Рис. 4.19. Взаимодействие DECT и GSM: «островки» DECT

внутри ячеек (сот) GSM обеспечивают дополнительные каналы связи для пользователей

сограниченной мобильностью

4.10.5.Сотовая связь

Сотовые системы подвижной радиосвязи (ССПС) используют боль-

шое число передатчиков, которые предназначены для обслуживания только сравнительно небольшой зоны, называемыми ячейками, или «сотами»

(рис. 4.20).

Каждая из ячеек обслуживается своим передатчиком с невысокой выходной мощностью и ограниченным числом каналов связи. Это позволяет без помех использовать повторно частоты каналов этого передатчика в другой, удаленной на значительное расстояние, ячейке.

Рис. 4.20. Принцип построения сотовой связи (для трех частот)

Теоретически такие передатчики можно использовать и в соседних ячейках. Но на практике зоны обслуживания сот могут перекрываться под действием различных факторов, например, вследствие изменения условий

187

распространения радиоволн. Группа ячеек в зоне обслуживания с различными наборами частот называется кластером.

Для работы таких систем требуется ограниченный спектр радиочастот благодаря пространственному разнесению приемопередатчиков с совпадающими рабочими частотами. К середине 80-х гг. аналоговые системы сотовой связи (ACS - Analog Communication System), ставшие первым по-

колением сотовых систем, получили достаточно широкое распространение в ряде стран. К ним относятся стандарты AMPS (США), HCMTS (Япония), NMT-450 и NMT-900 (Северная Европа), C-450 (Германия), TACS (Великобритания), ETACS (Англия, Лондон), RTMS-101H (Италия) и Radiocom-200 (Франция). Они были рассчитаны в основном на обслуживание абонентов в рамках национальных границ, использовали аналоговую частотную модуляцию для передачи речи и внутриполосную (in-band) сигнализацию в процессе установления соединения между абонентскими терминалами и остальной сетью. Исключение составляла лишь система NMT-450 (NMT-900), которая была введена в эксплуатацию в 1981 г. как международная система для четырех стран Северной Европы: Дании, Финляндии, Норвегии и Швеции. Этот же стандарт принят в качестве федерального стандарта России.

Рис. 4.21. Используемые частоты сотовых систем связи

Анализ недостатков, присущих аналоговым системам (в частности, несовместимость различных стандартов, недостаточно высокое качество связи и ее зависимость от удаления подвижного абонента от базовой станции, сложности с шифрованием передаваемых сообщений и ряд других), в конце 80-х гг. показал, что преодолеть их возможно только на основе цифровой техники.

Системы второго поколения проектировались для создания крупномасштабных сетей с учетом обеспечения международного «роуминга» – автоматического обслуживания абонентов, приехавших со своими терминалами в другую страну. К настоящему времени разработано четыре стандарта:

–пан - Европейский GSM;

–два конкурирующих североамериканских ADC (D-AMPS) по стан-

дарту TIA IS-54 и CDMA по стандарту TIA IS-95;

–японский JDC.

Наиболее прогрессивным является стандарт GSM, который к настоящему времени составляет преобладающую часть сотовых систем более

188

чем в 60 странах Европы, Ближнего и Дальнего Востока, Африки, Южной Америки и в Австралии.

Создание стандарта GSM как общеевропейской цифровой системы сотовой связи началось в 1982 г. Для этого была создана специальная груп-

па, получившая название GSM (Groupe Special Mobile). В 1990 г. были опубликованы спецификации первой фазы GSM. К середине 1991 г. стали поддерживаться коммерческие услуги GSM, а к 1993 г. функционировало уже 36 сетей GSM в 22 странах, и еще 25 стран выбрали направление GSM или поставили вопрос о его принятии. Этот стандарт принят Россией в качестве официального цифрового стандарта. Акроним GSM приобрел новое значение – Global System for Mobile communications.

Система GSM построена на основе новейшей технологии в виде цифровой системы с программным управлением, совместимой с цифровой телефонной сетью общего пользования интегрального обслуживания

(ISDN).

Системы GSM работают в диапазоне около 900 МГц, который разбит на два поддиапазона шириной по 25 МГц (рис. 4.22): 890...915 МГц для передачи от портативных устройств к базовой станции и 935…960 МГц для приема, т.е. используется организация дуплексной связи с частотным разделением (FDD). Каждый частотный поддиапазон разбит на 124 частотных канала с разносом между соседними 200 кГц (ширина полосы каждого частотного канала не превышает 200 кГц). Речевой канал системы GSM использует пару частотных каналов с результирующим разносом 45 МГц независимо от абсолютных значений несущих частот в обоих поддиапазонах. Наличие разноса препятствует появлению переходных помех между направлениями приема и передачи.

Вкаждом частотном канале данные передаются в 8 канальных интервалах (КИ), т.е. используется временное разделение каналов. Восемь КИ объединяются в цикл, а 26 циклов – в повторяющийся циклически сверхцикл длительностью 120 мс. Длительность КИ составляет около 600 мкс. Структура КИ показана на рис. 4.23. Конкретное портативное устройство ведет передачу сигнала базовой станции в одном из КИ. В течение остальных КИ передача не ведется (передатчик «молчит»).

Вначале и конце КИ отводятся по 28 мкс на продолжительность переходных процессов, в ходе которых мощность излучения передатчика меняется (возрастает в начале и падает в конце КИ) на 70 дБ. Полезная продолжительность КИ составляет 546,12 мкс и служит для передачи 148 бит.

Водном из КИ, в котором передача не ведется, портативное устройство осуществляет прием сигнала от базовой станции, т.е. используется одна и та же антенна с разделением во времени.

При активизации (включении) мобильного телефона телефонная трубка (HS – Hand Set) начинает поиск ближайшей базовой станции (BS – Base Station) – приемопередающего, управляющего и коммуникационного оборудования, составляющего сеть. В ее состав входят контроллер базовой станции (BSC – Base Station Controller) и несколько ретрансляторов (BTS –

189

Base Transceiver Station). Базовые станции управляются мобильным комму-

тирующим центром (MSC – Mobile Service Center).

Рис. 4.22. Временная и частотная структура GSM

Рис. 4.23. Структура канального интервала GSM

190

Благодаря сотовой структуре, ретрансляторы покрывают местность зоной уверенного приема в одном или нескольких радиоканалах с дополнительным служебным каналом, по которому происходит синхронизация. Точнее, происходит согласование протокола обмена аппарата и базовой станции по аналогии с процедурой модемной синхронизации (handshacking), в процессе которого устройства «договариваются» о скорости передачи, канале и т.д.

Когда мобильный аппарат находит базовую станцию и происходит синхронизация, контроллер базовой станции формирует полнодуплексный канал на мобильный коммутирующий центр через фиксированную сеть. Центр передает информацию о мобильном терминале в четыре регистра: посетительский регистр подвижных абонентов или «гостей» (VLR – Visitor Layer Register), «домашний» регистр местных подвижных абонентов (HRL

– Home Register Layer), регистр подписчика или аутентификации (AUC – AUthentifiCator) и регистр идентификации оборудования (EIR – Equipment Identification Register). Эта информация уникальна и находится в пластиковой абонентской микроэлектронной телекарточке, или SIM-модуле (SIM – Subscriber Identity Module), по которому производятся проверка правомочности абонента и тарификация [6].

В отличие от стационарных телефонов, за пользование которыми плата взимается в зависимости от нагрузки (числа занятых каналов), поступающей по фиксированной абонентской линии, плата за пользование подвижной связью взимается не с используемого телефонного аппарата, а с SIM-карты, которую можно вставить в любой аппарат.

Карточка представляет собой не что иное, как обычный флэш-чип, выполненный по смарт-технологии (SmartVoltage) и имеющий необходимый внешний интерфейс. Его можно использовать в любых аппаратах. Информация хранится в стандарте уникального международного идентифика-

тора абонента (IMSI – International Mobile Subscriber Identification), благо-

даря чему исключается возможность появления «двойников». При разработке стандарта протокола сотовой связи этот момент был изначально учтен, и теперь каждый абонент имеет свой уникальный и единственный в мире идентификационный номер, кодирующийся при передаче ключом в 64 бита.

На основании этих данных формируется представление системы о мобильном пользователе (его местоположение, статус в сети и т. д.) и происходит соединение. Если мобильный пользователь во время разговора перемещается из зоны действия одного ретранслятора в зону действия другого, или даже между зонами действия разных контроллеров, связь не обрывается и не ухудшается, поскольку система автоматически выбирает ту базовую станцию, с которой связь лучше. В зависимости от загруженности каналов телефон выбирает между сетью 900 и 1800 МГц, причем переключение возможно даже во время разговора абсолютно незаметно для говорящего.

Звонок из обычной телефонной сети мобильному пользователю осу-

191

ществляется в обратной последовательности: сначала определяются местоположение и статус абонента на основании постоянно обновляющихся данных в регистрах, а затем происходят соединение и поддержание связи.

Система GSM предоставляет пользователям широкий ассортимент услуг как речевой, так и неречевой природы. Помимо телефонии к речевым услугам относят вызовы спецслужб (полиция, скорая помощь, пожарные и т.п.) и голосовую почту.

Набор неречевых услуг основывается на перечне услуг ISDN и для абонентов сети GSM состоит из трех с половиной десятков наименований. Услуги по передаче данных различаются в зависимости от потенциальных корреспондентов (абоненты телефонной сети общего пользования, либо ISDN, либо специализированных сетей), от характера передаваемой информации (данные, факсимиле, видеотекс, телетекс и пр.), от режима передачи (коммутация пакетов либо каналов, сквозной цифровой канал либо с использованием телефонных модемов и пр.), от типа терминалов и т.д. Специфическими для подвижной сети являются службы сообщений (SMS, EMS, MMS), которые по сути дела представляют собой разновидность службы персонального вызова (пейджинга).

SMS (Short Message Service – служба коротких сообщений) – услуга операторов сотовых сетей по передаче и приему сообщений без необходимости разговора с получателем или отправителем. Созданное или полученное сообщение можно посмотреть, получить, отредактировать или отправить. Первые SMS-сообщения могли быть объемом только в 160 символов (140 Б). Позже добавились маленькие одноцветные картинки и мелодии из нескольких нот (EMS).

EMS (Extended Message Service – служба расширенных сообщений) –

расширение службы коротких сообщений (SMS), позволяющее пользователям посылать и принимать на телефон с поддержкой EMS сигналы вызова и логотипы поставщиков услуг, а также комбинации простейших картинок и мультимедийных файлов. Так как служба EMS основана на службе SMS, она использует центры SMS и работает во всех сетях GSM. Отправители EMS могут использовать текст, мелодии, простые рисунки и анимацию для повышения выразительности своих сообщений, которая ограничивается только возможностями дисплеев мобильных устройств. Новые технологии снимают существующие ограничения возможностей SMS. Объем и содержание мобильных сообщений теперь практически не ограничены (до 100 кБ).

MMS (Multimedia Messaging Service – служба мультимедийных со-

общений) – служба сообщений для мобильных устройств, стандартизированная Форумом WAP и Программой партнерства третьего поколения (3GPP). С точки зрения пользователей мобильных телефонов, служба MMS очень похожа на службу EMS – она обеспечивает возможность передачи цветных картинок и фотографий, а также создание сообщений с графическими изображениями, сопровождаемых музыкой. Так как информация передается между телефонами, в качестве адресов сообщений, как правило,

192