10.2. Аналоговые системы первого поколения

Первоначально сотовые телефонные сети предоставляли для обмена информаци­ей аналоговые каналы. Теперь такие сети называют системами первого поколе­ния. С начала 80-х годов самой популярной технологией первого поколения в Северной Америке была AMPS (Advanced Mobile Phone System — усовершенст­вованная система мобильной телефонной связи), разработанная компанией AT&T. Этот подход также получил распространение в Южной Америке, Австра­лии и Китае. Несмотря на то что на смену этим системам постепенно приходят системы второго поколения, технология AMPS используется все еще довольно широко. Краткий обзор этой технологии приводится ниже.

Распределение спектра

В Северной Америке для системы AMPS выделены две полосы частот по 25 МГц: одна для передачи сигналов с базовой станции на мобильные уст­ройства (869−894 МГц), вторая — для передачи сигналов с мобильных устройств на базовую станцию (824−849 МГц). Каждая полоса с целью создания условий для конкуренции разделена на две (т.е. чтобы на каждом рынке можно было разместить двух операторов). Оператору для его системы выделяется только 12,5 МГц в каждом направлении. Каналы разделены полосами по 30 кГц, что позволяет каждому оператору поддерживать по 416 каналов. Двадцать один ка­нал выделен для управления, оставшиеся 395 — для передачи вызовов. Каналы управления представляют собой каналы обмена данными, в которых поддержи­вается скорость передачи данных 10 Кбит/с. Разговоры передаются по каналам для переговоров в аналоговом виде, с использованием частотной модуляции. Управляющую информацию также можно отправлять как данные по каналам для переговоров, в форме пакетов. Поскольку указанного количества каналов недостаточно для большинства основных рынков, приходится либо довольство­ваться меньшей полосой частот на один разговор, либо внедрять многократное использование частот. В различных подходах к мобильной телефонии применя­ются оба варианта. Стандарт AMPS предусматривает многократное использова­ние частот.

Функционирование систем первого поколения

В постоянной памяти каждого сотового телефона, поддерживающего стандарт AMPS, имеется модуль числового распределения (numeric assignment module — NAM). В мо­дуле NAM хранится номер телефона, выделенный ему поставщиком услуг, а также регистрационный номер телефона, присвоенный мобильному устройству производи­телем. Когда телефон включается, он начинает передавать коммутатору MTSO свой регистрационный номер и номер телефона (см. рис. 10.5). Коммутатор MTSO имеет базу данных с информацией о мобильных устройствах, которые заявлены украден­ными, поэтому зная регистрационный номер, можно заблокировать украденный те­лефон. Телефонный же номер используется коммутатором MTSO для операций со счетом. Если телефоном пользуются в другом городе, то счет за услуги все равно вы­ставляется местному поставщику услуг.

При заказе разговора имеют место такие действия [COUC01].

1. Абонент инициирует вызов, вводя телефонный номер вызываемой стороны, и нажимает кнопку "send" (отправить).

2. Коммутатор MTSO проверяет, действителен ли номер телефона и уполномо­чен ли пользователь заказывать разговор; некоторые поставщики услуг тре­буют, чтобы пользователь вводил не только номер телефона вызываемого абонента, но и PIN-код (личный номер) во избежание использования украденных устройств.

3. Коммутатор MTSO посылает на сотовый телефон пользователя сообщение, в котором указано, какой информационный канал следует использовать для отправления и приема сигналов.

4. Коммутатор MTSO также отправляет сигнал вызываемой стороне. Действия 2-4 происходят в течение 10 с процесса инициации вызова.

5. После ответа вызываемой стороны коммутатор MTSO устанавливает канал связи между двумя абонентами и начинает считать стоимость разговора.

6. Когда один из абонентов вешает трубку, коммутатор MTSO освобождает канал связи и радиоканалы передачи данных и вычисляет окончательную стоимость разговора.

Каналы управления в системе AMPS

Система AMPS состоит из 21 полнодуплексного канала управления шириной 30 кГц. Каждый из них включает в себя 21 обратный канал (reverse control channel — RCC) от абонента к базовой станции и 21 прямой канал от базовой станции к абоненту. По этим каналам передаются (в форме кадров) данные с ис­пользованием схемы частотной манипуляции (FSK).

На рис. 10.11, а показана структура кадра канала RCC. Кадр начинается с 48-битового поля-предтечи, состоящего из 30-битового поля тактовой син­хронизации (чередующиеся нули и единицы), 11-битовой последовательности синхронизации слов (11100010010) и 7-битового цифрового кода цвета (digital color code — DCC). Код DCC используется для распознавания данных, передаваемых в ячейках внутренних каналов; он представляет собой уни­кальный идентификатор базовой станции и служит адресом назначения для кадра RCC. За предтечей следует собственно информационный кадр, который содержит от одного до шести слов данных. Каждое слово вмещает 36 бит данных и закодировано с помощью укороченной версии кода БХЧ (63, 51, 5) (см. табл. 8.4). В этой укороченной версии к 36 битам данных добавляется 12 контрольных разрядов и образуется 48-битовое слово. Для дальнейшего повышения надежности каждое слово передается пять раз в одном и том же кадре, а для восстановления слова на базовой станции используется мажори­тарная логика. Если учесть все служебные сигналы, то скорость передачи данных будет порядка нескольких сотен битов в секунду. Примерами сооб­щений RCC являются сообщения инициации связи, отклик на избиратель­ный вызов и подтверждение порядка.

Структура кадра FCC (см. рис. 10.11, б) начинается с 10-битовой последова­тельности тактовой синхронизации и 11-битовой последовательности синхрони­зации слов. Каждый кадр состоит из двух слов данных. Каждое слово закодиро­вано с помощью кода БХЧ и содержит 28 бит данных и 12 контрольных битов. Как и ранее, из соображений надежности каждое слово повторяется пять раз. Кроме того, в каждом кадре FCC предоставляется информация о состоянии соот­ветствующего кадра RCC (свободен или занят), для чего применяется бит "занято/свободно", который вводится в каждый десятый бит кадра. Таким обра­зом, общий объем кадра равен 463 бит. При скорости передачи сигналов 10 Кбит/с скорость передачи данных (за вычетом служебных сигналов) составляет около 1,2 Кбит/с. Сообщения FCC включают в себя сообщения избирательного вызова и сообщения о распределении частот.

Наконец, управляющую информацию можно передавать по голосовым ка­налам в течение разговора. Мобильное устройство или базовая станция могут вставлять пакеты данных, прекращая передачу голоса примерно на 100 мс и за­меняя его FSK-модулированным сообщением. Этот вариант используется для об­мена срочными сообщениями, например связанными с изменением уровня мощ­ности или переключением.

Рис. 10.11. Форматы кадров каналов управления AMPS