Сотовая связь стала неотъемлемой частью нашей жизни. Одним из наиболее широко распространенных стандартов сотовой связи является GSM (Global System for Mobile Communications), который был разработан и впервые применен в 2G-сетях. В данной статье мы рассмотрим основные принципы работы GSM-сетей и основы связи, чтобы лучше понять, как функционируют наши мобильные телефоны.
История развития GSM-стандарта началась около 30 лет назад, в начале 1980-х годов. Его создание было связано с необходимостью разработки новой системы сотовой связи, которая позволяла бы обеспечить больший объем передачи данных и повысить качество связи. Главным органом, ответственным за разработку GSM-стандарта, является ETSI (European Telecommunications Standards Institute).
GSM-сеть состоит из трех основных подсистем: Base Station Subsystem (BSS), Network Subsystem (NSS) и Operation and Support Subsystem (OSS). Base Station Subsystem отвечает за передачу радиосигнала от мобильного телефона до базовых станций. Network Subsystem обеспечивает коммутацию звонков и передачу данных, а также управляет переключением между базовыми станциями для поддержания непрерывной связи. Operation and Support Subsystem предоставляет услуги управления и поддержки сети, включая диагностику и мониторинг.
В стандарте GSM используются разные частотные диапазоны для передачи данных, в зависимости от страны и оператора. В Европе и России наиболее распространенный диапазон — 900 МГц, но также используется и 1800 МГц. В США и некоторых других странах применяется диапазон 1900 МГц или 850 МГц. Базовые станции размещаются таким образом, чтобы иметь минимальное перекрытие сигнала между секторами, что обеспечивает более эффективное использование доступных каналов и увеличивает емкость сети.
- Принципы работы GSM-сетей
- 1. Регистрация в сети
- 2. Установление вызова
- 3. Передача голоса и данных
- 1. Вызовы и SMS-сообщения
- 2. Конференция
- Основы связи в технологии 2G
- Идентификация пользователей и передача данных
- Межоператорное взаимодействие и услуги
- Главные характеристики GSM-сетей
- Основные характеристики GSM-сетей:
- Принцип действия сотовых станций
- Технологии передачи данных в сетях 2G
- Видео:
- Как устроена базовая станция сотовой связи
Принципы работы GSM-сетей
GSM-сети (сети сотовой связи) основаны на использовании цифровой технологии и предоставляют возможность передачи данных, голоса и текстовых сообщений. Принцип работы GSM-сетей основан на разделении доступных для передачи частот на каналы, а также на разделении сети на различные подсети, каждая из которых работает на своей частоте.
Основной план работы GSM-сетей включает в себя следующие основные операции:
1. Регистрация в сети
Когда абонент включает свой мобильный телефон, он регистрируется в ближайшей базовой станции. Во время регистрации происходит обмен информацией между абонентом и базовой станцией, в результате чего абонент получает идентификатор, называемый MSISDN (номер мобильного телефона).
2. Установление вызова
При установлении вызова, абонент, желающий позвонить, отправляет запрос в сеть с указанием номера телефона, куда требуется сделать вызов. Затем сеть находит абонента по указанному номеру и устанавливает связь между ними.
3. Передача голоса и данных
В процессе передачи голоса и данных, информация разделяется на блоки по времени, называемые кадрами. Кадры передаются через радиоканалы между абонентом и базовой станцией. Для обеспечения передачи информации по радиоканалам используются частотные диапазоны.
Интересна также возможность использования 3G роуминга, которая позволяет абонентам использовать свои голосовые и данных услуги в других странах, в которых имеются сети 3G.
Во время работы GSM-сетей возникают различные ситуации и состояния:
1. Вызовы и SMS-сообщения
GSM-сети позволяют абонентам совершать вызовы и отправлять SMS-сообщения в любой момент времени. Эти операции могут быть выполнены как в пределах одной страны, так и в интернациональном роуминге.
2. Конференция
С помощью функции конференции абоненты могут общаться друг с другом одновременно. В конференции может участвовать несколько абонентов одновременно.
Краткая таблица, иллюстрирующая ключевые принципы работы GSM-сетей:
| Операция | Описание |
|---|---|
| Регистрация | Процесс, в результате которого абонент получает свой MSISDN |
| Установление вызова | Процесс, в результате которого устанавливается связь между абонентами |
| Передача голоса и данных | Процесс передачи информации через радиоканалы |
Таким образом, принципы работы GSM-сетей обеспечивают надежную и эффективную связь между абонентами в пределах каждой страны и в интернациональном роуминге.
Основы связи в технологии 2G
Длина волны, используемая в 2G, составляет около 30 сантиметров, что позволяет ей легко преодолевать преграды и иметь хорошую проникающую способность. Базовая станция, которая предоставляет связь в 2G-сети, называется БС. Эта станция может обслуживать множество пользователей на определенной территории, в зависимости от плотности населения и потребности в связи.
Основная структура сети 2G состоит из БС, базовой трансиверной станции (BTS), базового контроллера (BSC) и коммутационного центра мобильной сети (MSC). БС обеспечивает связь с пользователями, а BTS отвечает за передачу данных и управление радиоинтерфейсом. BSC осуществляет управление BTS и занимается переключением вызовов между ячейками. MSC отвечает за переключение вызовов между сотовыми сетями и фиксированными сетями.
В 2G-сетях используется частотное разделение каналов (FDD) для разделения сигналов передачи и приема. Всего доступны два частотных диапазона для работы GSM-сетей: GSM-900 и GSM-1800. В каждом из этих диапазонов доступны множество частотных каналов.
Однако, в отличие от сетей 3G и 4G, диапазонов в 2G-сетях значительно меньше, что ограничивает емкость сети. Основная причина этого заключается в использовании временного интервала, известного как временное позиционирование (TP), в структуре передаваемых данных. В каждом временном интервале передается определенное количество битов данных (обычно 156 битов) для каждого канала. Если в 3G сетях можно менять количество передаваемых битов в одном временном интервале, то в 2G сетях этот объем фиксирован.
Кроме того, была использована частотная прыгающая последовательность (FHSS) для передачи данных в 2G-сетях. FHSS позволяет системе передавать данные на разных частотных каналах, что обеспечивает надежность связи и восприимчивость к помехам. Эта технология также позволяет системе работать с другими стандартами, снижая взаимные помехи.
Идентификация пользователей и передача данных
Для идентификации пользователей в 2G-сетях используется идентификатор мобильной абонентской станции (MSISDN). MSISDN представляет собой уникальный номер, который привязан к каждой SIM-карте и позволяет идентифицировать пользователя в сети. Он состоит из кода страны, кода оператора связи и номера абонента.
Передача данных в 2G-сетях выполняется через двунаправленный связанный канал, который состоит из downlink (DL) и uplink (UL). В DL данные передаются от БС к подключенным станциям, а в UL — от станций к БС.
Структура передаваемых данных представляет собой полезную последовательность битов, которые передаются по определенным временным интервалам. Каждый временной интервал разделен на битами, которые содержат полезную информацию, а также информацию для управления сетью.
Межоператорное взаимодействие и услуги
В 2G-сетях была разработана архитектура, которая позволяет операторам связи обмениваться данными между сетями. Это называется межоператорным взаимодействием. Эта архитектура позволяет пользователям сети одного оператора роуминговать в других сетях, поддерживая связь и услуги, такие как голосовая связь, SMS и мобильный интернет.
2G также предоставляет некоторый набор услуг, таких как голосовая связь, SMS и простая передача данных. Однако, по сравнению с более новыми стандартами, такими как 3G, 4G и 5G, доступность услуг ограничена, и мощность передачи данных намного ниже (обычно до 3.2 Мбит/с).
В настоящей истории связи 2G играет важную роль как отправная точка развития сотовых сетей. Он предоставляет основу для более новых стандартов и технологий, таких как 3G, 4G и 5G. Однако, с увеличением требований к передаче данных и развитием информационной технологии, 2G постепенно уступает место более современным технологиям связи.
| Основные принципы | Преимущества | Недостатки |
|---|---|---|
| Использование цифровой модуляции данных | — Более надежная передача данных — Удобство использования |
— Ограниченный объем передаваемых данных — Ограниченная энергетическая эффективность |
| Частотное разделение каналов (FDD) | — Эффективное использование спектра — Обеспечение качественной связи |
— Ограниченный диапазон частотных каналов — Ограниченная емкость сети |
| Межоператорное взаимодействие | — Роуминг — Услуги связи в других сетях |
— Возможность взаимных помех — Ограниченные услуги по сравнению с новыми технологиями |
Главные характеристики GSM-сетей
Технология FDMA (частотное разделение) применяется в GSM-сетях для организации различных каналов связи. Каждый абонент получает уникальный идентификатор, который используется для установления связи с ним. Сеть разделяет доступные частотные диапазоны на каналы разной скорости передачи данных.
Основные характеристики GSM-сетей:
- Скорость передачи данных: сегодняшние GSM-сети позволяют передавать данные со скоростью до 2.1 Мбит/с.
- Существуют различные диапазоны частот, которые могут использоваться для связи в GSM-сетях, включая 900 МГц, 1800 МГц и 1900 МГц.
- Затухание радиосигнала возникает при передаче данных на большие расстояния или через преграды, такие как стены или здания.
- Организация связи в GSM-сетях осуществляется путем использования коммутатора, который соединяет различные базовые станции и обеспечивает передачу данных между ними.
- Применение шифрующей системы позволяет обеспечить безопасность передаваемых данных и защитить их от несанкционированного доступа.
- Главной идентификатор сети GSM-сети является IMSI, который уникален для каждого абонента.
- Появление сотовых сетей GSM позволило провайдерам связи предлагать широкий спектр услуг, включая пейджинг, передачу данных и мультимедийные услуги.
- Организация связи в сотовой сети GSM осуществляется посредством разделения каналов на общеканальную и каналы для конкретного абонента.
- Технология Home Location Register (HLR) используется для хранения информации об абонентах, включая их идентификатор, номера телефонов и другую системную информацию.
В итоге, сотовая сеть GSM обладает рядом ключевых характеристик, которые сделали ее популярной и простой в использовании. Несмотря на появление новых технологий связи, GSM-сети продолжают использоваться многими провайдерами связи во всем мире.
Принцип действия сотовых станций
Для обеспечения связи сотовая станция использует специально отведенные диапазоны частот, которые называются каналами. Одному каналу соответствует определенная частота, на которой передается информация между сотовой станцией и абонентом. В данный момент существуют несколько стандартов сотовой связи, включая 2G (GSM), 2.5G (GPRS/EDGE), 2.9G (UMTS/HSPA), 3G (UMTS/HSPA+), 4G (LTE) и 5G.
Одним из ключевых принципов работы сотовых станций является регистрация абонентов. При подключении абонентское устройство (телефон) регистрируется в сети оператора. Для этого происходит обмен сообщениями между телефоном и сотовой станцией, в ходе которого данные о телефоне и его абоненте сохраняются в системной базе данных.
Каждый абонент имеет свой уникальный номер — IMSI (International Mobile Subscriber Identity). Этот номер хранится в SIM-карте телефона и служит для идентификации абонента в системе сотовой связи.
Все каналы сотовой станции разделены на два типа: общеканальные и гостевые. Общеканальные каналы предназначены для передачи данных сотовой связи, таких как звуковая информация, текстовые сообщения и др. Гостевые каналы используются для передачи специальных служебных сообщений между сотовыми станциями и базовыми станциями.
Для повышения помехоустойчивости и эффективности передачи данных в сотовых сетях используется техника частотного hopping’а. Суть этой техники заключается в переключении передачи данных между различными каналами сотовой станции. Это позволяет устранить помехи и улучшить качество связи в условиях шума и интерференции. Более новые стандарты связи, такие как 4G и 5G, используют более сложные алгоритмы hopping’а для более эффективного использования доступных каналов.
Общеканальные каналы сотовой станции используются для передачи данных между сотовой станцией и абонентскими устройствами. В зависимости от популярности услуг и количества пользователей, сотовая станция может иметь различное количество общеканальных каналов. Чем выше спрос на услуги сотовой связи, тем больше каналов будет выделено для передачи данных. За последние годы наблюдается стабильный рост спроса на мобильные услуги, поэтому сотовые станции стали иметь все больше и больше общеканальных каналов.
Как уже было сказано, сотовые станции работают в радиусе нескольких километров. При расстоянии выше этого порога абонентское устройство не сможет установить стабильную связь с сотовой станцией. В такой ситуации абонент должен приблизиться к сотовой станции или дождаться ухудшения погодных условий, что приведет к увеличению расстояния, на котором возможна связь.
Технологии передачи данных в сетях 2G
Каждый абонент имеет свой «физиологический» диапазон, который определяет его рабочее расстояние от базовой станции. Это расстояние может быть от нескольких метров до нескольких километров. Если абонент находится в крайнем диапазоне своего контроллера, его сигнал может быть слабым и подвержен помехам. Чтобы улучшить качество связи в таких условиях, GSM использует технологию передачи данных FHSS (Frequency-Hopping Spread Spectrum), которая позволяет распределить данные по разным частотам.
Для обмена информацией между абонентом и базовой станцией используется радиоинтерфейс. Это логические каналы, на которых передаются данные. В сетях 2G, такие каналы называются «бурстами». Каждый бурст содержит несколько битов информации, которые передаются в определенном порядке. Биты могут использоваться для передачи различной полезной информации, такой как речь, данные или сигналы для управления сетью.
В сетях 2G, используется шифрование данных для обеспечения конфиденциальности абонентов. Это позволяет предотвратить несанкционированный доступ к информации, передаваемой по радиоинтерфейсу. Еще одна полезная функция сетей 2G — технология биллинга. Она позволяет оператору вести учет и оплата за использование услуг связи.
Сети 2G также поддерживают роуминг, то есть возможность абонентам свободно разговаривать вне своего домашнего региона. Принцип межоператорного роуминга состоит в том, что сеть одного оператора может передавать вызовы абонентов другого оператора. Этот принцип позволяет абонентам оставаться на связи даже при перемещении в другой регион или страну.
В целом, технологии передачи данных в сетях 2G обеспечивают надежную и эффективную связь между абонентами. Они позволяют использование различных услуг и обеспечивают конфиденциальность передаваемой информации. С сегодняшними требованиями к сотовым сетям и ростом использования данных, эти принципы все еще остаются актуальными.