Gsm станция через интернет
В предыдущей статье я упоминал о том, что операторы мобильной связи предоставляют спецслужбам возможность прослушивать разговоры определенных абонентов. Это общеизвестный факт, из которого не делают особого секрета.
Существует также расхожее мнение о том, что есть специальные устройства, «притворяющиеся» базовыми станциями, через которые можно скрытно прослушивать любые разговоры, не ставя в известность оператора и даже не зная наверняка номера телефона прослушиваемого человека, достаточно, мол, сделать так, чтобы он достаточно долго находился в зоне покрытия такой «псевдобазовой», и его разговоры, наравне со всеми прочими, будут прослушаны.
На самом деле похожие устройства существуют (например, производимый компанией Rohde & Schwarz комплекс RA 900), но они обладают далеко не столь впечатляющими возможностями:
- Скрытно можно только установить, находится ли в зоне покрытия телефон, в который вставлена SIM-карта с указанным IMSI, либо получить список IMSI/IMEI — но не номеров телефонов — в зоне покрытия «псевдобазовой».
- Можно прослушивать исходящие разговоры с конкретного телефона, но у абонента при этом будет отключено шифрование сигнала. Кроме того, номер звонящего абонента будет изменен или скрыт. Это достаточно легко заметить и обнаружить, таким образом, факт прослушивания.
- Если все-таки выполняется прослушивание, то входящие звонки не могут быть доставлены абоненту и, соответственно, не могут быть прослушаны. Для всего мира прослушиваемый абонент как бы находится «за зоной покрытия», что тоже может выдать факт прослушивания.
Откуда же столько ограничений? Что мешает построить более совершенное устройство, притворяющееся базовой станцией, которое позволит полноценно и скрытно прослушивать все переговоры какого-то абонента, а еще лучше всех абонентов в зоне покрытия?
Для начала необходимо сделать несколько оговорок:
- Предполагается, что те, кто проводит прослушивание, имеют своей целью конкретного абонента, а не прослушивание всех подряд без разбору. Хотя бы просто потому, что прослушивание всех подряд без разбору — это достаточно бесполезное и малопродуктивное с точки зрения результата занятие.
- Предполагается, что о жертве известен только номер SIM-карты (IMSI) или серийный номер телефона. В частности, не известен секретный ключ (Ki) SIM-карты жертвы. Это достаточно реалистичные предположения — если прослушивающие могут легко узнать Ki произвольной SIM-карты, то им наверняка не составит труда просто использовать СОРМ-интерфейсы оператора для прослушивания звонков и не утруждать себя использованием более сложных и менее надежных способов вроде «псевдобазовой».
Общие принципы работы «псевдобазовой»
Псевдобазовая представляет из себя устройство, которое, с одной стороны, изображает из себя базовую станцию сети GSM, а с другой стороны само содержит в себе SIM-карту или какие-то другие технические средства для соединения с коммуникационными сетями. Используется оно следующим образом:
- Псевдобазовая (ПБ) размещается неподалёку от жертвы (и ее мобильного телефона).
- Псевдобазовая начинает свою работу, анонсируя себя в эфире как обычная базовая станция, принадлежащая мобильной сети, которой пользуется жертва. В стандарте GSM не требуется, чтобы базовая станция подтверждала свою аутентичность телефону (в отличие от сетей UMTS, например), поэтому сделать это достаточно легко. Частота и мощность сигнала псевдобазовой подбираются так, чтобы реальные базовые станции всех соседних сетей не создавали ей помех в работе.
- Телефон жертвы заставляют выбрать псевдобазовую в качестве наилучшей доступной базовой станции из-за ее хорошего и мощного сигнала. На этом этапе подслушивающие получают подтверждение того, что телефон жертвы включен и находится в зоне действия псевдобазовой, и могут определить его серийный номер (IMEI). Если прослушивания разговоров не требуется, то дальше наблюдатели могут, например, периодически проверять, не покинула ли жертва зону покрытия псевдо-базовой.
- Если же требуется прослушивать исходящие звонки, то псевдобазовая инструктирует телефон жертвы перейти в режим шифрования A5/0, то есть без шифрования вообще. Телефон по стандарту GSM не может отказаться.
- Теперь все исходящие звонки проходят через псевдобазовую в открытом виде и могут быть там записаны/прослушаны. Сама псевдобазовая при этом выступает в роли «прокси»/посредника, самостоятельно соединяясь с набранным номером и прозрачно транслируя сквозь себя голос в обе стороны.
Проблемы и ограничения
Итак, что же затрудняет жизнь тех, кто использует псевдобазовую для слежки за жертвой и прослушивания ее разговоров?
Во-первых, как только потенциальная жертва оказывается в зоне покрытия псевдобазовой, она фактически выпадает из покрытия нормальной сети оператора и становится недоступной для входящих звонков. Чтобы обеспечить доставку входящих звонков, псевдобазовая должна обслуживаться сетью оператора наравне со всеми остальными базовыми станциями этой сети. То есть псевдобазовая должна быть подключена к какому-то контроллеру базовых станций (BSC) и описана в его таблицах маршрутизации. Но если у прослушивающих есть доступ к сети оператора на уровне, позволяющем подключать и конфигурировать новые базовые станции, то им проще использовать СОРМ и нет нужды возится с псевдобазовыми.
Кроме жертвы в зону покрытия псевдобазовой попадут и другие мобильные телефоны, расположенные неподалеку. Для них ситуация будет еще хуже — аппарат будет показывать наличие покрытия, но ни входящие, ни исходящие звонки обслуживаться не будут.
Во-вторых, для прослушивания исходящих разговоров требуется отключение шифрования на телефоне жертвы. Большинство современных телефонов расскажут об этом жертве, и она может насторожиться.
В-третьих, для того чтобы транслировать сквозь себя исходящие звонки, псевдобазовой требуется какой-то выход в телефонную сеть. Если это GSM-модуль с SIM-картой, то исходящие звонки, совершаемые псевдобазовой, будут совершаться с номером, отличным от номера жертвы. Это придется скрывать при помощи услуги «сокрытие номера звонящего» (calling line identification restriction, CLIR), что может насторожить получателей звонка. Иногда номер можно подменить на правильный при использовании альтернативных средств - WiFi+VoIP, например, но это усложняет конструкцию псевдобазовой и накладывает определенные ограничения на то, где она может быть использована.
В принципе, для трансляции прослушиваемых звонков разумнее всего использовать SIM-карту того же оператора, которым пользуется жертва, чтобы иметь возможность обслуживать звонки на служебные и короткие номера.
В-четвертых, телефон жертвы может быть вынесен из зоны покрытия псевдобазовой, после чего придется ее передвигать и начинать процесс прослушивания сначала.
Получается слишком много минусов. Это может быть приемлемо для краткосрочной целевой акции, но недопустимо для долговременного широкомасштабного прослушивания.
Таким образом, основная польза от подобного устройства может быть в том, чтобы идентифицировать IMSI/IMEI жертвы, про которую точно известно только ее местоположение («человек в темном плаще из квартиры напротив»), а потом уже использовать сведения о IMSI для проведения обычного прослушивания средствами СОРМ. Не зря в сети подобные устройства называют «ловцами IMSI» (IMSI catchers).
Эпиграф эпиграфу рознь… Смеяться или плакать, но жизнь наша находит все большее отображение в Глобальной Виртуальной Сети. Сколько задач может решить интернет, скажут оптимисты. Пессимисты, в свою очередь заявят, что всемирная сеть только увеличивает количество проблем, зачастую задавая вопросы и заставляя искать на них ответы. Можно бесконечно спорить, приводить тонны аргументов и перекладывать пачки словесной руды. Истина никогда не рождалась в споре. Разговоры порождены безграмотностью и бессилием. Поэтому только реалисты знают, что интернет - это надежный спутник наших дней, который зеленее американского доллара и мощнее тихоокеанского цунами. Силу интернет трудно измерить, так как его природа Хаос. Если человечество создаст эффективные и действенные рычаги воздействия на него, можно будет говорить о новом витке развития цивилизации.
Как это было
Первым оператором на российском рынке, который начал предлагать мобильный интернет через сотовые сети стал DELTA TELECOM . В первый день весны 2005 года эта NMT сеть приказала всем долго жить. Еще в 1998 году оператор предлагал своим абонентам насладиться мобильным интернетом на скорости 7,2 Кбит/c. Трудно передать словами всю прелесть такой передачи данных… Ну разве ее смогут оценит пионеры коммуникаций, которые лазили по BBS на модемах "2400 без коррекции ошибок". Даже проверка почты требовала ощутимого времени. Тарифицировалось мобильное счастье за каждую минуту нахождения в сети. Одним словом, кто там был, тот не забудет, а тем кто не был - не понять.
GSM сети на самой своей заре были готовы дать пользователю интернет и сделали это. Скорость постепенно нарастала. Технические аспекты мы рассмотрим ниже. Сейчас скажем только то, что GSM позволил разделить понятие времени и денег. Поясню, что пользователь стал платить за объем прокаченных данных, а не за показатель таймера вашего нахождения в сети. Мы считаем это правильным подходом. Услуга тарифицируется именно за то, что она и предоставляет. Кстати, такое тарифицирование стало возможно не сразу, ниже мы разъясним, почему так произошло. Итак, настало время открыть некоторые технические аспекты GSM сетей, которые являются ключом к пониманию много: почему тарификация осуществляется по трафику, а не по времени; какие скорости теоретически доступны на скачивании; как развиваются GSM сети и так далее.
Передача данных
Разработчики сотовой связи еще на самой ее заре предвидели ситуацию, что их детище будет использовано для передачи данных. Не секрет, что большинство современных цифровых и аналоговых стандартов имеют корни в военных лабораториях. Львиная часть разработок велась при отличном финансировании ведущими мировыми специалистами. Дальновидность военных умов иногда обретала удивительные формы.
Особенности GSM связи таковы, что сеть может передавать данные на скорости 9,6 Кбит/c без каких либо дополнительных "наворотов" для оборудования. Точный математический расчет говорит о том, что максимальная скорость канала составляет 33,8 Кбит/c. Повторюсь, эта цифра получается лишь формальной. Возникает разумный вопрос: почему же данные передавались на скорости только 9,6 Кбит/c? Служебная информация, криптозащита и алгоритмы исключения ошибок - все эти факторы снижают скорость до 13 Кбит/c. Кроме этого, данные проводятся через речевой кодек. В результате пользователь и получает при передаче эти злосчастные 9,6 Кбит/c. Все, кто входил в сеть на такой скорости, знают, что связи хватает на проверку почты и аську. Работа с объемами данных свыше 500 Кб сопряжена с дикой потерей времени. Помогают всевозможные ухищрения. Например, чтение только заголовков электронных посланий и их выборочная закачка.
Разумеется долго мириться с таким положением вещей никто не собирался. Рынок - штука суровая. Если ты не сможешь предоставить требуемые услуги, то это за тебя сделают другие. Разговоры о сетях третьего поколения и постоянные японские пресс-релизы о взятии очередного скоростного Эвереста сильно действуют на нервы поставщикам GSM связи. На свет рождается законный уродец - технология HSCSD (High Speed Circuit Switched Data, высокоскоростная передача по коммутируемым каналам). Все прекрасно понимали, что прочить ему долгую и счастливую жизнь не стоит. Технология просто светилась своими дырками и компромиссностью. Мол вот вам - пользуйтесь, мы не стоим на месте. Хотя во многом спасибо и за это. Автор данного материала долго использовал HSCSD, по сравнению с "первой скоростью GSM в 9,6 Кбит/с", "вторая скорость" принесла новую жизнь. В чем же суть технологии High Speed Circuit Switched Data? Предлагалось объединить несколько канальных интервалов. Решение о количестве таких интервалов принималось оператором в зависимости от загрузки сети на момент соединения. Таким образом, пользователи густо населенных областей рисковали сваливаться в медленные 9,6 Кбит/с, что зачастую и наблюдалось. Теоретический предел скорости передачи данных составлял до 57,6 Кбит/с. Увеличить скорость до 76,8 Кбит/с (9,6х8) не представлялось возможным, так как сетевой канал между коммутатором и базовой станцией составлял 64 Кбит/с. Для включения технологии HSCSD требовалось приобрести сотовый аппарат с её поддержкой со стороны пользователя и программной поддержкой протокола (аппаратная часть не трогалась) со стороны оператора. HSCSD требует установить непрерывное соединение для обмена данными между вызывающей и вызываемой сторонами. Протокол напоминает обыкновенную голосовую связь и тарифицируется на поминутной основе. Оператор теряет голосовые каналы, а пользователь не получает возможности платить только за переданные данные. Одним словом, HSCSD стала своего рода заплаткой на старых штанах перед покупкой обновки. Сотовых телефонов с поддержкой этой технологии было выпущено не очень много. Для ряда моделей существовали незаурядные проблемы с настройкой драйверов. Удивительно, но сейчас продолжается выпуск сотовых аппаратов с поддержкой HSCSD. Не понятно, зачем это делается. То ли аппаратная часть стоит копейки и ее установка не стоит производителям мобильников дополнительных средств, то ли дополнительная строчка в спецификациях считается удачным маркетинговым ходом. Не секрет, что установка GPRS в сетях сотовых операторов становилась отказом от услуги HSCSD.
Приход GPRS (General Packet Radio Service) замаячил еще в 2000 году. Выход на рынок технологии на наш взгляд затянулся. Реальная потребность и возможность установки в нашей стране никак не коррелировали между собой. Наверно российские операторы GSM-сетей долго рассчитывали потенциальную прибыль и смотрели на европейских старших братьев. Новая технология пакетной передачи данных победила. Ее приход на рынок был благосклонно принят абонентами. Вместо передачи непрерывного потока данных через постоянное соединение, при пакетной коммутации сеть используется только в случае наличия данных для передачи. Такой подход используется в сетях третьего поколения. Он созвучен самой идее Интернета, где данные возникают в импульсном режиме. Для GPRS максимально возможная скорость передачи данных составляет 171,2 Кбит/с (теоретически возможная скорость составляет 270,4 Кбит/с=33,8х8). Стоит отметить, что мобильный аппарат может одновременно устанавливать голосовое соединение и обмениваться данными. Однако оборудование некоторых российских операторов исключает этот факт. Кроме того, серые прошивки мобильных аппаратов зачастую вешают телефон в том случае, если пользователь передает данные и ему поступает голосовой вызов. Такие издержки GPRS, к сожалению, добавляют ложку дегтя в бочку меда. Однако тарификация данных по их количеству, а не по времени нахождения в сети, существенный плюс. Вы можете часами висеть в Аське и плата будет ничтожна. Подобные сетевые изощрения с HSCSD были способны разорить вас. Для запуска GPRS в сети оператора, инженеры должны дополнить существующее железо оборудованием пакетной передачи данных. Процесс этот сравнительно не сложный и не дорогой.
Лучшее - это враг хорошего. Таким образом, GPRS, который имеет минимум изъянов, уступает место более интересному в качестве скорости EDGE (Enhanced Data for Global Evolution). Базисом этой технологии стала идея изменения метода модуляции несущей и адаптивная схема кодирования. Для тех, кто не любит технических тонкостей, просто сообщим, что скорость поднялась до 384 Кбит/с. В EDGE реализованы два режима работы: первый - с коммутацией пакетов (EGPRS или Enhanced GPRS), второй - с коммутацией каналов (ECSD, Enhanced Circuit Switched Data), подобно технологии HSCSD. В режиме пакетной передачи данных может изменяться скорость работы в зависимости от состояния эфира. Иными словами, если количество ошибок возрастает, то следующий пакет отсылается на меньшей скорости. Итак, EDGE рисуется как логическое продолжение GPRS. С этим можно спорить, тут есть маленькие несостыковки, но принципиально все верно.
Российские сотовые операторы взяли курс на EDGE. Коммерческие пуски сетей уже громогласно отзвучали. Необходимое оборудование установили в крупных городах. Провинция получит EDGE еще не скоро. Суммы на модернизацию аппаратной и программной части исчисляются миллионами. Поэтому дальние уголки нашей родины получат технологию не скоро. Суровые законы рынка подсказывают оператору, что EDGE не способен принести прибыль за считанные месяцы. Российские традиции бизнеса не приветствуют это. С другой стороны, EDGE является не основным, а вспомогательным продуктом на сегодняшний день. Привлеченные на него абоненты - обычно люди бизнеса. Они тратят достаточно денег на суммарный месячный платеж. Это без сомнения хороший довод в пользу новой технологии, которая медленно, но уверенно шагает по стране. Скорость 384 Кбит/с позволяет EDGE-сетям конкурировать с сетями третьего поколения. На развертывания последних уходят существенно большие деньги, чем на модернизацию существующих GSM. Однако такое положение вещей временное. На ближайшие несколько лет мы делаем ставку на EDGE, но потом требования пользователей интернет услуг возрастут и операторы будут искать совсем другие пути решения этой проблемы.
От теории к практике
Самый популярный способ выхода пользователей в сеть на сегодняшний день обеспечивают сотовый телефон и компьютер. Давайте вместе рассмотрим, "что для этого надо" и "как это сделать". Сразу оговоримся, что путь описанный нами не единственный. Существует множество путей для выхода в сеть. Однако ресурсы и цели у всех людей разные. Поэтому мы будем говорить о самом популярном способе. Разумеется, за вами остается правило проводить ассоциации и пользоваться всем сказанным ниже для своих собственных экспериментов на свой страх и риск.
- Bluetooth (Плюсы: радиус действия до 10 метров, не требует прямой видимости, простота подключения, технологичность. Минусы: сравнительно низкая безопасность соединения);
- IR-порт (Плюсы: низкая стоимость адаптера, простота настройки. Минусы: два устройства должны находиться рядом в зоне прямой видимости, нет возможности принимать входящие звонки без гарнитуры или йоговской школы, возможны помехи со стороны других источников ИК-лучей);
- Кабель (Плюсы: низкая стоимость (часто кабель поступает в комплекте), простота настройки, независимость в положении трубки относительно компьютера . Минусы: редко встречающиеся проблемы с программным обеспечением для кабеля).
Выбор способа подключения зависит от толщины вашего кошелька, коммуникационных возможностей вашего компьютера и мобильного телефона и творческого подхода. Никаких существенных противопоказаний для всех выше означенных способов нет. Будьте внимательны при использовании кабеля. В большинстве случаев для "провода" надо установить соответственные драйвера (когда в него встроен мост COM-USB). То же касается и ИК-приемника. Выбор ИК-приемника произволен. Зачастую они отличаются только излучающим элементом. Радиус действия не выше 2 метров. Покупка кабеля иногда может занять больше времени, так как предпочтения всегда отдается "родному" железу. То же можно сказать и о Bluetooth модуле. Используйте ваше законное право на money-back. Это спасет вас от пустых трат.
Установите все необходимые драйвера для сотового телефона. Они обычно поставляются на компакт диске. Если вы их утратили или не получили, то не пугайтесь, вы найдете их на сайте производителя мобильного телефона. Используйте драйвера с установками для GPRS. Если ваш телефон сравнительно свежий (новинка), то вас может ждать неприятный сюрприз. Драйвера выйдут немного позже. Попробуйте использовать ПО от смежных моделей того же производителя.
Осталось сделать самое главное. Подключить и установить GPRS соединение. Для начала придется обратиться к поставщику услуг - вашему сотовому оператору. Убедитесь, что GPRS услуга включена. Если нет, то попросите сделать это. Запомните, что после включения услуги GPRS аппарат должен быть перегружен. Выключите и включите его через несколько минут после разговора с сотовым оператором. На этом ваши злоключения не заканчиваются. На сайте вашего сотового оператора или по телефону, или в офисе обслуживания абонентов получите параметры для настройки системы. Приведу небольшую выдержку с сайта MTS она точно обрисовывает картину подключения (некоторые технические аспекты мы поясним ниже): "В компьютере создайте новое удаленное соединение и укажите модем (название телефона, подключенного к ПК), который будет использоваться при работе через это удаленное соединение и введите следующий номер:
Далее следует отредактировать созданное удаленное соединение: на вкладке "Общие" отключите "Использовать код страны". В окне удаленного соединения в свойствах модема (кнопка "Настройка" в поле "Подключение") на вкладке "Подключение" нажмите кнопку "Дополнительно" и наберите в строке инициализации: AT+CGDCONT=1,"IP","internet.mts.ru". Сохраните введенные настройки модема.
В некоторых моделях телефонов (например, Nokia 6100) требуется произвести несложные настройки для обеспечения доступа к сети Internet с помощью GPRS. В свойствах модема (обычно пункт называется "Настройка модема GPRS") укажите точку доступа: internet.mts.ru"
Что значит AT+CGDCONT=1, "internet.mts.ru".? Это часть строки инициализации исключительно для GPRS-модемов. Согласно стандарту GSM 07.07, строка AT-команды управления имеет общий вид:
Теперь нам стало понятно, что и как надо указывать при подключении к сети через GPRS модем. Осталось установить соединение и начать брожение по Интернет.
Вместо заключения
Сотовый телефон дал абонентам не только свободу в выборе места для общения. Мобильник стал ключом для входа во Всемирную Паутину. Долгие годы интернет начинался на конце телефонного провода. Ни о какой мобильности говорить не приходилась. Сегодня ситуация изменилась качественным образом. Помимо того, что мы имеем разумную (и в финансовом плане) альтернативу "dial-up", пользователь получил настоящие крылья. Вы можете выехать на лесное озеро и с помощью ноутбука на отдыхе проверить свою электронную почту. Удобно. Вот только бы тарифы стали поменьше и скорость побольше… Будут. Тенденция, говорят, в народе. Удачи и до новых встреч!
В наших следующих секретах мы расскажем о еще одном практическом применении мобильного интернета.
Сотовая связь является основой современных коммуникаций. Технически это одна из разновидностей радиосвязи, в которой абоненты связываются друг с другом с помощью сети базовых станций, принимающих и ретранслирующих сигнал от приемопередатчиков пользователей. Для того, чтобы связь была доступна везде, в любом месте и любое время, независимо от того, где находитесь вы и ваш собеседник, таких базовых станций должно быть очень много, чтобы покрыть максимум площади и обеспечить одновременную связь сразу множеству абонентов.
Именно из-за карты покрытия сети этот вид связи и назвали «сотовой». Все дело в том, что зоны покрытия от каждой станции немного накладываются на соседние, чтобы обеспечить непрерывность нахождения пользователя в сети. Поэтому, когда вы смотрите на схему размещения и покрытия сверху, то круги, показывающие зону действия каждой базовой станции, пересекаясь друг с другом, образуют контур, напоминающий пчелиные соты.
Сотовая связь стала привычным явлением, поэтому сейчас сложно представить, что относительно недавно ее не было: например, в России мобильная связь начала массово распространяться только в начале XXI века. В силу того, что в России массовая сотовая связь появилась несколько позже, чем в остальном мире, у нас быстро появились сети 2G, а сети первого поколения разворачивались не везде и проработали недолго. Поэтому коротко расскажем об особенностях сотовых сетей, начиная со второго поколения 2G и заканчивая 5G, внедрения которого все ждут.
Сотовые сети 2G, 3G, 4G, 5G: в чем основное отличие
Если говорить коротко, то основным отличием сотовых сетей разных поколений является скорость передачи данных, становившаяся все быстрее по мере развития технологий и быстродействия оборудования. Немного остановимся на особенностях каждого из стандартов.
Сотовые сети 2G
Ситуация изменилась в 1997 году, когда разработали и внедрили сервис «General Packet Radio Service» (GPRS) – надстройку над телефонным каналом мобильной связи, предназначенную для передачи данных. Максимальная скорость передачи данных через GPRS теоретически составляла до 171,2 кБит/с, практически — значительно ниже. На сегодня это уже откровенно мало, но на момент запуска было очень хорошо, потому что это было время, когда пользователи начали в массовом порядке осваивать электронную почту.
Сети с использованием GPRS получили индекс 2,5G, потому что до уже утвержденных к тому моменту норм стандарта 3G они не дотягивали. В дальнейшем появилось еще и 2,75G – технология EDGE, отличающаяся от GPRS способом кодирования и увеличенной скоростью передачи данных. Внедрение EDGE позволило повысить скорость передачи данных до 474 кбит/с в теории и до 220 кбит/с на практике. В некоторых случаях EDGE даже относят к технологии 3G, если способ ее реализации позволяет обеспечивать требования к этому стандарту (скорость передачи данных — до 384 кбит/с).
Сотовые сети 3G
Первые коммерческие сети этого стандарта были запущены в 2001-2003 году. Сначала появилась сеть в Японии, потом в Норвегии. В США первую сеть 3G запустили в 2002 году, а в России сети третьего поколения начали работу в тестовом режиме в 2002 году. Массовый запуск в регионах начался с 2008 года.
Основой 3G сети в России является стандарт UMTS (или W-CDMA). Первоначально скорость передачи данных в них достигала 384 кбит/с. В дальнейшем скорости быстро выросли с появлением 3,5G, то есть с внедрением стандартов HSPA и HSPA+, способных, в идеале, развивать скорости до 14,4 Мбит/с и 42 Мбит/с соответственно.
Важная особенность 3G — по мере движения и удаления пользователя от одной базовой станции, его «подхватывает» другая, забирая на себя часть потока данных. При этом «старая» базовая станция постепенно уменьшает поток данных, пока абонент совсем не покинет зону ее действия. Благодаря такой работе и при наличии хорошего покрытия сети вероятность того, что случится обрыв связи, становится меньше, чем в GSM, где используется жесткое переключение пользователя между базовыми станциями.
Сотовые сети 4G
Следующим шагом по повышению скорости передачи данных стало внедрение сотовых сетей четвертого поколения. На сегодня это самые актуальные сети для мобильной связи и высокоскоростного мобильного доступа в Интернет. В России сети 4G работают на частотах 1800 МГц, 2600 МГц и реже на частоте 800 МГц.
Теоретически стандарты связи в сетях четвертого поколения могут выдать скорость загрузки до 1 Гбит/с для стационарного абонента. На практике все очень сильно зависит от качества сигнала и загрузки базовых станций, поэтому реальные скорости намного меньше. В лучшем случае вы получите соединение со скоростью 100 Мбит/с и то, это если говорить о Москве. Например, «Билайн» заявляет максимальную скорость в своих сетях 4G до 73 Мбит/с, в сетях 4G+ – до 110 Мбит/с. Реальная скорость получается ниже.
Особенность 4G заключается в том, что сначала были запущены сети LTE для передачи данных. LTE — это стандарт беспроводной высокоскоростной передачи данных с увеличенной пропускной способностью, разработанный на основе предыдущих стандартов EDGE и HSPA. У LTE есть важная особенность: сети этого стандарта умеют передавать только данные, но не голос, так как LTE поддерживает только коммутацию пакетов данных, а голосовые вызовы в GSM и UMTS осуществляются на основе коммутации каналов.
Поэтому первоначально сети на основе LTE использовались только для передачи данных, а голосовая связь осуществлялась за счет переключения смартфонов в сети 3G или даже 2G. В дальнейшем реализовали технологию VoLTE — передачу голоса в сетях LTE. После этого стало возможно внедрение полноценных 4G-сетей. На момент написания статьи это наиболее актуальный и быстродействующий стандарт, а сотовые операторы постепенно расширяют зону покрытия сетями 4G.
Сотовые сети 5G
Следующий шаг в развитии беспроводных сетей — 5G. Разработчики обещают, что скорости передачи данных в новой сети будут в 10 раз выше, чем в сетях 4G. 5G — это стабильный широкополосный доступ в сеть, позволяющий широко использовать «Интернет вещей» не только в бытовой сфере, но и в промышленности. Кроме того, 5G за счет стабильной и надежной связи позволит реализовать удаленное управление и полный контроль за происходящим в таких критически важных отраслях, как, например, медицина. Подробнее о сетях 5G рассказывается в статье Клуба 5G. Реальность и перспективы.
Выбор сети на смартфоне. Как разные сети отображаются на экране
Нужно ли обычному пользователю знать, в какой сети он в данный момент находится, есть ли от этого польза и требуется ли что-то настраивать вручную?
Понимание того, в какой сети вы в данный момент находитесь, позволит оценить скорость загрузки данных и понять, что сделать реально, а что не стоит даже пробовать. Например, находясь в сети GPRS бессмысленно пытаться посмотреть ролики в YouTube или TikTok. Для этого нужна как минимум сеть 3G, причем в своей быстрой версии —HSPA или HSPA+.
Тип сети на экране смартфона отображается рядом со значком уровня сигнала и передачи данных. Так при включении сети 2G вы можете увидеть значок «2G» или «E», которые сообщают вам о том, что смартфон подключился к сети GPRS или EDGE, соответственно.
При подключении к сети 3G в наше время, скорее всего, вы увидите значок «Н» или «Н+», сообщающий о том, что устройство подключено к сети HSPA или HSPA+. Возможно, где-то вам удастся и поймать сигнал только со значком «3G» — это также сети третьего поколения.
Сети 4G обозначаются значком «4G» или «LTE». Например, вот таким.
Теперь разберемся с тем, как самостоятельно выбирать сети и принудительно назначать, в каком стандарте работать. Автоматическое подключение к новейшему стандарту не всегда хорошо. Если вы находитесь на границе действия сети 4G, но при этом рядом имеется хороший сигнал 3G, лучше переключиться на него, так как скорость будет быстрее.
Делается это так. В настройках надо зайти в раздел «Мобильная сеть». Далее — «Мобильная передача данных», где надо выбрать пункт меню «Предпочтительный режим сети».
У вас могут быть доступны, в зависимости от смартфона, следующие опции: «Авто 4G/3G/2G», «Авто 3G/2G», «Только 4G», «Только 3G», «Только 2G».
«Авто» обозначает, что смартфон сам выбирает сеть из имеющихся в наличии. Если вы указали одну из сетей, например, «Только 3G», то устройство станет соединяться только с сетями этого стандарта. Выбрать в глухой деревне «Только 2G» полезно — и соединение будет стабильнее и заряд аккумулятора сэкономите.
И вновь немного общеобразовательного материала. На этот раз речь пойдет о базовых станциях. Рассмотрим различные технические моменты по их размещению, конструкции и дальности действия, а также заглянем внутрь самого антенного блока.
Базовые станции. Общие сведения
Так выглядят антенны сотовой связи, установленные на крышах зданий. Эти антенны являются элементом базовой станции (БС), а конкретно – устройством для приема и передачи радиосигнала от одного абонента к другому, и далее через усилитель к контроллеру базовой станции и другим устройствам. Являясь наиболее заметной частью БС, они устанавливаются на антенных мачтах, крышах жилых и производственных зданий и даже дымовых трубах. Сегодня можно встретить и более экзотические варианты их установки, в России их уже устанавливают на столбах освещения, а в Египте их даже "маскируют" под пальмы.
Подключение базовой станции к сети оператора связи может производиться по радиорелейной связи, поэтому рядом с "прямоугольными" антеннами блоками БС можно увидеть радиорелейную тарелку:
С переходом на более современные стандарты четвертого и пятого поколений, для удовлетворения их требований подключать станции нужно будет исключительно по волоконной оптике. В современных конструкциях БС оптоволокно становится неотъемлемой средой передачи информации даже между узлами и блоками самой БС. К примеру, на рисунке ниже показано устройство современной базовой станции, где оптоволоконный кабель используется для передачи данных от RRU (выносные управляемые модули) антенны до самой базовой станции (показано оранжевой линией).
Оборудование базовой станции располагается в нежилых помещениях здания, либо устанавливается в специализированные контейнеры (закрепленные на стенах или столбах), ведь современное оборудования выполняется довольно компактно и может запросто поместиться в системный блок серверного компьютера. Часто радиомодуль устанавливают рядом с антенным блоком, это позволяет уменьшить потери и рассеивание передаваемой в антенну мощности. Так выглядят три установленных радиомодуля оборудования базовой станции Flexi Multiradio, закрепленные прямо на мачте:
Зона обслуживания базовых станций
Для начала следует отметить, что бывают различные типы базовых станций: макро, микро, пико и фемтосоты. Начнем с малого. И, если кратко, то фемтосота не является базовой станцией. Это, скорее, Access Point (точка доступа). Данное оборудование изначально ориентируется на домашнего или офисного пользователя и владельцем такого оборудования является частное или юр. лицо, не относящееся к оператору. Главное отличие такого оборудования заключается в том, что оно имеет полностью автоматическую конфигурацию, начиная от оценки радиопараметров и заканчивая подключением к сети оператора. Фемтосота имеет габариты домашнего роутера:
Пикосота – это БС малой мощности, принадлежащая оператору и использующая в качестве транспортной сети IP/Ethernet. Обычно устанавливается в местах возможной локальной концентрации пользователей. Устройство по размерам сравнимо с небольшим ноутбуком:
Микросота – это приближенный вариант реализации базовой станции в компактном виде, очень распространено в сетях операторов. От "большой" базовой станции ее отличает урезанная емкость поддерживаемых абонентом и меньшая излучающая мощность. Масса, как правило, до 50 кг и радиус радиопокрытия - до 5 км. Такое решение используется там, где не нужны высокие емкости и мощности сети, или нет возможности установить большую станцию:
И наконец, макросота – стандартная базовая станция, на базе которой строятся мобильные сети. Она характеризуется мощностями порядка 50 W и радиусом покрытия до 100 км (в пределе). Масса стойки может достигать 300 кг.
Когда нужно увеличить емкость сети и снизить нагрузку на отдельные базовые станции, тогда и приходят на помощь микросоты. В условиях мегаполиса зона радиопокрытия одной микросоты может составлять всего 500 метров.
В условиях города, как ни странно, встречаются такие места, где оператору нужно локально подключить участок с большим количеством трафика (районы станций метро, крупные центральные улицы и др.). В этом случае применяются маломощные микросоты и пикосоты, антенные блоки которых можно располагать на низких зданиях и на столбах уличного освещения. Когда возникает вопрос организации качественного радиопокрытия внутри закрытых зданий (торговые и бизнес центры, гипермаркеты и др.) тогда на помощь приходят пикосотовые базовые станции.
За пределами городов на первый план выходит дальность работы отдельных базовых станций, так установка каждой базовой станции в удалении от города становится все более дорогостоящим предприятием в связи с необходимостью построения линий электропередач, дорог и вышек в сложных климатических и технологических условиях. Для увеличения зоны покрытия желательно устанавливать БС на более высоких мачтах, использовать направленные секторные излучатели, и более низкие частоты, менее подверженные затуханию.
Так, например, в диапазоне 1800 МГц дальность действия БС не превышает 6-7 километров, а в случае использования 900–мегагерцового диапазона зона покрытия может достигать 32 километров, при прочих равных условиях.
Антенны базовых станций. Заглянем внутрь
В сотовой связи чаще всего используют секторные панельные антенны, которые имеют диаграмму направленности шириной в 120, 90, 60 и 30 градусов. Соответственно для организации связи во всех направлениях (от 0 до 360) может потребоваться 3 (ширина ДН 120 градусов) либо 6 (ширина ДН 60 градусов) антенных блоков. Пример организации равномерного покрытия во всех направлениях показан на рисунке ниже:
А ниже вид типовых диаграмм направленности в логарифмическом масштабе.
Большинство антенн базовых станций широкополосные, позволяющие работать в одном, двух или трех диапазонах частот. Начиная с сетей UMTS, в отличие от GSM, антенны базовых станций умеют изменять площадь радиопокрытия в зависимости от нагрузки на сеть. Один из самых эффективных методов управления излучаемой мощностью – это управление углом наклона антенны, таким способом изменяется площадь облучения диаграммы направленности.
Антенны могут иметь фиксированный угол наклона, либо имеют возможность дистанционной регулировки с помощью специального программного обеспечения, располагаемого в блоке управления БС, и встроенных фазовращателей. Существуют также решения, позволяющие изменять зону обслуживания, от общей системы управления сети передачи данных. Таким образом, можно регулировать зону обслуживания всего сектора базовой станции.
В антеннах базовых станций применяется как механическое управление диаграммой, так и электрическое. Механическое управление проще реализуется, но часто приводит к искажению формы диаграммы направленности из-за влияния конструктивных частей. Большинство антенн БС имеет систему электрической регулировки угла наклона.
Современный антенный блок представляет собой группу излучающих элементов антенной решетки. Расстояние между элементами решетки выбирается таким образом, чтобы получить наименьший уровень боковых лепестков диаграммы направленности. Наиболее часто встречаются длины панельных антенн от 0,7 до 2,6 метров (для многодиапазонных антенных панелей). Коэффициент усиления варьируется от 12 до 20 dBi.
На рисунке ниже (слева) представлена конструкция одной из наиболее распространенных (но уже устаревающих) антенных панелей.
Здесь излучатели антенной панели представляют собой полуволновые симметричные электрические вибраторы над проводящим экраном, расположенные под углом 45 градусов. Такая конструкция позволяет формировать диаграмму с шириной главного лепестка 65 или 90 градусов. В такой конструкции выпускаются двух- и даже трехдиапазонные антенные блоки (правда, довольно крупногабаритные). Например, трехдиапазонная антенная панель такой конструкции (900, 1800, 2100 МГц) отличается от однодиапазонной, примерно в два раза большим размером и массой, что, конечно же, затрудняет ее обслуживание.
Альтернативная технология изготовления таких антенн предполагает выполнение полосковых антенных излучателей (металлические пластины квадратной формы), на рисунке выше справа.
А вот еще один вариант, когда в качестве излучателя используются полуволновые щелевые магнитные вибраторы. Линия питания, щели и экран выполняются на одной печатной плате с двухсторонним фольгированным стеклотекстолитом:
С учетом современных реалий развития беспроводных технологий, базовые станции должны поддерживать работу 2G, 3G и LTE сетей. И если блоки управления базовых станций сетей разных поколений удается вместить в один коммутационный шкаф без увеличения габаритного размера, то с антенной частью возникают значительные трудности.
Например, в многодиапазонных антенных панелях количество коаксиальных соединительных линий достигает 100 метров! Столь значительная длина кабеля и количество паяных соединений неизбежно приводит к потерям в линиях и снижению коэффициента усиления:
С целью снижения электрических потерь и уменьшения точек пайки часто делают микрополосковые линии, это позволяет выполнить диполи и систему запитки всей антенны по единой печатной технологии. Данная технологиях проста в производстве и обеспечивает высокую повторяемость характеристик антенны при ее серийном выпуске.
Многодиапазонные антенны
С развитием сетей связи третьего и четвертого поколений требуется модернизация антенной части как базовых станций, так и сотовых телефонов. Антенны должны работать в новых дополнительных диапазонах, превышающих 2.2 ГГц. Более того, работа в двух и даже трех диапазонах должна производиться одновременно. Вследствие этого антенная часть включает в себя довольно сложные электромеханические схемы, которые должны обеспечивать должное функционирование в сложных климатических условиях.
В качестве примера рассмотрим конструкцию излучателей двухдиапазонной антенны базовой станции сотовой связи Powerwave, работающей в диапазонах 824-960, МГц и 1710-2170, МГц. Ее внешний вид показан на рисунке ниже:
Этот двухдиапазонный облучатель состоит из двух металлических пластин. Та, что большего размера работает в нижнем диапазоне 900 МГц, над ней расположена пластина с щелевым излучателем меньшего размера. Обе антенны возбуждаются щелевыми излучателями и таким образом имеют единую линию запитки.
Если в качестве излучателей используются дипольные антенны, то необходимо ставить отдельный диполь для каждого диапазона волн. Отдельные диполи должны иметь свою линию запитки, что, конечно же, снижает общую надежность системы и увеличивает энергопотребление. Примером такой конструкции является антенна Kathrein для того же диапазона частот, что и рассмотренная выше:
Таким образом, диполи для нижнего диапазона частот находятся как бы внутри диполей верхнего диапазона.
Для реализации трех- (и более) диапазонного режимов работы наибольшей технологичностью обладают печатные многослойные антенны. В таких антеннах каждый новый слой работает в довольно узком диапазоне частот. Такая "многоэтажная" конструкция изготавливается из печатных антенн с индивидуальными излучателями, каждая антенна настраивается на отдельные частоты рабочего диапазона. Конструкция поясняется рисунком ниже:
Как и в любых других многоэлементных антеннах в такой конструкции происходит взаимодействие элементов, работающих в разных диапазонах частот. Само собой это взаимодействие оказывает влияние на направленность и согласование антенн, но данное взаимодействие может быть устранено методами, применяемыми в ФАР (фазированных антенных решетках). Например, одним из наиболее эффективных методов является изменение конструктивных параметров элементов путем смещения возбуждающего устройства, а также изменение размеров самого облучателя и толщины разделительного диэлектрического слоя.
Важным моментом является то, что все современные беспроводные технологии широкополосные, и ширина полосы рабочих частот составляет не менее 0,2 ГГц. Широкой рабочей полосой частот обладают антенны на основе взаимодополняющих структур, типичным примером которых являются антенны типа "bow-tie" (бабочка). Согласование такой антенны с линией передачи осуществляется подбором точки возбуждения и оптимизацией ее конфигурации. Чтобы расширить полосу рабочих частот по согласованию "бабочку" дополняют входным сопротивлением емкостного характера.
Моделирование и расчет подобных антенн производят в специализированных программных пакетах САПР. Современные программы позволяют моделировать антенну в полупрозрачном корпусе при наличии влияния различных конструктивных элементов антенной системы и позволяют тем самым произвести достаточно точный инженерный анализ.
Проектирование многодиапазонной антенны производят поэтапно. Сначала рассчитывают и проектируют микрополосковую печатную антенну с широкой полосой пропускания для каждого рабочего диапазона частот отдельно. Далее печатные антенны разных диапазонов совмещают (наложением друг на друга) и рассматривают их совместную работу, устраняя по возможности причины взаимного влияния.
Широкополосная антенна типа "бабочка" может быть удачно использована как основа для трехдиапазонной печатной антенны. На рисунке ниже изображены четыре различных варианта ее конфигурации.
Приведенные конструкции антенн отличаются формой реактивного элемента, который применяется для расширения рабочей полосы частот по согласованию. Каждый слой такой трехдиапазонной антенны представляет собой микрополосковый излучатель заданных геометрических размеров. Чем ниже частоты – тем больше относительный размер такого излучателя. Каждый слой печатной платы отделен от другого с помощью диэлектрика. Приведенная конструкция может работать в диапазоне GSM 1900 (1850-1990 МГц) – принимает нижний слой; WiMAX (2,5 – 2,69 ГГц) – принимает средний слой; WiMAX (3,3 – 3,5 ГГц) – принимает верхний слой. Подобная конструкция антенной системы позволит принимать и передавать радиосигнал без использования дополнительного активного оборудования, не увеличивая тем самым габаритных размеров блока антенны.
И в заключении немного о вреде БС
Порой, базовые станции операторов сотовой связи устанавливают прямо на крышах жилых домов, чем конкретно деморализуют некоторых их обитателей. У хозяев квартир перестают "рожать кошки", а на голове у бабушки начинают быстрее появляться седые волосы. А тем временем, от установленной базовой станции жители этого дома электромагнитного поля почти не получают, ибо "вниз" базовая станция не излучает. Да и, к слову сказать, нормы СаНПиНа для электромагнитного излучения в РФ на порядок ниже, чем в "развитых" странах запада, и поэтому в черте города базовые станции никогда на полную мощность не работают. Тем самым, вреда от БС нет, если только вы не устраиваетесь позагорать на крыше в паре метров от них. Зачастую, с десяток точек доступа, установленных в квартирах жителей, а также микроволновые печи и сотовые телефоны (прижатые к голове) оказывают на вас намного большее воздействие, нежели базовая станция, установленная в 100 метрах за пределами здания.
Читайте также: