Поколение 2g

Первое поколение сотовых телефонных систем было аналоговым. Второе поколе­ние является цифровым. Как не было никаких четких стандартов в первом поко­лении мобильных телефонов, так не появились они и ко второму поколению. Сейчас используются четыре системы второго поколения: D-AMPS, GSM, CDMA и PDC. Далее мы обсудим первые три из них. PDC нашла применение только в Японии и является, на самом деле, модификацией D-AMPS, направленной на со­хранение совместимости с японским аналоговым оборудованием первого поколе­ния. Название PCS (Personal Communications Services — персональная служба связи) иногда используется в литературе по маркетингу и означает систему вто­рого поколения (цифровую, разумеется). Изначально так назывался телефон, ра­ботающий в диапазоне 1900 МГц, впрочем, сейчас различия почти стерлись.

D-AMPS — цифровая усовершенствованная мобильная связь

Вторым поколением AMPS является полностью цифровая система D-AMPS. Она описывается международным стандартом IS-54 и его последователем — IS-136. Система D-AMPS была разработана таким образом, чтобы она могла успешно со­существовать с AMPS и мобильные телефоны первого и второго поколения могли работать одновременно в одной и той же соте.

В частности, D-AMPS использует те же 30-герцевые каналы, что и AMPS. Они располагаются в том же диапазоне, то есть может получиться так, что какой-то канал будет аналоговым, а соседние с ним каналы — цифровыми. В зависимости конкретного набора телефонов в данной ячейке ее коммутатор определяет, ка-каналы цифровые, какие аналоговые, и может динамически менять их тип в зависимости от того, какие телефоны попадают или выходят из зоны действия базовой станции ячейки. Когда D-AMPS была представлена как новая служба, для нее был выделен дополнительный диапазон, с расчетом на увеличение на­грузки. Исходящие каналы расположили на частотах 1850-1910 МГц, а соответ­ствующие входящие каналы — на частотах 1930-1990 МГц. Как и в AMPS, каналы парные. В этой полосе длина волн составляет 16 см, поэтому стандартная антен­на размером в четверть длины волны будет размером всего лишь 4 см, что дает возможность создать более компактные телефоны. Тем не менее многие телефо­ны D-AMPS могут использовать оба диапазона (как 850, так и 1900 МГц), что позволяет использовать увеличенный набор доступных каналов.

В мобильном телефоне системы D-AMPS голосовой сигнал захватывается микрофоном, оцифровывается и сжимается при помощи более сложной модели, чем дельта-модуляция и схема предсказания. Метод компрессии в данном случае принимает в расчет особенности человеческого го­лоса, сжимая речь со стандартных 56 Кбит/с (РСМ-кодирование) до 8 Кбит/с и даже меньше. Сжатие производится специальной схемой, называемой вокодером (Bellamy, 2000), прямо в телефоне, а не на базовой или коммутационной станции. Это уменьшает размеры информации, которую необходимо передать в эфир. При использовании стационарной телефонии нет никакого смысла в сжа­тии данных в самом телефонном аппарате, поскольку уменьшение трафика в ло­кальной линии никак не влияет на общую емкость системы.

Когда же речь идет о мобильной связи, то в оцифровке и сжатии данных в самой трубке есть значительная выгода: достаточно сказать, что три абонента D-AMPS могут одновременно использовать одну и ту же пару частотных каналов за счет мультиплексирования с разделением времени. Каждая пара частот поддержива­ет скорость 25 кадров/с (40 мс на кадр).

Использование улучшенных алгоритмов сжатия может позволить уложить речь в 4 Кбит/с, в этом случае один кадр может использоваться одновременно ше­стью абонентами. С точки зрения операторов мо­бильной связи, возможность сжатия данных в 3-6 раз относительно AMPS — это большая победа.

Структура управления D-AMPS довольно сложна. Используются шесть основных управляющих каналов: конфигурация сис­темы, управление в реальном и модельном (не реальном) времени, пейджинговые функции, ответы на запросы доступа и короткие сообщения. Но концептуально работа D-AMPS не отличается от работы AMPS. Когда телефон включен, он на­ходится в контакте с базовой станцией, сообщая о себе и прослушивая управ­ляющий канал на предмет входящих звонков. Обнаружив новый телефон, ком­мутатор информирует домашнюю базу абонента о его местонахождении, благодаря чему звонки могут быть корректно маршрутизированы.

_{GSM — глобальная система мобильной связи}

В Европе ситуация осложнялась наличием множества несовместимых аналоговых систем («лоскутное одеяло»). Здесь выходом оказалась разработка единого общеевропейского стандарта GSM(GSM 900 - диапазон 900 МГц). Соответствующая работа была начата в 1982 году, к 1987 году были определены все основные характеристики системы, а в 1988 г. приняты основные документы стандарта. Практическое применение стандарта началось с 1991 г.

В первом при­ближении, система GSM подобна D-AMPS. И та, и другая — сотовые системы. И там, и там применяется частотное уплотнение. Каждый телефон передает дан­ные на одной частоте, а получает — на другой (последняя выше первой: 80 МГц в D-AMPS и 55 МГц в GSM). В обеих системах пара частотных каналов разбива­ется с помощью временного уплотнения на кадровые интервалы, используемые несколькими абонентами. Однако каналы GSM значительно шире каналов AMPS (200 кГц против 30 кГц) и обслуживают относительно мало дополнитель­ных пользователей (8 против 3), в результате чего в GSM скорость передачи дан­ных одним пользователем оказывается гораздо выше, чем в D-AMPS.

Итак, каждая полоса частот имеет ширину 200 кГц. Система GSM имеет 124 пары симплексных каналов. Ширина пропускания каждого симплексного канала составляет 200 кГц. Канал поддерживает 8 отдельных соединений при помощи временного уплотнения. Каждой активной в данный момент базовой станции назначен один кадровый интервал на пару каналов. Теоретически, каждая сота может иметь до 992 каналов, однако многие из них сознательно делают недоступными во избежание конфликтов с соседними сота­ми. Прием и пере­дача происходят в разных интервалах, поскольку аппаратура GSM не может работать одновременно в двух режимах, и на перестройку требуется некоторое время.

Некоторые интервалы нужны для управляющих каналов. Широкове­щательный управляющий канал представляет собой непрерывный поток, исходя­щий от базовой станции, в котором содержатся ее идентификационная информа­ция и статус канала. Все мобильные устройства производят мониторинг мощности сигнала, по которому они определяют моменты перехода в ведение новой БС.

Выделенный управляющий канал используется для поиска мобильного теле­фона, обновления информации о нем, регистрации и установки соединения. В част­ности, каждая БС содержит базу данных телефонов, находящихся в текущий мо­мент под ее юрисдикцией. Информация, необходимая для обновления этой базы, передается по выделенному управляющему каналу.

Наконец, есть еще общий управляющий канал, разделяемый на три логиче­ских подканала. Первый из них — пейджинговый канал, с помощью которого ба­зовая станция сообщает о входящих звонках. Каждый мобильный телефон по­стоянно прослушивает его в ожидании звонка, на который он должен ответить. Второй — канал случайного доступа, позволяющий пользователям запросить ин­тервал в выделенном управляющем канале. Если два запроса сталкиваются (кол­лизия), они искажаются, и им приходится впоследствии осуществлять повтор­ные попытки. Используя выделенный управляющий канал, мобильный телефон может инициировать исходящий звонок. Присвоенный интервал объявляется при помощи третьего подканала — канала предоставления доступа.

Преимущества стандарта GSM:

• Меньшие по сравнению с аналоговыми стандартами размеры и вес телефонных аппаратов при большем времени работы без подзарядки аккумулятора. Это достигается в основном за счёт аппаратуры базовой станции, которая постоянно анализирует уровень сигнала, принимаемого от аппарата абонента. В тех случаях, когда он выше требуемого, на сотовый телефон автоматически подаётся команда снизить излучаемую мощность.

• Хорошее качество связи при достаточной плотности размещения базовых станций.

• Большая ёмкость сети, возможность большого числа одновременных соединений.

• Низкий уровень индустриальных помех в данных частотных диапазонах.

• Максимальная защита от подслушивания и нелегального использования, что достигается путём применения алгоритмов шифрования с открытым ключом. EFR-технология являет собой усовершенствованную систему кодирования речи. Эта система была разработана фирмой Nokia и впоследствии стала промышленным стандартом кодирования/декодирования для технологии GSM.

• Широкое распространение, особенно в Европе, большой выбор оборудования.

• Возможность роуминга. «Роуминг» (от английского «Roam» - странствовать, бродить) означает, что абонент одной из сетей GSM может пользоваться сотовым телефонным номером не только у себя «дома», но и перемещаться по всему миру переходя из одной сети в другую не расставаясь со своим абонентским номером. Процесс перехода из сети в сеть происходит автоматически, и пользователю телефона GSM нет необходимости заранее уведомлять оператора.

Недостатки стандарта GSM:

• Искажение речи при цифровой обработке и передаче.

• Связь на расстоянии не более 120 км от ближайшей базовой станции даже при использовании усилителей и направленных антенн. Поэтому для покрытия определённой площади необходимо большее количество передатчиков.

• Серьёзная мощность излучения носимыми трубками - потенциальный вред здоровью. В настоящее время не подтверждено, даже после проведения множества экспериментов.

CDMA — множественный доступ с кодовым разделением каналов

D-AMPS и GSM — это довольно традиционные системы. Они используют час­тотное и временное уплотнение для разделения спектра на каналы и разделения каналов на интервалы. Однако есть еще одна система из этой серии под названи­ем CDMA (Code Division Multiple Access — множественный доступ с кодовым разделением каналов), которая работает совершенно по-другому. Когда CDMA была впервые предложена, реакция представителей соответствующей промыш­ленности напоминала реакцию королевы Изабеллы, когда к ней пришел Колумб и сказал, что он достиг Индии, поплыв в направлении, противоположном нужному. Так или иначе, благодаря упорству единственной компании, Qualcomm, CDMA теперь признается не только полноценной системой мобильной связи, но и луч­шей из существующих систем третьего поколения. Она также используется в США при работе с оборудованием второго поколения, конкурируя с D-AMPS. CDMA описывается международным стандартом IS-95, и иногда на эту систему ссылаются именно таким образом. Также используется название торго­вой марки — cdmaOne.

Технология множественного доступа с кодовым разделением каналов известна давно. В СССР первая работа, посвященная этой теме, была опубликована еще в 1935 году ее автором Д.В. Агеевым.

Да, CDMA полностью отличается от AMPS, D-AMPS и GSM. Вместо разде­ления доступного частотного диапазона на сотни узких каналов в CDMA каждая станция может при передаче все время пользоваться полным спектром частот. Одновременный множественный доступ обеспечивается за счет применения тео­рии кодирования. CDMA также отдыхает от мысли о том, что одновременно при­шедшие кадры должны портиться. Вместо этого предполагается, что сигналы до­бавляются линейно.

Рассмотрим следующую аналогию. Представьте себе зал ожидания в аэропорту. Множество пар оживленно беседу­ют. Временное уплотнение можно сравнить с ситуацией, когда все люди нахо­дятся в центре зала и говорят по очереди. Частотное уплотнение мы сравним с ситуацией, при которой люди находятся в разных углах и ведут свои разговоры, которые не слышны другим. Это происходит одновременно, но независимо. Для CDMA лучше всего подходит сравнение с ситуацией, когда все в центре зала, од­нако каждая пара говорящих использует свой язык общения. Франкоговорящие промывают косточки всем остальным, воспринимая чужие разговоры как шум. Таким образом, ключевой идеей CDMA является выделение полезного сигнала при игнорировании всего остального.

Стандартной полосой CDMA является 1,25 МГц (против 30 кГц в D-AMPS и 200 кГц в GSM), и в этой полосе система может обслуживать гораздо больше пользователей, чем любая другая сис­тема. При этом каждому пользователю предоставляется пропускная способность, которая, по крайней мере, не хуже, чем в GSM, а зачастую даже лучше.