Основы сотовой связи. Jl. Сотовая связь Работа телефона в сотовой сети
Цель урока: развитие информационных и коммуникативных компетенций учащихся.
Оборудование: экран, проектор, магниты, листы ватмана, выделители текста зеленый и красный, маркеры черные, чугунная кастрюля.
ХОД УРОКА
Учитель: Тема нашего урока вам близка, знакома и очень актуальна. Она зашифрована в этих картинках.
Приложение 2 . Слайд 1.
|
Отгадали: сотовая связь.
Приложение 2 . Слайд 2. (Этапы развития)
Учитель рассказывает или учащийся делает сообщение:
Сотовый телефон
– это не что иное, как радиотелефон
.
Телефон изобрели в 1876 году, радио – тоже открытие
позапрошлого века. Оставалось лишь соединить эти
две технологии, и на это ушло почти 100 лет. Это
стало возможным после появления интегральных
микросхем и сравнительно лёгких аккумуляторов. В
этом году у «мобильника» небольшой юбилей –
ему исполнилось 35 лет.
Первый звонок с мобильного был произведен в
1973 году, и понадобилось 10 лет
, чтобы
довести изобретение до массового
потребителя.
Первые мобильные телефоны стоили очень
дорого
, при этом, мягко говоря, не отличались
карманными размерами. За каждый такой аппарат
весом 1кг желающим предлагалось заплатить ни
много, ни мало 3500 долларов
.
Однако сама связь осуществлялась уже по вполне
современным принципам –
через базовые
станции
, сеть
которых напоминает
соты
, поэтому эту связь и называют сотовой.
Учитель: Наверняка вы слушаете радиопередачи. Каких станций? Можете назвать? А почему в эфире вы находите 20 радиостанций, а не 120? С чем это связано?
Ученики отвечают.
Учитель:
А абонентов сотовой связи
насчитывается более 2 млрд. Как же осуществляется
такая связь?
В работе системы применяется принцип деления
некоторой территории на зоны, или «соты». Каждая
«сота» обслуживается передатчиком, излучение
которого хорошо улавливается только на
расстоянии от 500 м до 10 километров – радиуса
действия соты. В соседней соте этот сигнал
настолько ослабевает, что не улавливается
телефоном. Это позволяет без всяких взаимных
помех использовать ту же самую частоту повторно
в другой ячейке. Таким образом, работая на одном,
выделенном канале, но с большим числом базовых
станций сотовая связь может покрывать
неограниченные территории, соединяя большое
число абонентов.
Полезная связь? Да!
Достаньте, пожалуйста, свои мобильные телефоны.
А вы уверены, что хранить мобильные телефоны в
карманах безопасно?
Какое же это устройство – полезное или
вредное? Разберемся с этим!
Слайд 4. Сотовая связь – за или против?
Учитель:
У вас на столах листы с
информацией. Приложение 1
.
Каждый работает со своим листом.
Ваша задача – красным цветом (цвет
опасности)
выделить информацию о вредном
влиянии сотовой связи, а зеленым цветом
информацию о пользе сотовой связи. На работу вам
дается 3 минуты.
Учащиеся работают индивидуально.
Учитель: Покажите листы. Что-то многовато красного цвета. Весомые должны быть аргументы, чтобы использовать сотовую связь! Полезное это устройство или вредное?
Учащиеся: Полезное устройство, но необходимо выработать меры безопасности.
Учитель: Продолжим работу. Необходимо разделиться на три группы. Каждая группа будет выполнять свое задание.
Задание: 1 группа работает только над аргументами в пользу сотовой связи, 2 группа – только над аргументами о вредном влиянии. Вам необходимо:
1. По возможности информацию объедините в 2-3
крупных блока, распределив ее по категориям.
Назовите эти категории, используя не более 3 слов,
и изобразите на
схеме черным
маркером. Рисунок 1 .
2. Конкретные примеры из текста используйте для
более мелкого деления
. Можете приводить собственные
аргументы
.
3. Презентацию вашей работы (представление) могут
сделать 1-2 человека от группы.
На эту работу – 5 минут.
Задание 3 группе: обсудите все моменты за и против и составьте правила пользования мобильным телефоном . Запишите их на листе.
На эту работу дается 5 минут.
Группы вывешивают свои работы.
Презентация. Выступают представители от групп. Остальные группы могут дополнять.
Учитель: Давайте расставим приоритеты. Ранжируйте правила по мере их значимости. Сравните с теми, что предлагают специалисты из комитета по радиометрическому контролю.
Слайд 5. Меры предосторожности:
1. Не пользуйтесь сотовым телефоном без
необходимости
2. Разговаривайте непрерывно не более 3 – 4 минут
3. Не допускайте, чтобы сотовым телефоном
пользовались маленькие дети
4. При покупке выбирайте сотовый телефон с
меньшей мощностью излучения
5. В автомобиле используйте сотовый телефон
совместно с системой
громкоговорящей связи
Учитель:
А теперь проведем
эксперимент: какова проникающая способность
излучения мобильных телефонов.
В толстостенную кастрюлю (чугунную) положить
телефон, позвонить – соединение не происходит.
Повторить вызов – соединяется! Учащиеся делают
вывод: при повторном вызове мощность сигнала
увеличивается.
Добавить пункт в правила:
6. При повторном вызове не держать аппарат вблизи
головы.
Учитель: Что вы выберете для себя самое важное и интересное из сегодняшнего урока?
Учащиеся отвечают, проводится рефлексия.
В течение полутора веков, прошедших с момента изобретения телефона, телефонная связь настолько прочно вошла в быт современного человека, что отсутствие телефона в квартире практически стало исключением. К достоинствам проводных телефонных сетей следует отнести надежность связи и развитую систему абонентских сетей, позволяющую пользователю связаться с абонентом практически в любой стране мира.
Однако «жесткая привязка» абонента к стационарному телефонному аппарату, «ограниченная» к тому же длиной провода телефонной трубки, не позволяла пользователю быть мобильным , т. е. свободно перемещаться в пространстве во время разговоров или между ними.
Во второй половине прошлого века по мере совершенствования техники и технологии стала развиваться идея создания всемирной (глобальной) сети мобильной (сотовой) телефонной связи , позволяющей пользователю иметь доступ к развитой абонентской сети при помощи портативной переносной (мобильной) трубки-телефона значительного (десятки километров) радиуса действия.
Реализация этой идеи позволила бы вывести телефонную связь на новый уровень популярности и доступности с точки зрения пользователя, который имел бы свой индивидуальный телефонный номер и практически неограниченную свободу передвижения (мобильности) во время разговоров или между ними.
Предлагаемый принцип действия мобильной телефонной связи достаточно прост: при помощи трубки-телефона (мобильного телефона) абонент связывается с ближайшей базовой станцией (передатчиком) сети (рис. 224).
Рис. 224. Базовая станция сотовой сети (передатчик)
Эта базовая станция, в свою очередь, связывается со следующим передатчиком сети и т. д. по мере требования абонента (рис. 225).
Рис. 225. Сотовая сеть передатчиков
Описанный принцип создания развитой абонентской сети называется сотовым принципом, поскольку по такому же принципу пчелы выстраивают соты внутри улья. При этом каждая созданная ячейка служит основой для создания следующей точно такой же ячейки и т. д.
В силу этого обстоятельства мобильную телефонную связь принято называть также сотовой телефонной связью. При движении абонента (например, на автомобиле) (см. рис. 225) базовые станции самостоятельно следят за ним и «передают» друг другу, что происходит практически без потери качества связи, быстро и совершенно незаметно для пользователя.
Самая простая часть структурной схемы сотовой связи - мобильный (переносной) телефон, состоит из двух частей: собственно «трубки» или ME (Mobile Equipment) и модуля идентификации абонента, или смарт-карты SIM (Subscriber Identity Module), получаемой при заключении контракта с тем или иным оператором.
Каждому сотовому телефону при производстве присваивается собственный номер или международный идентификатор мобильного устройства ΙΜΕΙ (International Mobile Equipment Identity), позволяющий отличить его от второго точно такого же.
В нашей стране используется стандарт сетей второго поколения GSM (Global System for Mobile Communications), который был разработан в 1990 г. Данный стандарт использует рабочую частоту ν = 900 МГц, позволяющую значительно улучшить качество связи по сравнению со стандартами первого поколения.
Первый оператор GSM принял абонентов в 1991 году, а уже к началу 1994 г. мировые сети, основанные на данном стандарте, имели 1,3 миллиона абонентов. К концу 1995 г. их число увеличилось до 10 миллионов!
При включении мобильного телефона с активированной смарт-картой он «сам» находит ближайшую базовую станцию соответствующей сотовой сети, после чего весь пакет телефонных услуг данной сети становится доступным абоненту.
Каждый передатчик обеспечивает радиопокрытие в среднем на расстоянии до двух десятков километров от него (рис. 226). Для рационального использования сотовой сети передатчиков разрабатываются оптимальные схемы их взаиморасположения на местности с учетом ее рельефа.
Транковая связь Связь внутри некоторой группы, групповой вызов всем членам группы Наличие приоритетов Высокая скорость соединения Малая необходимость выхода в сети общего пользования Преимущественная передача данных Частое использование полудуплексной передачи Протоколы: MPT-1327 (аналоговый), TETRA (цифровой)
Технологии мобильной связи Пейджинг (МГц) Твейджинг Сотовая телефония Транкинг (trunking)
История сотовой связи Первое поколение систем сотовой связи 1946 г. - в г. Сент-Луис (США) - первая система радиотелефонной связи середина 1940-х годов Bell Laboratories компании AT&T - идея разбиения всей обслуживаемой территории на соты Конец 70х годов - работы по созданию единого стандарта связи (Швеция, Финляндия, Исландия, Дания, Норвегия) – NMT-450 (Nordic Mobile Telephone) 1983 г. – США, Чикаго – сеть стандарта AMPS (Advanced Mobile Phone Service) 1985 г. – стандарт NMT г. – Великобритания – TACS (Total Access Communications System), 1987 г. – ETACS (Enhanced TACS) 1985 г. – Франция – Radiocom-2000
Аналоговые системы Используется аналоговый способ передачи информации с помощью обычной частотной или фазовой модуляции, как и в обычных радиостанциях. Недостатки: существует возможность прослушивания разговоров другими абонентами; отсутствуют эффективные методы борьбы с замираниями сигналов под влиянием окружающего ландшафта и зданий или вследствие передвижения абонентов. Решение: расширение частотного диапазона; переход к рациональному частотному планированию.
Global System for Mobile Communications -> 1990 г. 1989 г. Великобритания - «Сети персональной связи» PCN (Personal Communication Networks" title="История сотовой связи Второе поколение систем сотовой связи 1982 г. СЕРТ создала Groupe Special Mobile (GSM) -> Global System for Mobile Communications -> 1990 г. 1989 г. Великобритания - «Сети персональной связи» PCN (Personal Communication Networks" class="link_thumb"> 7 История сотовой связи Второе поколение систем сотовой связи 1982 г. СЕРТ создала Groupe Special Mobile (GSM) -> Global System for Mobile Communications -> 1990 г г. Великобритания - «Сети персональной связи» PCN (Personal Communication Networks) Америка - «Услуги персональной связи» PCS (Personal Communication Services 1990 г. Америка TIA (Telecommunications Industry Association) - национальный стандарт IS-54 (D-AMPS или ADC) Американская компания Qualcomm начала активную разработку CDMA (Code Division Multiple Access) г. в Европе - стандарт DCS-1800 (Digital Cellular System) 1991 г. в Японии - JDC (Japanese Digital Cellular) 1992 г. в Германии вступила в коммерческую эксплуатацию первая система сотовой связи стандарта GSM В 1993 г. в США был принят стандарт CDMA (IS-95) 1993 г. Великобритания - вступила в эксплуатацию первая сеть DCS Оnе-to-Оnе Global System for Mobile Communications -> 1990 г. 1989 г. Великобритания - «Сети персональной связи» PCN (Personal Communication Networks"> Global System for Mobile Communications -> 1990 г. 1989 г. Великобритания - «Сети персональной связи» PCN (Personal Communication Networks) Америка - «Услуги персональной связи» PCS (Personal Communication Services 1990 г. Америка TIA (Telecommunications Industry Association) - национальный стандарт IS-54 (D-AMPS или ADC) Американская компания Qualcomm начала активную разработку CDMA (Code Division Multiple Access). 1991 г. в Европе - стандарт DCS-1800 (Digital Cellular System) 1991 г. в Японии - JDC (Japanese Digital Cellular) 1992 г. в Германии вступила в коммерческую эксплуатацию первая система сотовой связи стандарта GSM В 1993 г. в США был принят стандарт CDMA (IS-95) 1993 г. Великобритания - вступила в эксплуатацию первая сеть DCS- 1800 Оnе-to-Оnе"> Global System for Mobile Communications -> 1990 г. 1989 г. Великобритания - «Сети персональной связи» PCN (Personal Communication Networks" title="История сотовой связи Второе поколение систем сотовой связи 1982 г. СЕРТ создала Groupe Special Mobile (GSM) -> Global System for Mobile Communications -> 1990 г. 1989 г. Великобритания - «Сети персональной связи» PCN (Personal Communication Networks"> title="История сотовой связи Второе поколение систем сотовой связи 1982 г. СЕРТ создала Groupe Special Mobile (GSM) -> Global System for Mobile Communications -> 1990 г. 1989 г. Великобритания - «Сети персональной связи» PCN (Personal Communication Networks">
История сотовой связи Россия В Санкт-Петербурге, в Москве - системы стандарта NMT-450i - Sotel (1991 г.) 1994г.принятие концепции развития сетей сухопутной подвижной связи Провозглашение стандарта GSM в качестве одного из двух федеральных стандартов (NMT и GSM) Условия развития сетей CDMA в России определены приказом Министерства связи РФ 18 от 24 февраля 1996 г. Первая сеть стандарта CDMA начала функционировать в Челябинске, затем Москва, С.-Пб.
Системы третьего поколения В Европе - UMTS (универсальная система подвижной связи) объединение функциональных возможностей существующих цифровых систем связи в единую систему третьего поколения FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunications System 2002 г. - требования к единой системе мобильной связи были сформулированы в рамках новой программы IMT-2000 (International Mobile Telecommunications).
Способ доступа к радиоканалам Случайный доступ (метод Алоха, назван так в связи с первым применением метода для связи между группой Гавайских островов). Применяется только при малых нагрузках. Его развитием стал метод МДКН/ОК, используемый в локальных и корпоративных сетях. (метод Алоха, назван так в связи с первым применением метода для связи между группой Гавайских островов). Применяется только при малых нагрузках. Его развитием стал метод МДКН/ОК, используемый в локальных и корпоративных сетях. По технологии CDMA По технологии TDMA
CDMA технология Direct Sequence (Pseudo Noise) Spread Spectrum (прямая последовательность (псевдошум) с широким спектром) выделяется своя кодовая комбинация возможность одновременной передачи в отведенной полосе частот нескольких сообщений с различными кодами символов
NMT-450 Аналоговая система связи Частотный диапазон МГц Дальность прямой связи – несколько десятков км Недостатки: Низкая помехоустойчивость Дефицит каналов Трудность обеспечения защиты от прослушивания
Общие характеристики стандарта GSM Использование спектра частот подвижной связи в диапазоне МГц Используется узкополосный многостанционный доступ с временным разделением каналов (NB ТDМА) Для защиты от ошибок в радиоканалах при передаче информационных сообщений применяется блочное и сверточное кодирование с перемежением Повышение эффективности кодирования и перемежения при малой скорости перемещения подвижных станций достигается медленным переключением рабочих частот (SFH) в процессе сеанса связи со скоростью 217 скачков в секунду используются эквалайзеры, обеспечивающие выравнивание импульсных сигналов со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16 мкс Cистема синхронизации рассчитана на компенсацию абсолютного времени задержки сигналов до 233 мкс, что соответствует максимальной дальности связи или максимальному радиусу ячейки 35 км Гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK)
Переносной телефон трубка - МЕ (Mobile Equipment - мобильное устройство) имеет IMEI (International Mobile Equipment Identity - международный идентификатор мобильного устройства) смарт-карта SIM (Subscriber Identity Module - модуль идентификации абонента) содержит IMSI (International Mobile Subscriber Identity - международный идентификационный номер подписчика)
BSC - 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). - 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).
Структура NSS (SSS) MSC (Mobile Switching Center) – центр коммутации; HLR (Home Location Register) – домашний регистр местоположения; VLR (Visitor Location Register) – гостевой регистр местоположения; AuC (Authentication Center) – центр аутентификации.
Основные назначения MSC маршрутизация (направление) сигнала, то есть анализ номера для исходящих и входящих вызовов; установление, контроль и разъединение соединений; формирование CDR-файлов (Call Data Recorder) для предоставления в биллинговую систему.
Долгосрочные данные, хранимые в HLR и VLR Международный идентификационный номер подписчика (IMSI) Телефонный номер абонента в обычном смысле (MSISDN) Категория подвижной станции Ключ идентификации абонента (Ki) Виды обеспечения дополнительными услугами Индекс закрытой группы пользователей Код блокировки закрытой группы пользователей Состав основных вызовов, которые могут быть переданы Оповещение вызывающего абонента Идентификация номера вызываемого абонента График работы Оповещение вызываемого абонента Контроль сигнализации при соединении абонентов Характеристики закрытой группы пользователей Льготы закрытой группы пользователей Запрещенные исходящие вызовы в закрытой группе пользователей Максимальное количество абонентов Используемые пароли Класс приоритетного доступа
Временные данные, хранимые в HLR Параметры идентификации и шифрования Параметры идентификации и шифрования Временный номер мобильного абонента (TMSI) Временный номер мобильного абонента (TMSI) Адрес реестра перемещения, в котором Адрес реестра перемещения, в котором находится абонент (VLR) находится абонент (VLR) Зоны перемещения подвижной станции Зоны перемещения подвижной станции Номер соты при эстафетной передаче Номер соты при эстафетной передаче Регистрационный статус Регистрационный статус Таймер отсутствия ответа Таймер отсутствия ответа Состав используемых в данный момент Состав используемых в данный момент паролей паролей Активность связи Активность связи
AuC - центр аутентификации формирует параметры для процедуры аутентификации и определяет ключи шифрования мобильных станций абонентов. - 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.
Процесс определения подлинности абонента SRES = Ki * RAND TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity-временный номер мобильного абонента) При получении IMEI сетью, он направляется в EIR, где сравнивается с так называемыми "списками" номеров.
Разбиение сети на LA BTS - базовых станций (одна BTS - одна "сота", ячейка). BTS объединяют в группы - домены, получившие название LA (Location Area - области расположения). Каждой LA соответствует свой код LAI (Location Area Identity).
Алгоритм handoverа Типы смена каналов в пределах одной базовой станции смена канала одной базовой станции на канал другой станции, но находящейся под патронажем того же BSC. переключение каналов между базовыми станциями, контролируемыми разными BSC, но одним MSC переключение каналов между базовыми станциями, за которые отвечают не только разные BSC, но и MSC.
Основные диагностические сигналы об ошибке Тройной гудок (длительность каждой части 330 мс), 1 с пауза 950±50Гц 1400±50Гц 1800±50Гц Общая ошибка 200мс гудок, 200 мс пауза425±15 ГцПерегрузка сети 500мс гудок, 500 мс пауза425±15 Гц Номер абонента занят Тип сигналаЧастотаТип ошибки
