможные технические строения, коих в городах великое множество. В чем прелесть GSM-900? Так как диапазон этот живет, то у него есть свои преимущества. Главным достоянием можно считать его достаточную чистоту и доступность в силу родоначальности. С этим можно спорить. Однако мы считаем, что это так. Разумеется, в нем сидят и военные, и специальные службы, но все знают, что там, подобно локомотиву, мчится GSM. Это огромная машина, которая практически срослась с государством и дает ему очень много денег. Кроме этого, GSM-900 лучше работает на дальних расстояниях. К этому вопросу мы вернемся чуть позже.

Обсуждение других частотных диапазонов лежит вне поля наших интересов, так как они не прижились в России и Европе. Хочется заметить только одно – там нет существенных отличий. Все практически так же. Только другой частотный диапазон.

Итак, мы обсудили основную рабочую среду сотовой сети GSM. Настало время препарировать ее содержимое, которое расскажет нам, что, где и за что отвечает.

Основные элементы GSM-сети

Структура и номенклатура – два понятия ведут нас к пониманию любой сущности. Представьте, что у вас в руках одна из самых важных шифровок, которая раскрывает смерть президента Джона Кеннеди. Ценность этой депеши прямо пропорциональна тому, владеете ли вы кодом от нее. Или предположим, сидите вы в ресторане, а официант, который подошел к вам, говорит только на редком африканском наречии. В том и другом случае важно понимать, о чем с вами говорят. Поэтому мы начинаем разговор об основных элементах сети GSM.

Структура сети GSM включает в себя:

BSS (Base Station Subsystem) - подсистема базовых станций.
SSS (Switching Subsystem) - подсистема коммутации
OSS (Operation Subsystem) - подсистема эксплуатации и технического обслуживания.



Итак, схема логически разбивается на три квадрата. Каждый из них представляет собой замкнутую систему, которая выполняет определенную, отведенную для нее роль. Опыт показал, что такое разделение целесообразно, с точки зрения контроля, отслеживания ошибок и сбоев, и строительства сети.

Нам предстоит разобрать все элементы этой схемы. Для начала возьмем в рассмотрение подсистему базовых станций BSS (Base Station Subsystem). Она состоит из:

BTS (Base Transceiver Station) - базовые приемо-передающие станции;
BSC (Base Station Controller) - контроллер базовых станций;
TRAU (Transcoding Rate Adapter Unit) - транскодер.

Перед нами практически интерфейс, с которым говорит ваш сотовый телефон. Он помогает «вести» ваш мобильный аппарат на территории каждой базовой станции.

Каждая BTS (Base Transceiver Station) – (базовая приемо-передающая станция) обеспечивает для работы сети следующие функции:

радиопокрытие;
получение и передачу данных и служебной информации от/к мобильной станции;
управление мощностью мобильной станции;
контроль качества передачи информации и т.д.

Базовые приемо-передающие станции бывают разных видов. Прежде всего, их можно разделять по принципу локации: стационарная и передвижная. В нашей стране практикуется установка только стационарных БС. С одной стороны, это простой способ, с точки зрения планирования сот и инфраструктуры (подвод электричества). С другой стороны, перегрузки сети часто связывают с тем, что в одно время на одной соте находятся и одновременно говорят очень много абонентов. Например, всевозможные городские праздники давно стали головной болью для сотовых операторов. Разумно было подвести одну или две передвижных базовых станций, развернуть генераторы и дать народу связь. Однако не все так просто. Вернее, с технической стороны тут нет непреодолимых проблем, а с юридической - полный казус. Насколько известно, сейчас в нашей стране нет ни одного правового документа, который регламентирует развертывание и эксплуатацию передвижных базовых станций. Возможно, в будущем эта проблема будет решена.

Сотовые операторы любят говорить о количестве своих базовых станций. Однако не стоит считать, что чем больше у компании БС, тем больше территория покрытия. Это утверждение верно лишь частично.



Как мы уже писали выше, основу базовой станции GSM составляют приемопередатчики. Они позволяют оператору использовать до восьми каналов. Стандарт GSM говорит, что для управления и обмена информацией необходимы два канала. Количество передатчиков на каждой базовой станции может достигать 24 штук. Это зависит от типа базовой станции и ее назначения. Отметим, что одна базовая станция может конфигурировать до четырех сот. Эксперименты по интерференции волн и создании удаленных сот полностью провалены. О конфигурировании сотовых станций мы поговорим в следующем материале, когда будем рассматривать интерфейсы и принципы GSM-связи.

Установка базовых станций и расчет количества передатчиков на них - это отдельное искусство. Прежде всего, надо провести радиоразведку территории. Например, недопустим случай, когда вы высоко подняли одну из базовых станций и обеспечили хорошую связь с нее на большие расстояния, где уже действуют другие соты. Мобильники повально будут вешаться на соту с хорошим сигналом и «испортят» ее нормальную работу.

Очень важным надо считать количество передатчиков на одной БС. Если соотношение БС/передатчик окажется меньше 1:5, то очень часто сеть будет выдавать сигнал «перегрузка».

Любая базовая станция оборудована дополнительной радиорелейной связью. Это сделано для приложения дополнительных коммуникационных мостов внутри сети. Частотный диапазон для этой связи составляет 3-40 ГГц. Мощность передатчиков может составлять десятки Вт и регламентируется специальными документами. Для связи с мобильным телефоном передатчик базовой станции излучает мощность от пяти до десяти Вт.

Все вы, наверное, обращали внимание на антенны передатчиков базовых станций. Их хорошо видно на вышках. В нашей стране мы встречали только два типа антенн:

слабонаправленные с круговой диаграммой направленности (ДН) в горизонтальной плоскости (тип "Omni")
направленные (секторные) с углом раствора (шириной) основного лепестка ДН в горизонтальной плоскости обычно 60 или 120 градусов

Настал момент перейти к другому важному элементу нашей схемы - BSC (Base Station Controller) — контроллер базовых станций. Это мощный компьютер, обеспечивающий управление работой базовых станций (BTS) и осуществляющий контроль работоспособности всех блоков базовой станции (BTS), а также отвечающий за процедуру handover (передача обслуживания мобильной станции от одной базовой станции к другой в режиме разговора). Контроллер базовых станций управляет одновременно несколькими базовыми станциям (BTS). Их количество определяется, главным образом, объемами потоков вызовов, то есть телефонной нагрузкой. Например, в густонаселенной территории может располагаться большое количество BTS, подключенных к нескольким BSC.

Последним элементом первой подсистемы является TRAU (Transcoding Rate Adapter Unit) — транскодер. Он отвечает за преобразование скорости передачи данных между BSS и SSS. Скорость передачи информации в подсистеме базовых станций (BSS) равна 16 кбит/с, а в подсистеме коммутации – 64 кбит/с. Таким образом, основная задача транскодера преобразовывать скорость из 16 кбит/с в 64 кбит/с, и наоборот.

Если проводить аналогии между сотовой сетью и человеческим организмом, то, безусловно, подсистема коммутации (SSS) служит телом. Сюда стекаются сигналы из «головы», «ног» и «рук». Существует ошибочное представление, что подсистема коммуникации должна находиться в середине зоны покрытия. Это так же верно, как то, что рабочая столовая должна быть в сердце завода. Давайте рассмотрим структуру SSS (Switching Subsystem) — подсистемы коммутации. Она состоит из:

MSC ( Mobile Switching Center) – центра коммутации;
HLR (Home Location Register) – домашнего регистра местоположения;
VLR (Visitor Location Register) – гостевого регистра местоположения;
AuC (Authentication Center) – центра аутентификации.

MSC (Mobile Switching Center) — центр коммутации. Это мозговой центр и одновременно диспетчерский пункт системы сотовой связи, где замыкаются потоки информации о вызовах абонентов, где осуществляется выход на другие сети. Основные назначения MSC:

маршрутизация (направление) сигнала, то есть анализ номера для исходящих и входящих вызовов;
установление, контроль и разъединение соединений.

Также в центре коммутации формируются CDR-файлы (Call Data Recorder) для предоставления в биллинговую систему. Они содержат информацию о месте и времени начала и завершения звонка. Как правило, при организации сети стандарта GSM один или два MSC используются на территории, где проживает до одного миллиона пользователей (включая потенциальных). MSC осуществляет «мониторинг» мобильных станций (мобильных телефонов), используя регистры:

HLR ( Home Location Register) — домашний регистр местоположения
VLR ( Visitor Location Register) — гостевой регистр местоположения.

HLR (Home Location Register) — домашний регистр местоположения представляет собой компьютерную базу данных о домашних абонентах – пользователях мобильной связи, вне зависимости от состояния мобильного телефона (вкл. или выкл.). В ней содержатся опознавательные номера и адреса, а также параметры подлинности абонентов, список услуг связи. Записанные данные позволяют абоненту использовать определенные основные и дополнительные услуги, обеспечиваемые системой. В HLR также хранится та часть информации о местоположении мобильной станции, которая позволяет центру коммутации (MSC) доставить вызов этой станции.

Домашний регистр местоположения (HLR) содержит международный идентификационный номер подвижного абонента (IMSI-International Mobile Subscriber Identity). Он используется для опознавания мобильной станции в центре аутентификации (AuC). К данным, содержащимся в HLR, дистанционный доступ имеют все MSC и VLR. Если в сети имеются несколько HLR, то каждый HLR представляет определенную часть общей базы данных сети об абонентах.

VLR (Visitor Location Register) — гостевой регистр местоположения содержит примерно такие же данные, как и HLR, но только об активных абонентах, то есть о тех, кто в данный момент находится в зоне действия коммутатора (MSC), к которому принадлежит VLR. Количество гостевых регистров местоположения (VLR) равно количеству коммутаторов (MSC). Каждый гостевой регистр местоположения приписан к определенному коммутатору. VLR содержит базу данных о роумерах (роумеры- абоненты другой системы GSM, временно использующие услуги данной системы в рамках процедуры «роуминга»), находящихся в зоне VLR.

Итак, подсистема коммуникации берет на себя очень много функций. Центр коммутации GSM-связи напрямую обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений (голосовые, передача сообщений и передача данных). Теоретически MSC повторяет работу коммутационной станции ISDN. Он представляет собой интерфейс между фиксированными сетями и сетью подвижной связи. Конечно, вам не удастся работать по принципу «Барышня? Соедините…». Однако технически этот шлюз не многим сложнее современных коммутаторов, которые устанавливаются для стационарных сетей. Он обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами. Однако его важное отличие в том, что при этом ему приходится решать проблемы коммутации радиоканалов. Из-за этого достигается непрерывность связи при перемещении подвижной станции из соты в соту. Кроме этого, центр коммуникации решает о переключении рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностях.

Огромные кипы служебной информации непрерывным потоком стекают с него в центр управления и обслуживания. Это статистические данные, необходимые для контроля работы и оптимизации сети. Помимо этого, MSC поддерживает процедуры безопасности, применяемые для управления доступами к радиоканалам.

Вы слышали о роуминге? Думаем, что да. Когда два оператора договариваются о роуминге своих абонентов, то это значит, что они могут пользоваться HLR (Home Location Register) и VLR (Visitor Location Register) совместно. Вернее, каждый из них получает доступ к гостевому регистру друг друга. С домашним регистром все немного сложнее. Более детально мы поговорим об этом в следующих главах.

Небольшим квадратом на схеме к домашнему регистру местоположения примостился центр аутентификации (AuC). AuC (Authentication Center) — центр аутентификации формирует параметры для процедуры аутентификации и определяет ключи шифрования мобильных станций абонентов. Процедура аутентификации – процедура подтверждения подлинности абонента (действительности, законности, наличия прав на пользование услугами сотовой связи) сети GSM. Выполнение данной процедуры исключает наличие несанкционированных пользователей («сотовых двойников») услугами GSM. На данный момент работа этого блока в сетях GSM доведена до фантастического уровня. Разумеется, это только машина, управляемая программой, которую писал человек. Однако годы работы не прошли бесследно. Центр аутентификации обмануть извне системы практически невозможно. Попытки клонировать GSM-аппараты практически повсеместно потерпели крах. Теоретическая возможность осталась. Однако экономически такой двойник абсолютно не обоснован.

Нам осталось познакомиться с последней подсистемой - эксплуатации и технического обслуживания (OSS). OSS (Operation Subsystem) — подсистема эксплуатации и технического обслуживания обеспечивает контроль качества работы сети и управление ее компонентами. OSS может устранять неисправности сети автоматически или при активном вмешательстве персонала; позволяет производить управление нагрузкой сети, обеспечивать проверку состояния оборудования. OSS состоит из двух компонентов:

OMC (Operation and Maintenance Centre) — центр эксплуатации и технического обслуживания;
NMC (Network Management Centre) — центр управления сетью.


Несколько слов об их функциях: OMC (Operation and Maintenance Centre) — центр эксплуатации и технического обслуживания, выполняющий функции текущего руководства функционирования сети, ее технического обслуживания, обновления системы, проведения операций по загрузке команд и программного обеспечения на BSS, MSC, HLR, VLR и AuC. NMC (Network Management Centre) — центр управления сетью. Это центральный пункт наблюдения за сетью GSM и анализа ее функционирования.

Заключительное слово

На этом мы заканчиваем знакомство с мобильной связью GSM. Выражаем благодарность компании МТС за предоставленную для материала информацию. В следующей статье мы познакомим вас с сотовым телефоном и SIM-картой, которые содержат много интересного.

Для общего развития интересно!

СОТОВАЯ СВЯЗЬ, КАК ЭТО РАБОТАЕТ

Smurfik
лет через 10 снова апни тему. выдавишь из себя очередную порцию ностальгических соплей.

DArkZ Завидуй молча, бобер!

Это сообщение отредактировал Smurfik - 11.04.2016 - 12:51

ахаха )) чему завидовать то, дурашка? я эту херь лет 12 назад последний раз стажерам читал.
хабр покури ) мож чего нового по гсм сюда скопипастишь, хоть какой то толк будет от твоей некрофилии ))

я видос залил, а не ту инфу старую