Оглавление
Первое поколение – 1G.
В 1984 году в коммерческое пользование вышла технологии первого поколения мобильной связи — 1G и функционировала она на аналоговом способе передачи данных. Использовались тогда аналоговые системы и была возможность осуществления только голосовых звонков.Ведь только для голосовых вызовов она и разрабатывалась. Стоимость минуты разговора в 80-х годах была весьма высокой и мобильный телефон в те годы считался дорогим, и редким удовольствием.
Первое поколение имело свои недостатки, а именно:
- Низкая емкость.
- Отсутствие какого либо шифрования.
- Была возможность прослушивания голосовых вызовов.
- Проблемы осуществления роуминга.
- Большой вес и стоимость абонентских терминалов.
- Полное отсутствие эффективных методов борьбы с замиранием сигнала, даже при передвижении абонента.
История
В конце XIX века благодаря изобретениям Александра Степановича Попова и итальянца Гульельмо Маркони мир впервые начал передавать голос без проводов на дальние расстояния и через препятствия. Их устройства использовали в военной промышленности Российской Империи и на частных судах Европы, и США. Началась новая эра беспроводных технологий.
В 1946 году компании AT&T и Telephone Laboratories запустили первый проект, похожий на современные сотовые сети связи. Абонент выбирал канал, связывался с оператором, который и соединял его с нужным человеком. Общение абонентов было полудуплексным, т.е. люди не могли говорить одновременно. Работу системы обеспечивало одно мощное радиоэлектронное средство, а телефон весил до 40 кг. Поэтому систему устанавливали в автомобили или стационарные строения. Только к 1964 году компании смогли автоматизировать проект и сделать общение по телефону полностью дуплексным, как сейчас.
Первые сети сотовой связи
В 70-х годах прошлого века компаниями-гигантами была устроена гонка технологий. Они пытались реализовать недавно выдвинутую идею сотового принципа организации сетей сотовой связи. Победу одержала Motorola. Первую базовую станцию на 30 абонентов смонтировали в США на крыше небоскреба. 3.04.1973 глава подразделения по разработке мобильных устройств Motorola совершил первый звонок. Его мобильное устройство весило 1,15 кг, было похоже на кирпич, а заряда аккумулятора хватало на 20 минут общения. До 1983 года компания улаживала законодательные вопросы, дорабатывала телефон и устраняла выявленные недоработки. Первый телефон вышел в продажу под названием Motorola DynaTAC 8000X и стал самым мобильным для своего времени.
В 80-е годы XX века активно использовали технологии, известные под общим названием 1G. Первую коммерческую сеть развернули японцы в 1979 году. Но к концу 80-ых, Европейский институт стандартизации электросвязи разработал стандарт 2G или GSM, который до сих пор использует 29% населения Земли.
В 2001 году в Японии, а в 2003 в Европе запустили технологии CDMA и UMTS, известные под общим наименованием 3G. Уже через 7 лет началось развитие сетей 4G/LTE. Технология была недоработана до конца, но ко второй половине этого десятилетия сотовые компании достигли первоначально заявленной пропускной способности сетей LTE – 1 Гбит/секунду. Для этого пришлось усовершенствовать протоколы передачи данных и увеличить ширину полос беспроводных каналов связи с 5 до 20 МГц.
Сотовая связь в России
Разработки систем сотовой связи велись по всему миру. СССР рассматривал их исключительно для военных целей. Поэтому только к концу 1991 году в Российской Федерации появились сети 1G. Вплоть до экономического кризиса конца 90-ых сотовую связь использовало менее 0,5% населения Российской Федерации. Операторы брали не менее 50 центов за минуту разговора и тарифицировали даже входящие вызовы. Мобильные аппараты стоили слишком дорого. К примеру, телефон, по которому Анатолий Собчак впервые вызывал Сиэтл, обошелся в 5000$. Кризис совпал с падением цен на телефоны и услуги связи. Благодаря этому, число абонентов увеличилось с 300 тысяч человек в 1997 году до 1,5 млн. в конце 1999 года. К 2008 году количество проданных SIM-карт превысило население РФ.
Россия сокращала технологическое отставание сотовой инфраструктуры. В 2003 году группа операторов перешла на устаревший в мире стандарт 3G – CDMA. В 2007 году началось строительство сетей связи другой технологии третьего поколения – UMTS. Она, в отличие от CMDA, востребована по всему миру, работает на больших скоростях передачи данных и может обслуживать большее число абонентов одновременно. В 2012 году началась тестовая эксплуатация 4G.
В 2015 году ООО «Т2 Мобайл» начал предоставлять услуги связи в Москве, не имея передатчиков 2 поколения, – только 3G и 4G.
По какому принципу частоты распределяются между операторами
В России распределением радиочастот занимается организация ГКРЧ (государственная комиссия по радиочастотам). Оператор связи должен подать заявление на использование интересующего его частотного диапазона. Что интересно, в открытом доступе нет точных данных об используемых частотах. Заявитель получит информацию о том, свободен диапазон или нет, только после рассмотрения заявки (которая, кстати, платная).
Заявление рассматривают сотрудники ГКРЧ, силовые структуры и Роскомнадзор. Каждый из них может отказать в предоставлении частот (силовики могут даже не назвать причину, сославшись на секретность данных).
Если на один и тот же ресурс претендуют сразу несколько операторов, то ГКРЧ объявляют конкурс. Баллы начисляются за использование технологий и наличие подходящего оборудования. Кто больше набрал — тот и получил право купить частоту.
Обслуживание базовых станций мобильной связи
Любое оборудование требует периодической профилактики и обслуживания. Обычная проверка включает снятие показаний электросчетчиков, тест блока питания, осмотр электроники, мачты, антенн и кабелей. При аварийных ситуациях обслуживающие инженеры действуют не в слепую. Для отслеживания неполадок существует дистанционная система мониторинга оборудования. Поэтому они заранее знают о возможных неполадках, и поломка какого-либо элемента не вызывает паники у сотрудников сотовых компаний. Современные сотовые станции собираются по модульной системе, блоки меняются достаточно легко и быстро. Обслуживание базовых станций сотовой связи выстроено таким образом, чтобы неполадки устранялись немедленно и абоненты всегда оставались на связи.
Для мониторинга общей работы сотовых сетей существует специальная аппаратура, которая обычно стационарно устанавливается в автомобиле. Такая лаборатория на колёсах служит для оценки качества сигнала в различных уголках городов и при выезде на открытую местность. Причем компании мониторят как свои, так и сети конкурентов.
Ещё один способ мониторинга своих сетей компании осуществляют с помощью имитатора базовой станции. Он нужен для поиска, идентификации и обнаружения устройств негласного съёма информации и прослушивания абонентов сотовой связи. Сотовики стремятся обезопасить себя и своих клиентов от негласного вторжения в обмен данными и прослушки телефонных звонков.
5G проекты в России
Сегодня технологию 5G в России разрабатывают крупные мобильные операторы: МегаФон, Билайн, Теле2 и МТС. Все основные игроки рынка делают ставку на новую технологию. Лидерство в становлении 5G сети в России удерживает МегаФон.
Запуск 5G интернета в России власти планируют лишь к 2022 году. До этого момента спрос на технологию еще не сформируется, считают чиновники. Массовое строительство сетей они хотят начать не раньше конца 2021 года.
МегаФон
В России пилотные тесты 5G-технологий провели Мегафон и Huawei в июне 2016 года. Тогда скорость была равна 4,5 гигабитам в секунду. По словам представителя пресс-службы МегаФона, компания будет придерживаться планов по реализации пилотных проектов с применением технологий 5G в 2019 году.
Напомним, что МегаФон тестировал 5G во время чемпионата мира по футболу 2018 года. В Москве компания развернула зону виртуальной реальности, в Казани продемонстрировала беспилотный автобус. А в Санкт-Петербурге — прототип смартфона 5G. Как говорил глава компании Сергей Солдатенков, оператор собирался передать результаты тестирования регулятору. И рассчитывал, что они будут полезны в определении дальнейшей судьбы технологии «5G интернет» в России.
В сентябре 2018 года компания сообщила о достигнутых успехах и продемонстрировала широкой публике такие показатели. Средняя скорость доступа — 5 Гбит/сек. Максимальная скорость — 37 Гбит/сек.
Tele2
Она утверждает, что для сохранения финансовой устойчивости и эффективного использования ограниченного частотного ресурса операторам необходимо определиться, будут ли они применять модель совместного строительства сетей при развитии 5G. Но не стоит забывать, что нужно обеспечивать новые регуляторные требования к хранению трафика. Ведь с 1 июля в силу вступили требования «закона Яровой». Согласно этому закону операторы связи должны в течение шести месяцев хранить записи телефонных разговоров абонентов и СМС-переписку. А с 1 октября — также интернет-трафик.
Билайн
Пресс-секретарь ВымпелКома Анна Айбашева отметила, что компания будет готова запустить первые зоны 5G в течение полугода после завершения аукционов. Однако раскрывать сроки мероприятий она не стала.
МТС
Представитель МТС не стал комментировать планы о 5G.
Очевидно, что массово 5G в России появится лишь тогда, когда на рынок выйдут и современные смартфоны, поддерживающие новый стандарт. И тут стоит отметить, что, скорее всего, такие смартфоны первые несколько лет будут принадлежать к премиальному ценовому сегменту.
История и распространение
Разработку UMTS начали в 1992 году для распространения в странах Европы. Предполагалась, что она будет использоваться только для передачи голоса, но позднее к её возможностям добавили передачу других видов информации.
Основные этапы развития можно представить в виде следующего списка:
- в 1998 году была представлена первая спецификация для одного из конкурентов UMTS – CDMA2000;
- в 1999 в Соединённых Штатах сделали первый звонок с помощью пока ещё опытной сети CDMA;
- в 2000 были получены первые лицензии на ввод изобретения;
- в 2001 UMTS впервые открыто протестировали и ввели в эксплуатацию;
- в конце 2001 года были сделаны первые роуминговые вызовы между Испанией и Токио – для них использовался телефон с процессором Qualcomm MSM5200;
- в 2003 число пользователей связи третьего поколения достигло 30 миллионов человек;
- в 2010 на 3G перешло 540 миллионов абонентов.
В России технология появилась в 2007 году, когда лицензии на предоставление таких услуг получили 3 крупнейших мобильных оператора – МТС, «ВымпелКом» и «МегаФон». Последняя компания ввела в действие первую сеть UMTS в стране на территории Санкт-Петербурга. Дата ввода – октябрь 2007 года, для связи использовалось 30 базовых станций.
Цифровые стандарты сотовой связи 2-го поколения
При переходе на 2G существовало два основных стандарта для систем сотовой связи – уже упоминавшийся GSM, применявшийся на территории Европы и D-AMPS, получивший большое распространение в Северной Америке. Они разрабатывались независимо друг от друга. Историю формирования GSM вы уже знаете, остановимся на D-AMPS. Работа над его созданием началась, когда стал очевидным тот факт, что существующий аналоговый стандарт AMPS невозможно полностью заменить цифровым из-за широты его применения. Но вскоре, нашли способ создания аналого-цифровой системы, которая способна обеспечить работу обеих систем в одном и том же диапазоне частот. В 1988 году была начата работа над данным стандартом, и в 1992 году была завершена. Помимо названия D-AMPS вам может повстречаться аббревиатура IS-54, расшифровывающаяся как «промежуточный стандарт».
Переходный период (2,5G)
С течением времени развивались технологии, вместе с этим стала необходимой передача данных между пользователями сотовых телефонов с значительно большей скоростью. Впоследствии был создан GPRS – пакетный радиоприемник общего использования. GPRS является своего рода дополнением к стандарту GSM, которая позволяет использовать пакетную передачу данных в сети этого стандарта. Плата за пользование GPRS взимается за распакованный объем трафика, а не за время использования. Следующей ступенью развития GPRS стал EDGE. Аббревиатура буквально обозначает расширение возможностей для произведения эволюции GSM. Данная технология позволила существенно ускорить передачу информации. Иногда EDGE также называют стандартом поколения 2.75. К тому же, вводилась технология XRTT, которая в теории может передавать информацию со скоростью 144 килобит в секунду, но на деле этот показатель редко превышал 60. Тем не менее, данная технология все еще широко применяется, как и любая другая, использующая в своей работе зарегистрированную радиолинию.
Структура GSM
Система GSM состоит из трёх основных подсистем:
- подсистема коммутации (NSS — Network Switching Subsystem),
- центр технического обслуживания (OMC — Operation and Maintenance Centre).
Подсистема базовых станций
Базовая станция (BTS) обеспечивает приём/передачу сигнала между MS и контроллером базовых станций. BTS является автономной и строится по модульному принципу. Направленные антенны базовых станций могут располагаться на вышках, крышах зданий и т. д.
Контроллер базовых станций (BSC) контролирует соединения между BTS и подсистемой коммутации. В его полномочия также входит управление очерёдностью соединений, скоростью передачи данных, распределение радиоканалов, сбор статистики, контроль различных радиоизмерений, назначение и управление процедурой Handover.
Подсистема коммутации
NSS построена из следующих компонентов:
Домашний реестр местоположения (HLR — Home Location Registry)
Содержит базу данных абонентов, приписанных к нему. Здесь содержится информация о предоставляемых данному абоненту услугах, информация о состоянии каждого абонента, необходимая в случае его вызова, а также Международный Идентификатор Мобильного Абонента (IMSI — International Mobile Subscriber Identity), который используется для аутентификации абонента (при помощи AUC). Каждый абонент приписан к одному HLR. К данным HLR имеют доступ все MSC и VLR в данной GSM-сети, а в случае межсетевого роуминга — и MSC других сетей.
Гостевой реестр местоположения (VLR — Visitor Location Registry)
VLR обеспечивает мониторинг передвижения MS из одной зоны в другую и содержит базу данных о перемещающихся абонентах, находящихся в данный момент в этой зоне, в том числе абонентах других систем GSM — так называемых роумерах. Данные об абоненте удаляются из VLR в том случае, если абонент переместился в другую зону. Такая схема позволяет сократить количество запросов на HLR данного абонента и, следовательно, время обслуживания вызова.
Реестр идентификации оборудования (EIR — Equipment Identification Registry)
Содержит базу данных, необходимую для установления подлинности MS по IMEI (International Mobile Equipment Identity). Формирует три списка: белый (допущен к использованию), серый (некоторые проблемы с идентификацией MS) и чёрный (MS, запрещённые к применению).
У российских операторов (и большей части операторов стран СНГ) используются только белые списки, что не позволяет раз и навсегда решить проблему кражи мобильных телефонов. В случае занесения владельцем своего, но уже украденного у него, телефона в чёрный список — он перестаёт работать и, следовательно, не представляет для воров никакого коммерческого интереса.
Центр аутентификации (AUC — Authentication Centre)
Здесь производится аутентификация абонента, а точнее — SIM (Subscriber Identity Module). Доступ к сети разрешается только после прохождения SIM процедуры проверки подлинности, в процессе которой с AUC на MS приходит случайное число RAND, после чего на AUC и MS параллельно происходит шифрование числа RAND ключом Ki для данной SIM при помощи специального алгоритма. Затем с MS и AUC на MSC возвращаются «подписанные отклики» — SRES (Signed Response), являющиеся результатом данного шифрования. На MSC отклики сравниваются, и в случае их совпадения аутентификация считается успешной.
Соединена с остальными компонентами сети и обеспечивает контроль качества работы и управление всей сетью. Обрабатывает аварийные сигналы, при которых требуется вмешательство персонала. Обеспечивает проверку состояния сети, возможность прохождения вызова. Производит обновление программного обеспечения на всех элементах сети и ряд других функций.
GSM безопасность
GSM был задуман как безопасная беспроводная система. Он рассмотрел аутентификацию пользователя с использованием предварительного общего ключа и запроса-ответа , а также беспроводное шифрование. Однако GSM уязвим для различных типов атак, каждая из которых направлена на разные части сети.
При разработке UMTS был представлен дополнительный универсальный модуль идентификации абонента (USIM), который использует более длинный ключ аутентификации для обеспечения большей безопасности, а также взаимной аутентификации сети и пользователя, тогда как GSM аутентифицирует пользователя только в сети (а не наоборот. наоборот). Таким образом, модель безопасности предлагает конфиденциальность и аутентификацию, но ограниченные возможности авторизации и отсутствие возможности отказа от авторства .
GSM использует несколько криптографических алгоритмов для обеспечения безопасности. А5 / 1 , A5 / 2 , и А5 / 3 потоковые шифры используются для обеспечения более-воздушной голосовой конфиденциальности. A5 / 1 был разработан первым и является более сильным алгоритмом, используемым в Европе и США; A5 / 2 слабее и используется в других странах. В обоих алгоритмах были обнаружены серьезные недостатки: можно взломать A5 / 2 в реальном времени с помощью атаки только зашифрованного текста , и в январе 2007 года The Hacker’s Choice запустили проект взлома A5 / 1 с планами использования ПЛИС, которые позволяют A5 / 1 нужно сломать атакой по радужному столу . Система поддерживает несколько алгоритмов, поэтому операторы могут заменить этот шифр более надежным.
С 2000 года предпринимались различные попытки взломать алгоритмы шифрования A5. Оба алгоритма A5 / 1 и A5 / 2 были взломаны, и их криптоанализ был обнаружен в литературе. Например, Карстен Ноль разработал ряд радужных таблиц (статические значения, которые сокращают время, необходимое для проведения атаки) и нашел новые источники известных атак с открытым текстом . Он сказал, что можно построить «полноценный перехватчик GSM … из компонентов с открытым исходным кодом», но они не сделали этого из-за юридических проблем. Ноль утверждал, что он мог перехватывать голосовые и текстовые разговоры, выдавая себя за другого пользователя, чтобы слушать голосовую почту , совершать звонки или отправлять текстовые сообщения с помощью мобильного телефона Motorola семилетней давности и программного обеспечения для дешифрования, доступного бесплатно в Интернете.
GSM использует общедоступную службу пакетной радиосвязи (GPRS) для передачи данных, например, для просмотра веб-страниц. Наиболее часто используемые шифры GPRS были публично взломаны в 2011 году.
Исследователи выявили недостатки в наиболее часто используемом GEA / 1 и GEA / 2 (стоя для GPRS шифрование Алгоритмы 1 и 2) шифров и опубликовали «gprsdecode» программное обеспечение с открытым исходным кодом для перехвата GPRS сетей. Они также отметили, что некоторые операторы связи не шифруют данные (например, с помощью GEA / 0), чтобы обнаружить использование трафика или протоколов, которые им не нравятся (например, Skype ), оставляя клиентов незащищенными. GEA / 3, кажется, относительно трудно взломать, и говорят, что он используется в некоторых более современных сетях. При использовании с USIM для предотвращения подключений к поддельным базовым станциям и атак перехода на более раннюю версию пользователи будут защищены в среднесрочной перспективе, хотя переход на 128-битный GEA / 4 по-прежнему рекомендуется.
Первый публичный криптоанализ GEA / 1 и GEA / 2 (также обозначаемых как GEA-1 и GEA-2) был проведен в 2021 году. Он пришел к выводу, что, несмотря на использование 64-битного ключа, алгоритм GEA-1 фактически предоставляет только 40 битов безопасность, благодаря взаимосвязи между двумя частями алгоритма. Исследователи обнаружили, что эти отношения были бы очень маловероятными, если бы они не были преднамеренными. Это могло быть сделано для того, чтобы удовлетворить европейский контроль над экспортом криптографических программ.
Виды базовых станций
Прежде всего, сотовые базовые станции различаются размерами. По этому параметру их можно поделить на:
- фемтосоты
- пико
- микро
- макро
Фемтосота – самая маленькая и её скорее можно назвать точкой доступа. Обычно оператор сотовой связи не имеет отношения к данному оборудованию, оно является собственностью потребителя, и обеспечивает связь для домохозяйства или предприятия. Устройство не требует вмешательства оператора, автоматически определяет радио параметры и подключения к сети операторов. Размещается внутри помещений и имеет размеры сопоставимые с домашними роутерами.
Следующие по размеру устройства, это базовые сотовые станции маленькой мощности – Пикосоты. Устройство сравнимо по размеру с ноутбуком или даже портативным компьютером. Используются в местах потенциально большой концентрации пользователей интернета для распространения локального сигнала сети IP/Ethernet. Устанавливаются в больших офисных зданиях, гипермаркетах, выставочных, бизнес и ярмарочных комплексах. Хотя и устанавливаются мобильными операторами, но еще не являются полноценными базовыми сотовыми станциями.
Следующей по размеру и уже вполне функциональная станция сотовой связи, это микросота. Обладая небольшими размерами и весом до 50 кг, обеспечивает связь в радиусе до 5 км.
Её габариты ограничивают количество поддерживаемых абонентов. Поэтому микросоты применяются в небольших населённых пунктах, для обеспечения локальных участков больших городов, там где нет необходимости в мощных излучателях или их некуда установить. Они практически незаметны на столбах. А в последнее время их научились еще и маскировать под деревья.
И наконец полноценные, мощные базовые сотовые станции, которые смонтированы повсюду. Особенно актуальна их установка на возвышенностях в городах. За городом мощные станции устанавливают чтобы обеспечить как можно больший радиус покрытия, потому что установка каждой связана с созданием хотя бы минимальной инфраструктуры. Это линия электропередачи и возможность подъезда для монтажа и обслуживания. Поэтому проще поставить одну мощную чем несколько небольших станций сотовой связи.
Зона действия каждой базовой сотовой станции зависит рельефа окружающей местности, высоты антенны, количества помех и препятствий в радиусе работы сотовой связи
Поэтому при планировании места установки радиус покрытия не всегда имеет первостепенную важность. Помимо перечисленных факторов учитывают ещё и возможный рост числа абонентов
Такой рост может спровоцировать ограничение на одновременное подключение сотовых телефонов. В этом случае операторам приходится уменьшать радиус действия установленной и дополнительно монтировать несколько станций сотовой связи.
Сотовая связь будущего
Стандарт 4G заточен на непрерывную передачу гигабайтов
информации, в нем даже отсутствует канал для передачи голоса. За счет
чрезвычайно эффективных схем мультиплексирования загрузка фильма высокого
разрешения в такой сети займет у пользователя 10-15 минут. Однако даже его
возможности уже считаются ограниченными.
В 2020 году ожидается официальный запуск нового поколения
связи стандарта 5G, который позволит передачу больших объемов данных на
сверхвысоких скоростях до 10 Гбит/сек. Кроме этого, стандарт позволит
подключить к высокоскоростному интернету до 100 миллиардов устройств.
Именно 5G позволит появиться настоящему интернету вещей — миллиарды
устройств будут обмениваться информацией в реальном времени. По оценке
экспертов, сетевой трафик скоро вырастет
на 400%. Например, автомобили начнут постоянно находиться в глобальной Сети и получать
данные о дорожной обстановке.
Низкая степень задержки обеспечит связь между транспортными
средствами и инфраструктурой в режиме реального времени. Ожидается, что надежное
и постоянно действующее соединение впервые откроет возможность для запуска на
дорогах полностью автономных транспортных средств.
Российские операторы уже экспериментируют с новыми спецификациями
— например, работы в этом направлении ведет «Ростелеком». Компания подписала
соглашение о строительстве сетей 5G в инновационном центре «Сколково». Реализация
проекта входит в государственную программу «Цифровая экономика», недавно
утвержденную правительством.
Достоинства систем мобильной связи
Переоценить возможность общаться с людьми в любое время независимо от места их нахождения просто невозможно. С развитием инновационных технологий для потребителей открываются новые возможности, которые можно использовать не только в личных целях, но и для построения бизнеса.
Оперативная связь с сотрудниками компаний различного типа и деловыми партнерами создает руководителям бизнеса условия для быстрого и стремительного развития, контроля работы персонала и выполнения других операций. При условии выхода в Интернет возможен даже удаленный доступ к сетям корпораций.
Мобильная связь позволяет абонентам не быть привязанными к одному месту, что дает возможность одновременно выполнять несколько задач, также она позволяет без труда осуществлять доступ к информационным сетям, получать, обрабатывать и передавать данные максимально оперативно.
Такие возможности человек использует в самых различных сферах деятельности, поскольку они универсальны и подходят для решения самых различных задач.
