Да будет связь


Мы быстро привыкаем к хорошему. И если вдруг наш постоянный спутник — мобильный телефон какое-то время не проявляет активности, начинаем беспокоиться: не разрядилась ли батарея, не оказался ли телефон по какой-то причине заблокированным оператором... Нам сложно представить, что в недалёком прошлом даже стационарная телефония, или фиксированная связь, была на необъятных просторах нашей Родины скорее предметом роскоши, чем общедоступной услугой, которую сегодня предоставляют множество операторов. Более того, нам кажется, что ставшие уже давно привычными устройства, именуемые гаджетами, существовали вечно, а в будущем их возможности будут прирастать ещё более необыкновенными сервисами и скоростями.

В данной статье с позиций абонента и пользователя мы постараемся рассмотреть положения, которые определяют потенциальные возможности инфокоммуникационных систем, обратившись за помощью к науке, которая называется телекоммуникацией.

Факт: количество желающих пользоваться различными видами связи год от года только растёт. Причём часто люди хотят воспользоваться услугами связи одновременно и в тех местах, где собираются вместе в большом количестве на очень ограниченной территории.

И если раньше, услышав сигнал «занято» (короткие гудки в телефонной трубке), мы с чувством лёгкой досады клали её на рычаг, то теперь вновь и вновь набираем желанный номер, не понимая и досадуя о том, с кем и почему так долго разговаривает вожделенный абонент и где он может находиться, если автоответчик сообщает нам о том, что «абонент вне зоны доступа».

А абонент наш ни с кем не разговаривает и находится, быть может, в паре сотен метров от нас. Просто ресурсов сети сотовой связи оказывается недостаточно для организации вызова от вас к нему.

Пытаясь разобраться даже в общих чертах в причинах подобных ситуаций, мы на первом же этапе неизбежно придём к необходимости разделения ресурсов сети связи между её абонентами. И одним из основополагающих здесь является частотный ресурс.

Действительно, каждый сеанс связи резервирует за собой определённый частотный ресурс. И так как общий частотный ресурс, выделенный оператору или системе связи, ограничен — ограничено и количество абонентов, которые могут одновременно разговаривать между собой.

Системы связи, непосредственно реализовавшие упомянутый принцип разделения и использовавшиеся на заре сотовой связи, достаточно быстро исчерпали предоставленные им возможности. Тем более что не все люди хотят разговаривать по телефону. Многие любят смотреть телевизор или слушать радио. Или вот ещё: различные радиолокаторы, которые обеспечивают, например, управление движением самолётов, тоже требуют для своей работы выделение определённого частотного ресурса, который должен быть использован исключительно для данных целей.

Другая возможность, которая может быть использована для организации одновременных разговоров различных абонентов, — это разделение их бесед во времени. Конечно, практическая реализация такой технологии будет далека от её традиционного представления, при котором каждый последующий абонент может воспользоваться услугой с того момента, когда ею прекратит пользоваться предыдущий. Как оказалось, если человеческую речь представить последовательностью достаточно частых выборок, то их передача вместо непрерывной речи не приведёт к потерям информации и может быть успешно использована для приёмо-передачи на одной частоте.

Чтобы иметь представление о том, как часто надо получать выборки из человеческой речи для её неискажённой передачи, надо вспомнить, что максимальная частота звуковых колебаний, которую мы можем слышать из телефонной трубки, это примерно 4000 Герц, т.е. 4000 колебаний в секунду. Так вот, для передачи голосовой информации без потерь выборки должны делаться с частотой в два раза большей, т.е. примерно 8000 выборок в секунду, или 8 килоГерц. Разделение ресурсов связи между абонентами по такой технологии получило название временного разделения. Для понимания степени распространения временного разделения следует сказать, что так милые нашим сердцам системы сотовой связи стандарта GSM, телефонами которых мы зачастую пользуемся и поныне, являются системами с временным разделением.

Но и этого нам оказалось мало. Время душевных разговоров между абонентами кануло в лету, уступив своё место необходимости передачи сообщений, документов, фотографий, а то и видеоизображений. Какие уж тут 8 кГц.

Мы ведь можем найти двух абсолютно непохожих друг на друга людей, которых нельзя перепутать даже в темноте? Ответ очевиден: конечно. А трёх? Наверное, сложнее, но тоже можно. А если таких людей должно быть сотни тысяч или миллионы? Тогда для начала следует поточнее определить условие «непохожести». И если мы скажем, что сравнивать будем отпечатки пальцев — все люди станут «непохожими». Здорово, конечно, что нашёлся такой критерий для сравнения людей, многим это помогло. Даже наука специальная возникла — дактилоскопия. Только вот про темноту уже никто не вспоминает. Сложен такой критерий сравнения для практического использования, но зато аналогия получилась неплохая.

Если мы для каждого абонента будем использовать свой «абсолютно непохожий» на других сигнал, который передаётся на той же самой частоте и в тот же самый момент времени, то мы сможем выделить его и отдать тому абоненту, для которого он предназначен. Задача, как говорится, за малым — найти такую совокупность сигналов, или, по-другому, ансамбль, — с намёком на то, что сигналы будут использоваться вместе. Задача формирования такого ансамбля сигналов, учитывая их необходимое количество, простой не является, но и к неразрешимым тоже не относится. Кодовые последовательности со специальными свойствами успешно играют роль «непохожих» сигналов, а технология их сравнения между собой — корреляционный приём, оказалась вполне приемлемой для реализации в современных мобильных телефонах; попроще, наверное, чем дактилоскопия при плохой видимости. Метод получил название кодового метода разделения. И когда мы слышим, что мобильный телефон поддерживает режимы 3G или 4G, то это как раз тот случай, когда используется кодовое разделение сигналов.

Предложить новые подходы и неожиданные решения для технологий многопользовательского доступа — далеко нетривиальная задача. Но для частных случаев, когда необходимо отправлять срочные сообщения большому количеству абонентов, распределённых на значительной территории, она успешно решена в СФУ. А построенная на её принципах система даже награду получила на всероссийском конкурсе.

ПРИМЕЧАНИЕ. Речь идёт о проекте «Региональная IT–система оповещения населения о прогнозе и статусе чрезвычайных ситуаций средствами сотовой связи и сети информационных терминалов». Проект разработан при участии студентов ИИФиРЭ, был представлен от имени Красноярского края на ежегодном всероссийском конкурсе «ПРОФ-IT» 2014 года и вошёл в число победителей. А предложенная система «взята на вооружение» региональным отделением МЧС.

Продолжим погружение в мир инфокоммуникационных технологий.

В общем случае системы сотовой связи строятся как множество (совокупность) ячеек (сот), формирующих радиопокрытие обслуживаемой территории. В центре каждой соты находится базовая станция (БС), обслуживающая всё абонентское оборудование в пределах своей соты. При перемещении абонента из одной соты в другую происходит передача его обслуживания от одной БС к другой. Хорошо, когда скорость перемещения абонентов оказывается невысокой — оборудование успевает переключиться с одной БС на другую, и прерывания сеанса связи не происходит. В противном случае нам пришлось бы каждый раз перенабирать номер своего абонента.

Реализация процедур выбора и переключения между БС приводит к необходимости анализа всей окружающей электромагнитной обстановки, т.е. фактически приёма и сравнения сигналов всех БС, доступных на данный момент времени и в данном месте. Таким образом каждый мобильный телефон получает и сравнивает сигналы от всех БС, и успешность его действий оказывается весьма заметной для нас, вынуждая время от времени проверять доступность собеседника словами «Алло, алло!», например.

Ещё более интересными являются моменты, когда необходимо провести выбор не БС, а целого оператора связи. Например, когда вы отправляетесь путешествовать. В этом случае вам предстоит нарушить одно из базовых положений обыденной жизни, а именно: посетить чужой монастырь, используя при этом свой устав. Так, наверное, можно описать процедуру работы вашего телефона в сети сотовой связи другого города, региона или даже страны. Здесь все телекоммуникационные технологии начинают плотно взаимодействовать с технологиями финансовыми, т.к. на передний план выходят вопросы по организации взаиморасчётов с абонентами. При этом используется информация о каждом действии, выполняемом абонентом — голосовом вызове, отправке короткого сообщения (CMC) или MMS, сессии передачи данных или доступе в Интернет. Сеть связи того места, в котором вы оказались, про вас ничего не знает и предоставлять какие-либо услуги не спешит.

В расширенном файле с коммутатора присутствует, кроме всего прочего, информация об индивидуальном номере абонента (MSISDN), индивидуальном номере оборудования, которое использует абонент (IMSI), а также номере базовой станции, через которую осуществляется связь, и т.д.

Можно, конечно, пустить это дело на самотёк, используя «интеллект» самого телефона. В этом случае телефон будет исходить не из стоимости услуги, а исключительно из качества радиосети в данной точке. При этом телефон будет периодически оценивать качество радиосети и переходить от одного оператора к другому, у которого качество в данный момент наилучшее. В таком режиме абонентское оборудование полностью игнорирует стоимостную составляющую получаемых вами услуг, и все операторы, которые так или иначе участвовали в их предоставлении, выставят счета оператору домашней сети владельца телефона, а этот оператор поспешит перенаправить их владельцу телефона.

Описанный ход событий может быть кардинально другим начиная с того момента, когда абонент в первый раз включает свой телефон на гостевой территории. Выберите гостевого оператора сотовой связи самостоятельно в предложенном вам перечне исходя из ваших предпочтений. И уже выбранный оператор гостевой сети запрашивает у оператора домашней сети данные по абоненту, в части его платежеспособности, прежде всего. В конечном итоге именно оператор домашней сети принимает решения о возможности получения услуг в гостевой сети.

Эти начальные, скорее даже «около теоретические», телекоммуникационные сведения позволят вам более эффективно пользоваться услугами сотовой радиотелефонной связи, что напрямую влияет на содержимое кошелька. Ну, а остальное, как известно, дело техники.

Д.Ю. ЧЕРНИКОВ, заведующий базовой кафедрой инфокоммуникаций, к.т.н., доцент