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.

Принципы сотовой связи(использование света, сигналов и звука) Начало истории беспроводных коммуникаций

• Много раз в истории использовали для связи гелиографы, флаги (семафор),...
- Китай, династия Хань (206г. до н.э. – 24г. н.э.) использование сигнальных башен; - 150г. до н.э. дымовые сигналы для связи (Полибий, Греция) - 1793, оптический телеграф, французкий инженер К. Шапп

• Начало связи с электромагнитными волнами:

Джеймс Максвелл (1831-79): теория электромагнитных полей, волновые уравнения (1864)

1876 телефон Александра Белла

Г. Герц (1857-94) продемонстрировал волновой тип электрической передачи через пространство (1888)

7 мая 1895 г. петербургский физик Александр Попов сделал в Физико-химическом обществе доклад с демонстрацией созданного им радиоприбора для фиксации атмосферных колебаний.

2 июня 1896 г. Гульельмо МАРКОНИ запатентовал радио как свое изобретение (научные публикации Попова на этот счет появились в том же месяце, но адресовались совершенно иной аудитории).

1896 году в Лондоне ему удалось передать сообщение на расстояние 10 километров.

1907 Коммерческие трансатлантические связи - огромные базовые станции (с высотой антенн 30 - 100m)

1915 речевая передача Нью-Йорк - San Франциско

В 1896 году он продемонстрировал свои опыты перед Физическим обществом Санкт-Петербурга, передав сигналы с помощью азбуки Морзе внутри здания университета.

Начало истории беспроводных коммуникаций Концепции:

• большая область для одного передатчика
• Большая “мобильность” за счет высокой энергоемкости
• Системы с низкими возможностями, склонные к интерференции
• Высокая стоимость

1911 - мобильный передатчик на дирижабле

1926 - поезд (Гамбург Берлин)

1927 - первое коммерческое автомобильное радио (только прием)

Первые мобильные системы связи начинались в 40-х годах в США и в 50-х годах в Европе.

Развитие телекоммуникаций в России

Развитие телекоммуникаций в России Классификация беспроводных сетей

Общего пользования

ведомственные

диспетчерские

Транкинговые

пейджинг

спутниковые

компьютерные

оптические

Развитие стандартов сотовых систем связи Развитие стандартов сотовых систем связи Сотовые сети связи

• 1G: аналоговые сети. Идея: покрытие пространства «сотами» (зонами действия одной базовой станции) и организация кластеров сот. Поддерживали только телефонию. Стандарты: NMT, AMPS.
• 2G: цифровые сети с коммутацией каналов. Используется метод доступа с временным разделением каналов. В основе также лежит сотовая структура. Поддерживают телефонию и передачу данных. Для организации более быстрого доступа может использоваться GPRS (2G+).Стандарты: GSM, D-AMPS, PDC.
• 3G: цифровые сети с коммутацией каналов/пакетов. Используется широкополосный метод доступа с кодовым разделением каналов, поддерживают передачу мультисервисного трафика. Стандарты: CDMA, WCDMA, cdma2000, i-mode и т.д.
• 4G: цифровые сети с коммутацией пакетов. Находятся в стадии разработки 

Сотовые сети 3G

746-794 MHz, 1.7-1.85 GHz, 2.5-2.7 GHz

Сотовые GSM

• 800-900 MHz

Сотовые GSM

• 1.85-1.99 GHz

Беспроводные LAN (IEEE 802.11b/g)

• 2.4 GHz

Bluetooth

• 2.45 GHz

Беспроводные LAN (IEEE 802.11a)

• 5 GHz

Геометрическая структура сотовой системы Модель многократного использования частот

Типы ячеек

Macrocells(3 to 35 km)

Microcells(0,1 to 1 km)

Picocells(0,01 to 1km)

Nanocells(1m to 10m)

Общий вид сотовой системы

Network sub-system

Пример мобильного сотового соединения Пример мобильного сотового соединения Пример мобильного сотового соединения Пример мобильного сотового соединения Пример мобильного сотового соединения Пример мобильного сотового соединения Пример мобильного сотового соединения

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.

Изначально, еще до появления сотовой связи, радиопередача осуществлялась напрямую, от одного устройства к другому. У такой системы были существенные недостатки:

1. Устройства могли быть удалены друг от друга на расстояние нескольких сотен, и даже тысяч километров. Следовательно передатчики должны были обладать огромными мощностями, чтобы сигнал дошел до цели.
2. Сигналы от различных передатчиков часто пересекались на одной частоте и мешали друг другу.
3. На одном радиочастотном канале, без помех мог работать только один передатчик. Соответственно каналов не хватало.

Применение сотовой связи избавляет нас от этих проблем. Наша страна сплошь усыпана огромным количеством базовых станций – приемопередающих устройств, приподнятых над землей. При совершении звонка, мобильный телефон отправляет сигнал не на телефон собеседника, а на соседнюю базовую станцию. Базовая станция превращает радиосигнал в световой, и отправляет его по оптоволоконному кабелю на коммутатор. Коммутатор перенаправляет световой сигнал на базовую станцию расположенную возле собеседника:

Как правило, в досягаемости мобильного телефона находится сразу несколько базовых станций. Соединение происходит с той, которая расположена ближе. Учитывая маленькие расстояния между телефоном и станцией мощности их передатчиков – минимальны. Хочется заметить, что чем плотнее буду устанавливаться станции, тем более слабым радиоизлучения вокруг нас. И если прямо возле вас установили одну из таких станций – волноваться не стоит. Излучения от современных станций мобильной связи очень слабые, и быстро рассеваются, а вот излучения от вашего телефона, возможно, многократно уменьшиться. О вреде мобильных телефон .

Несмотря на огромную плотность базовых станций, они практически не пересекаются на одной частоте и не мешают друг другу. Как этого удается достичь показано на рисунке:

Каждая сота – это основная зона покрытия одной из станции мобильной связи. F1-F7 – обозначение радиочастотного канала. Расстояние межу соседними станциями, передающими на одной частоте D, значительно меньше их радиуса действия R . Именно от этих сот произошло название – сотовая связь.