Понятие за  GSM?

GSM е водещият стандарт от второ поколение за мобилни комуникации по цял свят. Около 2/3 от всички мобифони по света използват тази технология. Най-масово разпостранена е употребата му в Европа. Първата генерация мобилни технологии използва аналогов сигнал за пренос на информацията, което ги прави доста несигурни. Както всички технологии от второ поколение, GSM използва само цифрови потоци.

Основната разлика между GSM и разработваните нови технологии от трето поколение е в това, че GSM е предназначена за пренос на гласов сигнал между телефоните. Новите стандарти ще позволяват много по-широк спектър от възможности. GSM стандартът бе разработен от Европейския институт за телекомуникационни стандарти (The European Telecommunications Standards Institute - ETSI). Сега, обаче, стандартът и неговите спецификации, както и допълващите го технологии са притежание на Партньорския проект за трета генерация (The Third Generation Partnership Project - 3GPP). За да подели полагащата й се част от радио спектъра между мобилните телефони, GSM използва така наречените технологии FDMA и TDMA. FDMA за GSM разделя наличния радио спектър (800 или 1900MHz) на отделни части с големина от 200KHz. Тези парчета от ефира се използват многократно в рамките на една мрежа, но не и от съседните й мрежи, за да се избегне пораждането на смущения. TDMA за GSM поема потока от сигнал в тези участъци и го разделя на парчета чрез циклична поредица от фази. На най-просто ниво фазите са осем, което значи че парчета от един и същи поток се редуват с парчета от седем други. С други думи, отделен телефон приема и предава през една осма от времето. Като цяло, един гласов канал в GSM е цифров поток, който представлява приблизително една осма в целия сигнал по 200Khz - овия радио канал в обхвата на 800 или 1900MHz. Приблизително, тъй като в крайна сметка по канала в повечето случаи не се предава само глас. В съвременните GSM мрежи се поддържа предаването на кратки съобщения (SMS) и дори достъп до Интернет. По този начин част от фазите в потока се използват за предаването на тези негласови сигнали. Тази 9.6k bits per second технология се нарича Circuit Switched Data (CSD).

 

 

1. Устройство на мобилен телефон.

„Сложност на кубичен инч” скала, към която клетъчните телефони могат да се причислят. Съвременния клетъчен цифров телефон може да обработи милиони изчисления в секунда за да компресира и декомпресира гласовия поток.

Фигура 1.1. Клетъчен телефон „Нокия”

Клетъчния телефон съдържа няколко отделни части:

ü монтажна платка – върху която са разположени всички елементи устройващи мобилния телефон

ü Антена – благодарение на която апарата  освен че приема, но и излъчва сигнали необходими за нормалното провеждане на един телефонен разговор

ü Течен кристален дисплей (LCD) – човек вижда чрез него с кого да проведе разговор, а също така благодарение на него се виждат и определят опциите и приложенията на телефона

ü Клавишен панел – с негова помощ набираме телефонния номер с който искаме да проведем разговор

ü Микрофон – устройство, благодарение на което човешкия говор се приема, след което се обработва и предава от други компоненти на отсрещния апарат

ü Слушалка – чрез нея обработения вече кодиран сигнал се предава на потребителя като звуков

ü Батерия – това е захранващата част на апарата, без която той не може. Като те са няколко вида:

        - Ni-Mh – една от най – разпространените в момента технология. Използва се най – вече в средния и нисък клас мобилни телефони.

Предимства: Ниска цена, нелоши експлоатационни характеристики, ниска токсичност. Водят се екологично чисти батерии.

Недостатъци: Малък живот (само 500 цикъла заряд/ разряд)

      - Li – Ion – Най – актуална в момента технология в света на мобилните комуникации.

Предимства: Висока плътност на електрическата енергия, нисък саморазряд (около 5 – 8 % на месец), малко тегло, сравнително дълъг живот (около 1.5 – 2 години)

Недостатъци: Повечето батерии работят само по положителни температури, висока цена, стареене дори и да не се използват

         - Li – Pol – Технология, която навлиза все по – широко в мобилните комуникации и портативни компютри.

  Предимства: Висока плътност на електрическата енергия сравнима с тази на     Li – Ion батерии, изключително малки габарити, сравнително дълъг живот

  Недостатъци – Висока цена, по кратък живот от този на Li – Ion батерии.

 

Монтажната платка е основата на системата. Типичен пример за това е цифровия телефон Nokia :

 

Фигура 1.2. Предната и задната част на монтажната платка  „Nokia”

В снимките се виждат няколко компютърни чипа. Аналого-цифровите и цифрово-аналоговите конверсионни чипове превеждат изходящия звуков сигнал от аналогов в цифров и постъпващия сигнал от цифров в аналогов. Процесорът за цифрова обработка на сигнали (ОБРАБОТВАНЕ НА ЦИФРОВИ СИГНАЛИ) е много сложен процесор проектиран да изпълни сигнал-манипулирани изчисления с висока скорост.

Фигура 1.3. Микропроцесор

Микропроцесорът овладява управлението на клавишния панел и дисплея, командите на котролния сигнал с базовата станцията и също така координира с останалите функциите на системата. Паметите ROM и FLASH осигуряват памет за операционната система на телефона. Радио честотата (RF) и системата на захранването поемат управлението на power managment и recharching и също така се справят с хиледите канали на ЧЕСТОТНАТА МОДУЛАЦИЯ (FM). Накрая усилватели на РАДИОЧЕСТОТАТА поемат управлението при  пътуване.

Фигура 1.4. Дисплей и клавиатура

Дисплеят нараства значително по големина както и броят на функции в клетъчните телефони. Последен модел телефони предлагат вградени телефонни каталози, калкулатори и даже игри. Много от телефоните имат някакъв тип на PDA или Уеб браузер.

Фигура 1.5. Flash карта за памет (SIM CARD) на монтажната платка и отстранена

Някои телефони могат да запазят информация , както например СИД и MIN кодове, в паметта на FLASH картата, докато други използват външни устройства като SmartMedia карти.

Фигура 1.5. Сушалка, микрофон и батерия (за резервно захранване)

 

 

2. Работа на клетъчните телефони?

В последните години безжичната комуникация се превърна в неизменна част от живота на хората.Милиони хора в Съединените щати и по света използват клетъчни телефони. Те са такива велики открития - с клетъчния телефон може да се говори с когото и да било на планетата от почти навсякъде!

Фигура 2.1. Слушалка, микрофон и батерия (за резервно захранване)

Тези дни, клетъчните телефони осигуряват невероятна редица функции, и нови неща се прибавят с нарастващо темпо. В зависимост от модела може да се:

ü Съхранява информация и контакти;

ü Зададе напомняния зя важни мероприятия;

ü Използва вградения калкулатор;

ü Изпраща или приемете електронна поща и SMS;

ü Получава информация (новини, развлечение, борсова информация) от Интернет;

ü Играе простички игри;

ü Интегрира другите външни устройства както например, PDAs, MP3 players и GPS receivers;

 В същността си, клетъчният телефон е радио. Едно от най-интересните неща относно клетъчния телефон е че това е в действителност радио - извънредно сложно радио, но всъщност радио. Телефонът е изобретен от Александър Грахам Бел през 1876, а радиото от Николай Тесла през 1880.В последствие тези две големи технологии били комбинирани в едно цяло.

 

3. Клетъчната Мрежа

Преди клетъните телефони , хората които действително са се нуждаели от мобилни-комуникации са имали инсталирани в колите си радио телефони. В радио-телефонната система, има една централна антенна кула на град, и може би 25 канала налични на тази кула. Тази централна антена взета предвид означава че на телефона в кола му е необходим мощен предавател - достатъчен да предаде на разстояние 40 или 50 мили. Това също означава, че много хора не могат да използуват радио телефони - няма достатъчни канали.

В основата на клетъчната система е в това градът да се раздели на малки клетки. Това позволява разширено честотно многократно използване в град, така, че милиони хора да могат да използуват клетъчни телефони едновременно. В типична аналогова клетъчна-телефонна система в Съединените щати, всеки клетъчно телефонен транспортен приемник получава около 800 честоти за употреба в града. Носителят надробява града на клетки. Всяка клетка е измерена в около 26 квадратни километри. Клетките по правило са шестоъгълници вградени в голяма мрежа, по този начин:

    

Фигура 3.1. Начин на разположение на клетките

Тъй като клетъчните телефони и базовите предаватели работят на малка мощност, едни и същи честоти могат да са многократно използвани в не-прилежащи клетки. Двете пурпурни клетки могат многократно да използуват еднакви честоти.

 

4. Базови станции, предаватели и приемници. Превключвателен Офис на Мобилния Оператор.

Всяка клетка има базова станция която се състои от кула и малка сграда която съдържа радиоапаратурата (повече за базовите станции по-късни).

Всяка клетка в аналогова система използва една-седма от каналите на наличния дуплексен глас(duplex voice channels). Това означава че, всяка клетка (от седемте в клетъчната мрежа) използва една-седма на наличните канали ето защо e възможна уникална подредба от честоти и няма сблъсквания :

ü Клетъчния телефонен носител (предавател) обикновено предава 832 радио честоти за употреба в града.

ü Всеки клетъчен телефон използва две честоти при всеки разговор - дуплексен канал - ето защо има 395 гласови канала на всеки носител (предавател), другите 42 честоти са използвани от канали на управлението

ü Следователно, всяка клетка има налични около 56 гласови канала .

Или най – общо казано, във всяка клетка, 56 човека могат да говорят на клетъчните си телефони по едно и също време. С методи на цифровото предаване , броят на налични канали се увеличава. Например, базираната на МНОЖЕСТВЕН ДОСТЪП С ВРЕМЕДЕЛЕНЕ цифрова система (TDMA-based digital system) може да понесе три пъти повече разговори от аналоговата система, така всяка клетка има около 168 налични канала.Клетъчните телефони имат в тях предаватели с малка мощност. Много клетъчни телефони имат две сили на сигнала: 0.6 Watts и 3 Watts (за сравняване, болшинство радия от ГРАЖДАНСКИЯ СЕКТОР предават на мощтност на 4 Watts). Базовата станция също така предава на слаба мощност. Предавателите с малка мощност имат две преимущества: Предаванията на базовата станция и телефоните в неговата "клетка" не успяват да предават извън клетката. Следователно във горнста фигурата и двете пурпурни клетки могат да многократно да използват еднаквите 56 честоти. Еднаквите честоти могат многократно да бъдат използвани в целия град.

Консумацията на Електроенергия на клетъчния телефон, (обикновено батерия), е сравнително слаба.Малко консумирана енергия означава малка батерия, и това е което е направило джобните клетъчни телефони възможни.

Клетъчното предаване изисква голямо число от базови станции в град от какъвто и да било размер. Голямия град може да има стотици кули. Тъй като много хора използват клетъчни телефони , потребителите плащат обикновено малко . Всеки клетъчен носител така наречената централна базова станция има във всеки град един централен офис наречен Превключвателния Офис на Мобилния Оператор (MTSO Mobile Telephone Switching Office). Този офис поема управлението на всичко от телефонните връзки до нормалната наземна телефонна система, и управлява всички от базовите станциите в областта.

 

 

 

5. От клетка в клетка.

От това понятие се разбира какво се става когато човек и клетъчения му телефон се преместват от клетка в клетка на клетъчната мрежа.Всички клетъчни телефони имат специални кодове асоциирани с тях. Тези кодове са използвани да идентифицират телефона, собственика на телефона и служебния доставчик.

Ако човек  има клетъчен телефон, след като го активира и някой се опитва да  се обади, се получават следните влияния върху повикването:

ü Когато отначало се включи телефона, той включва входно-изходния контролен канал на управлението. Входно-изходния контролен канал е специална честота, която телефона и базовата станция използват за настройки. Ако телефонът не може да намери контролния канал това значи, че е извън обхват и на дисплея се изписва съобщение "Няма покритие". (No Service)

ü Когато приема СИД (System Identification Code (SID) - a unique 5-digit number code) телефонът сравнява това със СИД езика програмиран в телефона. Ако Сид съвпада, телефонът знае че общува с част от неговата система. (СИД или System Identification Code е уникално петцифрено число, което е зададено във всеки моб. телефон)

ü Заедно със СИД, телефонът също така предава регистрационен въпрос и MTSO следи за местоположението на апарата в базата от данни - по този начин, MTSO знае в коя клетка се намира телефона когато звъни.

ü MTSO получава повикването, и се опитва да го намери. Търси в неговата база от данни в коя клетка се намира.

ü MTSO избира честотна двойка която телефона ще използува в тази клетка, за да поеме повикването.

ü MTSO комуникира с телефона чрез контролния канал за да му каже кои честоти да използва, и веднъж щом телефона и кулата превключат на тези честоти, разговора е свързан. Така вече може да се говори по двупосочно радио.

Като се премести апарата към ръба на клетката в която се намира, базова станция записва че сигнала намалява. В това време, базовата станция в клетката към която се премества (която чака и измерва силата на сигнала на всички честоти, не само на неговата собствена една-седма) наблюдава как  силата на сигнала на телефона се увеличава. Двете базови станции координират една с друг чрез MTSO, и в някоя точка телефона получават сигнал от базовия канал казвайки му да промени честотите.Така телефона се превключва към новата клетка.

 

 

6. Предавателни Кули на Клетъчната Мрежа

Клетъчно-телефонна предавателна кула обикновено представлява стоманен стълб или решетъчна структура, която се издига на няколко метра във въздуха. Такава е например  кулата  покрай шосе I-85 до град Грийнвил, Южна Каролина, типична в Съединените щати:

Фигура 6.1. Кула в САЩ

Това е съвременна кула с три различна мобилни оператора използващи една предавателна кула. На снимката може да се види, че всеки от операторите притежава негово си собствено оборудване, също така може да се види колко дребна е използваната техника днес (много от старите кули имат малки сгради в основите си):

Фигура 6.2. Съвременна кула на три мобилни оператора

Фигура 6.3. Оборудване на един доставчик

Това е "радио кутията", която съдържа радио предавателите и получатели, които позволяват на кулата да установи връзка с телефоните. Радиото се свързва с антените на кулата чрез комплект от дебели кабели.

            

Фигура 6.4. Начин на свързване между радиото и антената на кулата

Ако погледнем отблизо ще видим, че кулата и всички от кабелите и оборудването в основата на кулата са силно заземени. Например, пластината към която са захванати зелените жици е заземяваща медна пластина.

Едно сигурно доказателство, че доставчиците делят тази кула е "пет-катинарната" порта. Който и да било от петима човека може да отключи и да влезе.

Фигура 6.5. Доказателство за деленето на кулата между трите мобилни оператора

Клетъчните-телефонни кули има в разнообразни форми и размери, но тази в Морисвил, щата Северна Каролина е една от най-странно изглеждащите!

                                                                  

Фигура 6.5. Клетъчна телефонна кула в Морисвил 

 

 

 

7. Роуминг. Клетъчни телефони и Wallkie - Tallkie.

Ако СИД на контролния канал на управлението не пасва със СИД програмиран във вашия телефон, тогава телефонът знае че това е roaming. MTSO на клетката в която е регистриран апарата се свързва с MTSO на домашната система, който тогава проверява неговата база от данни да потвърди това, че СИД на телефона който чивек използва е валиден. Домашната система проверява телефона на локалния MTSO, който в такъв случай проследява телефона като се придвижва през неговите клетки. Удивителното е в това , че всички се случва за секунди!Добър начин да се разбере сложността на клетъчния телефон е да се сравни с радио на ГРАЖДАНСКИЯ СЕКТОР или портативен радиоприемник. wallkie-tallkie

Добър начин да се разбере сложността на клетъчния телефон е да се сравни с радио на ГРАЖДАНСКИЯ СЕКТОР или портативен радиоприемник. wallkie-tallkie

ü Симплекс срещу дуплекс - И портативни радиоприемници и РАДИАТА са симплексни устройства. Това е когато, двама души установяват връзка на еднаква честота, ето защо само единият човек може да говори по едно и също време.Клетъчния телефон е дуплексно устройство. Това означава една честота за говорене и втора, отделна честота слушане. И двамата събеседника могат да говорят по едно и също време.

ü Канали - портативният радиоприемник обикновено има един входно-изходен канал, а радиото има 40 канала.Обикновен клетъчен телефон може да установи връзка на 1,664 канала или повече!

ü Област на действие - портативният радиоприемник може да предава на 1 миля (1.6 км) използвайки 0.25-ватов предавател. Радиото , тъй като има много висока мощност, може да предава на 5 мили(8 км) използвайки 5-ватов предавател.Клетъчните телефони работят в рамките на своите клетки, и те могат да се превключат в клетки когато се преместват. Клетките дават на клетъчните телефони невероятен периметър на действие. Някой който използува клетъчен телефон може да пътува стотици мили и да поддържа разговор през цялото време!

Фигура 7.1. Връзка между апаратите по време на движение 

В симплексното радио, и двата предавателя използват една и съща честота. Само един човек може да говори по едно и също време.

Фигура 7.2. Дуплексно радио

В дуплексното радио, двата предавателя използват различни честоти на употреба така и двата събеседника могат да говорят по едно и също време. Клетъчните телефони са дуплексни.

 

 

8. Усъвършенствувана Мобилна Телефонна Система. Analog comes digital.

През 1983година, аналоговия клетъчно-телефонен стандарт наречен AMPS (Advanced Mobile Phone System) (Усъвършенствувана Мобилна Телефонна Система) бе одобрен от ФКК и първо използван в Чикаго. AMPS използва честоти между 824 (Мхц) и 894 Мхц за аналогови клетъчни телефони. За да насърчи конкуренцията и да задържи цените ниски, U. S. правителството изисква присъствието на два носителя във всеки пазар, известен като А и B носители.

Носителите А и B са зададени всеки с 832 честоти: 790 за глас и 42 за данни. Чифт честотите (един за предаване и един за приемане) са използвани да създадат един входно-изходен канал. Честотите използвани в аналоговите гласови канали са 30 kHz --30 kHz е избран като стандарт, тъй като това дава на гласа качество сравнимо със стационарен телефон.Предаване и приемане на честоти от всеки гласов канал става на 45 Мхц за да може да издържи системата на едновременно общуване. Всеки носител има 395 гласови канала , също и 21 служебни канала за регистрация и други служебни функции.

Версията на AMPS известна като (Narrowband Advanced Mobile Phone Service) Narrowband Усъвършенствувана Мобилна Телефонна Служба (NAMPS) включва цифрова технология за да позволи системата да понесе три пъти повече разговори от оригиналната версия. Въпреки че използва цифрова технология,тя все още е аналогова. AMPS и NAMPS само работят в обхват 800-Мхц и не предлагат много от услугите на цифровата клетъчна технология, както например, електронна поща и сърфиране в Мрежата.

ü Цифровите клетъчни телефони използват същата радио технология като аналогови телефони, но по различен начин. Аналоговите системи не напълно използват сигнала между телефона и клетъчната изчислителна мрежа - аналогови сигнали не могат да бъдат компресирани и манипулирани толкова леко както дигитален сигнал. Това е причината много кабелни компании да превключват на цифрови системи. Учудващо е колко по-ефективна може да бъде една цифрова система.

ü Цифровите телефони преобразуват човешкия глас в двоичната информация (1 и 0) и след това я компресират. Това компресиране позволява между три и 10 цифрови клетъчни телефонни разговори да заемат мястото на един единствен аналогов разговор.

ü Много цифрови клетъчни системи разчитат на честотно автоматично превключване (FSK) (frequency-shift keying) за изпращане и получаване на данни посредством AMPS. FSK използва две честоти една за единиците (1) и друга за нулите (0), редувайки бързо двете честоти. Интелигентната модулация и кодиране на схеми тук са необходими за преобразуване на аналогова информация в цифрова, за компресиране и декомпресиране на информацията докато достигне приемлива степен на качество [на звука]. Всички това означава, че дигиталните клетъчни телефони трябва да притежават голяма производителност!

 

 

9. Технологии използвани от клетъчно-изчислителните мрежи за предаване на информация.

 

Има три главни технологии използвани от клетъчните изчислителни мрежи за предаване на информация:

ü Достъп с честотно делене (Frequency division multiple access) (FDMA)

ü Множествен достъп с времеделене (Time division multiple access) (TDMA)

ü Кодиран пряк достъп (Code division multiple access) (CDMA)

ü TDMA (Множествен достъп с времеделене) е метода използван от Electronics Industry Alliance и Telecommunications Industry Association.

Фигура 9.1. Телефонен разговор 

Всеки разговор получава радио връзка за една-трета от необходимото време. Това е възможно, защото гласовите данни, които биват преобразувани в цифрова информация, са компресирани така, че да заемат значително по-малко място. Следователно, МНОЖЕСТВЕНИЯТ ДОСТЪП С ВРЕМЕДЕЛЕНЕ има три пъти обема на аналогова система използвайки същия брой канали.Система с МНОЖЕСТВЕН ДОСТЪП С ВРЕМЕДЕЛЕНЕ работи в честота 800-Мхц или 1900-Мхц.

МНОЖЕСТВЕНИЯТ ДОСТЪП С ВРЕМЕДЕЛЕНЕ е използван като технологията за достъп към ГЛОБАЛНА СИСТЕМА ЗА МОБИЛНИ КОМУНИКАЦИИ (GSM) . GSM Системата използва кодиране за да направи телефонните разговори още пи защитени и сигурни. ГЛОБАЛНАТА СИСТЕМА ЗА МОБИЛНИ УСЛУГИ работи в режими 900-Мхц и 1800-Мхц в Европа и Азия, и в 1900-Мхц (понякога се използва понятието 1.9-Гхц) в Съединените щати. Използва се от дигитални клетъчно базирани системи.

ГЛОБАЛНАТА СИСТЕМА ЗА МОБИЛНИ УСЛУГИ (GSM) е международен стандарт в Европа, Австралия и много страни на Азия и Африка. В покритите области, потребителите на клетъчни телефони могат да си закупят телефон който ще работи навсякъде където стандартът е поддържан. За да се свърже човек с служебните доставчици в тези страни, потребителите на ГЛОБАЛНАТА СИСТЕМА ЗА МОБИЛНИ УСЛУГИ просто сменят модула за индентификация на абоната така наречената (СИМ) карта. СИМ картите са малки дискове, които могат да се слагат и махат от GSM клетъчния телефон. Те съдържат всичките данни за връзка и индентификационни служебни номера от които имате нужда за да имате достъп към безжичен телефонен доставчик.

ФАКТИ:

ü GSM стандартът за цифрови клетъчни телефони е установен в Европа в средата на 1980

ü Сега е възможно човек използващ клетъчен телефон където и да било на земното кълбо да се локализира с точност до 3 метра .

ü 3G (third-generation wireless) Трето поколение мобилни телефони изглеждат повече като PDAs, с възможности като например видео конферетна връзка и мултиплеър игри.

10.   Изводи

             Мобилния телефон е устройство, без което не може да протече нормално денят на човек, той е както средство за общуване, така и за извършване на различни дейности. И въпреки всичко начина на работа на всички GSM е еднакъв, а устройството различно според класа на апарата. И все пак е от полза на всеки един човек да знае как всъщност работят мобилните апарати.