Мобильная телефонная связь относится к средствам беспроводной связи и может быть двух типов:
• домашние радиотелефоны;
• мобильные сотовые телефоны.
Радиотелефоны обеспечивают ограниченную мобильность в пределах одного или нескольких рядом расположенных помещений и состоят из базовой станции и одной или нескольких переносных трубок.
Значительно большую, практически неограниченную, мобильность обеспечивает мобильная сотовая связь, которая в настоящее время позволяет передавать, кроме голоса, цифровые данные и даже видео.
Основной принцип сотовой связи заключается в разделении всей зоны охвата телефонной связью на ячейки, называемые сотами. В центре каждой соты находится базовая станция (БС), поддерживающая связь с мобильными абонентами (сотовыми телефонами), находящимися в зоне её охвата. Базовые станции обычно располагают на крышах зданий и специальных вышках. На идеальной (ровной и без застройки) поверхности зона покрытия одной БС представляет собой круг (рис.69,а), диаметр которого не превышает 10-20 км.
Соты частично перекрываются и вместе образуют сеть (рис.69,б), которая для простоты обычно изображается в виде множества шестиугольных сот (69,в).
Рис. 69 
Каждая сота работает на своих частотах, не пересекающихся с соседними (рис.69,в). Все соты одного размера и объединены в группы по 7 сот. Каждая из букв (А, В, С, D, Е, F, G) соответствует определённому диапазону частот, используемому в пределах одной соты. Соты с одинаковыми диапазонами частот разделены сотами, работающими на других частотах. Небольшие размеры сот обеспечивают ряд преимуществ по сравнению с традиционной наземной беспроводной связью, а именно:
• большое количество пользователей, которые одновременно могут работать в сети в разных частотных диапазонах (в разных сотах);
• небольшая мощность приемно-передающего оборудования, обусловленная небольшим размером сот (выходная мощность телефонных трубок составляет десятые доли ватт);
• меньшая стоимость устройств сотовой связи как маломощных устройств.
Если в какой-то соте количество пользователей оказывается слишком большим, то она может быть разбита на соты меньшего размера, называемые микросотами.
Базовая станция, в общем случае, содержит приёмопередатчик (ПП), поддерживающий связь с мобильными телефонами, и компьютер, реализующий протоколы беспроводной мобильной связи.
В небольших сетях все базовые станции соединены с коммутатором MSC (Mobile Switching Center - мобильный коммутационный центр) и имеют выход в телефонную сеть общего пользования (ТфОП), обеспечивающий связь мобильных телефонов со стационарными (рис.70).
Рис. 70 
В больших сетях коммутаторы 1 -го уровня (MSC) соединяются с коммутатором 2-го уровня (рис.70) и т.д., при этом все MSC имеют выход в ТфОП напрямую, либо через коммутатор более высокого уровня.
Связанные таким образом базовые станции и коммутаторы образуют сеть сотовой связи, административно подчиняющиеся одному оператору, предоставляющему услуги мобильной связи.
Базовые станции совместно с коммутационным оборудованием реализуют функции по определению текущего местоположения подвижных пользователей и обеспечивают непрерывность связи при перемещении пользователей из зоны действия одной БС в зону действия другой БС. При включении сотовый телефон ищет сигнал базовой станции и посылает станции свой уникальный идентификационный код. Телефон и БС поддерживают постоянный радио контакт, периодически обмениваясь служебными данными. При выходе телефона из зоны действия БС (или ослаблении радиосигнала) устанавливается связь с другой БС. Для этого базовая станция, фиксирующая ослабление сигнала, опрашивает все окружающие БС с целью выявить станцию, которая принимает наиболее мощный сигнал от мобильного телефона. Затем БС передаёт управление данным телефоном базовой станции той соты, в которую переместился мобильный телефон. После этого, телефону посылается информация о переходе в новую соту и предлагается переключиться на новую частоту, которая используется в этой соте. Этот процесс называется передачей и длится доли секунды.
Сотовые сети разных операторов соединяются друг с другом, а также со стационарной ТфОП, что позволяет абонентам разных операторов связываться друг с другом, а также делать звонки с мобильных телефонов на стационарные и, наоборот, со стационарных на мобильные телефоны.
Используя возможности роуминга, абонент, находясь вне зоны покрытия своей сети, может совершать и принимать звонки через сеть другого оператора.
Различают 4 поколения мобильной сотовой связи, обозначаемые как 1G, 2G, 3G, 4G (рис. 71). В то же время, между 2G и 3G, 3G и 4G выделяют промежуточные поколения, получившие обозначения 2.5G и 3.5G соответственно.
Первые сети мобильной сотовой связи поколения 1G появились в начале 80-х годов прошлого века и представляли собой аналоговые беспроводные сети, основной и, фактически, единственной функцией которых была передача речи со скоростями, не превышавшими 9,6 кбит/с.
Рис. 71 
Основной недостаток аналоговой беспроводной связи — отсутствие защиты от несанкционированного перехвата разговора.
Второе и последующие поколения мобильной сотовой связи относятся к цифровым сетям связи и, в отличие от первого поколения, предоставляют пользователям, кроме передачи речи, множество дополнительных видов услуг (сервисов).
В основе всех стандартов сотовой связи второго поколения лежит метод мультиплексирования TDМA.
TDMA (Time Division Multiple Access) - множественный доступ с разделением по времени - метод мультиплексирования в беспроводной связи, при котором несколько пользователей для передачи данных используют разные временные интервалы (слоты) в одном частотном диапазоне, при этом каждому пользователю предоставляется полный доступ к выделенной полосе частот в течение короткого периода времени.
Наибольшее распространение среди стандартов сотовой связи второго поколения получили GSM и CDМA.
GSM (Global System for Mobile Communications) — глобальная система мобильной связи, использующая частотное уплотнение. Каждая пара (для передачи в прямом и обратном направлении) частотных каналов разбивается с помощью временного уплотнения (TDМA) на кадровые интервалы, используемые несколькими абонентами. Каналы GSM имеют полосу пропускания в 200 кГц. GSM использует частотное и временное уплотнение для разделения спектра на каналы и разделения каналов на временные интервалы соответственно.
GSM обеспечивает поддержку следующих услуг:
• передача данных (синхронный и асинхронный обмен данными, в том числе пакетная передача данных - GPRS);
• передача речевой информации;
• передача коротких сообщений (SMS);
• передача факсимильных сообщений;
• определение вызывающего номера;
• переадресация вызовов на другой номер;
• ожидание и удержание вызова;
• конференцсвязь (одновременная голосовая связь между тремя и более пользователями);
• голосовая почта;
и многие другие.
К основным достоинствам стандарта GSM следует отнести:
• меньшие по сравнению с аналоговыми стандартами размеры и вес телефонных аппаратов при большем времени работы без подзарядки аккумулятора;
• хорошее качество связи;
• возможность большого числа одновременных соединений;
• низкий уровень индустриальных помех в выделенных частотных диапазонах;
• защита от прослушивания и нелегального использования за счёт применения алгоритмов шифрования с разделяемым ключом.
Недостатками стандарта GSM являются:
• искажение речи при цифровой обработке и передаче.
В стандарте GSM определены 4 диапазона частот для передачи данных: 850 МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц, наиболее популярными среди которых являются 900 МГц (стандарт GSM-900) и 1800 МГц (GSM- 1800). Соты могут иметь диаметр от 400м до 50 км.
Основные отличия GSM- 1800 от GSM-900:
• максимальная излучаемая мощность мобильных телефонов стандарта GSM- 1800 (около 1 Вт) вдвое меньше, чем у GSM-900, что увеличивает время непрерывной работы без подзарядки аккумулятора и снижает уровень радиоизлучения;
• большая ёмкость сети;
• возможность совместного использования телефонных аппаратов стандартов GSM-900 и GSM- 1 00 в одной и той же сети;
• зона охвата для каждой базовой станции значительно меньше и, как следствие, необходимо большее число базовых станций.
В сетях CDМA (Code Division Multiple Access) используется совершенно иной принцип передачи данных, подробно рассмотренный ниже. В отличие от GSM скорость передачи данных в CDМA может достигать 1,23 Мбит/с. Кроме того, существенным отличием является использование распределённого спектра, что усложняет обнаружение и идентификацию передаваемого сигнала и, соответственно, обеспечивает надёжную защиту от случайного подслушивания.
В процессе разработки принципов и стандартов третьего поколения мобильной сотовой связи появилось промежуточное поколение 2.5G, отличающееся от второго поколения большей ёмкостью сети и пакетной передачей данных. Поколение 2.5G реализовано в виде ряда стандартов, наиболее распространённым среди которых является GPRS.
GPRS (General Packet Radio Service) - технология пакетной радиосвязи общего пользования, ориентированная на реализацию «мобильного Интернета».
GPRS использует базовые станции GSM для передачи данных в виде пакетов, что делает его внедрение достаточно простым и позволяет обеспечить доступ в Интернет. Пакеты передаются через свободные в данный момент каналы. Возможность использования сразу нескольких каналов обеспечивает достаточно высокие скорости передачи данных (до 171,2 кбит/с). Передача данных разделяется по направлениям: «вниз» (downlink, DL) - от сети к абоненту, и «вверх» (uplink, UL) - от абонента к сети. Один и тот же канал поочерёдно могут использовать несколько абонентов, при этом ресурсы канала предоставляются только на время передачи пакета, что приводит к появлению очереди на передачу пакетов и, как следствие, к увеличению задержки пакетов.
Принцип работы GPRS аналогичен Интернету: данные разбиваются на пакеты и отправляются получателю (возможно разными маршрутами), где происходит их сборка. При установлении сессии каждому устройству присваивается уникальный адрес. Пакеты могут иметь формат IP или Х.25, при этом в качестве протоколов транспортного и прикладного уровней могут использоваться любые протоколы Интернета: ТСР, UDP, НТТР и др. Мобильный телефон в GPRS рассматривается как клиент внешней сети, которому присваивается постоянный или динамический IР-адрес.
Первые реализации третьего поколения сотовой связи появились в 2002 году. Существует три основных стандарта 3G:
• UМTS;
• CDМA2000;
• WCDМA (Wide CDМA).
Все они ориентированы на пакетную передачу данных и, соответственно, на работу с цифровыми компьютерными сетями, включая Интернет. Скорость передачи данных может достигать 2,4 Мбит/с что позволяет передавать качественный звук, а также реализовать «видеозвонок».
При необходимости сеть 3G может быть наложена на уже ранее развёрнутую сеть GSM или другую сеть второго поколения.
UMTS (Universal Mobile Telecommunications System — универсальная мобильная телекоммуникационная система) — поддерживает скорость передачи до 21 Мбит/с и позволяет пользователям проводить сеансы видеоконференций, загрузку музыкального и видео контента. UМTS обычно реализуется на основе технологий радиоинтерфейса. Основным отличием UМТS от GSM является возможность осуществлять стыки с сетями ISDN, Internet, GSM или другими сетями UМТS. Для передачи данных от мобильного станции к базовой станции и обратно использует разные диапазоны частот.
К недостаткам UМТS-технологии следует отнести:
• относительно высокий вес мобильных терминалов наряду с низкой ёмкостью аккумуляторных батарей;
• сложность реализации перехода абонента из зоны действия одной базовой станции в зону действия другой без потери разговора (хэндовера) между сетями UМTS и GSM;
• небольшой радиус соты: 1 - 1,5 км.
В перспективе планируется эволюция UМTS в сети четвёртого поколения 4G, позволяющие базовым станциям передавать и принимать данные на скоростях 100 Мбит/с и 50 Мбит/с соответственно.
CDМA2000 представляет собой развитие технологии CDМA и обеспечивает скорость передачи данных до 153 кбит/с, что позволяет предоставлять услуги голосовой связи, передачу коротких сообщений, работу с электронной почтой, интернетом, базами данных, передачу данных и неподвижных изображений.
Основными достоинствами CDМA2000 являются:
• широкая зона обслуживания;
• высокое качество речи;
• гибкость и дешевизна внедрения новых услуг;
• высокая помехозащищённость;
• устойчивость канала связи от перехвата и прослушивания;
• низкая излучаемая мощность радиопередатчиков абонентских устройств - менее 250 мВт (для сравнения: в GSM-900 этот показатель составляет 2 Вт, а GSM- 1800 - 1 Вт).
WCDМA (Wideband Code Division Multiple Access) — технология широкополосного множественного доступа с кодовым разделением каналов в диапазоне частот 1900 - 2100 МГц. Термин WCDМA также используется для стандарта сотовой сети, который разрабатывался как надстройка над GSM. WCDМA ориентирована на предоставление мультимедийных услуг, доступа в Интернет и видеоконференции со скоростями передачи данных:
• до 2 Мбит/с на коротких расстояниях;
• 384 кбит/с на больших расстояниях с полной мобильностью.
Такие скорости обеспечиваются за счёт широкой полосы частот канала в 5 МГц, что больше, чем в стандарте CDМA2000, использующем один или несколько каналов с полосой 1,25 МГц для каждого соединения.
Поколение 3.5G, как промежуточное поколение, характеризуется более высокими скоростями передачи данных по сравнению с 3-м поколением.
Начиная с 2006 года на сетях UМТS повсеместно распространяется технология HSDPА (High Speed Downlink Packet Access — высокоскоростная пакетная передача данных от базовой станции к мобильной станции) - стандарт поколения 3.5G, представляющий собой модернизированный 3G со средней скоростью передачи данных 3 Мбит/с и максимальной 14 Мбит/с.
Четвёртое поколение мобильных коммуникаций представляет собой эволюционное развитие 3G. Инфраструктура стандарта 4G базируется на IР-протоколе, что позволяет обеспечивать простой и быстрый доступ к Интернету. Высокие скорости передачи данных (100-200 Мбит/с) должны обеспечить передачу не только качественного звука, но и видео.
Планируется дальнейшее увеличение скорости передачи данных до 2,5 Гбит/с. Такие высокие скорости объясняются тем, что в четвёртом поколении используется только пакетная передача данных, включая голосовой трафик, передаваемый через протокол IP (мобильная VoIPтелефония).
Помимо этого, сети 4G должны обеспечивать глобальный роуминг, связь корпоративных сетей, мобильное телевидение высокой чёткости.
В качестве стандарта 4G активно продвигается технология широкополосной беспроводной связи для быстрого доступа в Интернет с мобильных компьютеров WiМAX (Worldwide Interoperability fоr Мicrowave Access) - телекоммуникационная технология, предоставляющая высокоскоростной беспроводной доступ к сети на больших расстояниях для широкого спектра устройств (от рабочих станций и портативных компьютеров до мобильных телефонов).
Скорости работы WiMAX-сетей будут достигать 75 Мбит/с и выше, что обеспечит не только доступ в Интернет, но и качественную передачу аудио- и видеоинформации, а также позволит использовать эту технологию в качестве «магистральных каналов».
Разработаны два стандарта технологии WiМAX - IEEE 802.16d и IEEE 802.16е.
Стандарт IEEE 802.16d, известный как фиксированный WiМAX и утверждённый в 2004 году, позволяет обслуживать только «статичных» абонентов, которые могут находиться как в зоне прямой видимости, так и вне зоны прямой видимости.
Стандарт IEEE 802.16е, известный как мобильный WiМAX и утверждённый в 2005 году, ориентирован на работу с пользователями, передвигающимися со скоростью до 120 км/ч, и поддерживает ряд специфических функций, таких как хэндовер, режим ожидания (idle mode) и роуминг, что позволяет использовать его в сетях сотовой связи.
Возможна работа при отсутствии прямой видимости. Естественно, что мобильный WiМAX может применяться и для обслуживания фиксированных пользователей.
Конкурирующей по отношению к WiМAX является технология LТЕ.
LTE (Long Теrm Evolution) - технология мобильной передачи данных, предназначенная для повышения эффективности, снижения издержек, расширения оказываемых услуг путём интегрирования с существующими протоколами. Скорость передачи данных в соответствии со стандартом может достигать: 173 Мбит/с «вниз» (download) и 58 Мбит/с «вверх» (upload). Радиус действия базовой станции LTE зависит от мощности и используемых частот и составляет около 5 КМ, а при высоко расположенной антенне может достигать 100 КМ.
Важной проблемой в сетях 4-го поколения является поддержка высокой скорости передачи данных при перемещении мобильных станций с высокими скоростями, учитывая, что скорость передачи данных падает с увеличением скорости перемещения и с удалением от базовой станции.
Кроме того, необходимо обеспечить передачу управления мобильной станцией при её переходе с высокой скоростью (например, при движении в автомобиле или в поезде) из одной соты в другую без прерывания передачи данных и потери качества передаваемой информации.
Предполагается, что 4G станет единым стандартом, который заменит GSM, CDМA, UМTS и другие стандарты.