7.2. Принцип функционирования сотовых систем связи

7.2.1. Основные понятия и определения

Свое название сотовые системы связи (ССС) получили в соответствии с сотовым принципом организации связи, согласно которому зона обслуживания (территория города или региона) делится на большое число малых рабочих зон или сот в виде шестиугольников. В центре каждой рабочей зоны (соты) расположена базовая станция (BTS), которая связана по радиоканалам со многими мобильными станциями (MS). Все базовые станции соединены проводными телефонными или радиорелейными соединительными линиями с центром коммутации сотовой сети (MSC) данного региона, который обеспечивает соединение подвижных абонентов с любыми абонентами телефонной сети общего пользования (ТфОП) с помощью коммутационных устройств. В ССС подвижными объектами (ПО) являются либо наземные транспортные средства, либо непосредственно человек, находящийся в движении и имеющий портативную абонентскую станцию (АС).

В отличие от централизованных, в сотовых сетях подвижной связи радиосвязь BTS c MS осуществляется в пределах малой рабочей зоны, что позволяет многократно использовать одни и те же частоты в зоне обслуживания. Число абонентов в ССС определяется пропускной способностью и числом BTS, равным числу сот, которое возрастает по квадратическому закону с уменьшением радиуса соты (R) при постоянном радиусе зоны обслуживания RO. Уменьшение радиуса соты позволяет увеличить число подвижных абонентов, оснащенных радиостанциями и имеющих возможность выхода на ТфОП. Следовательно, эффективность использования спектра радиочастот в ССС во много раз выше, чем в централизованных системах подвижной связи.

С уменьшением радиуса соты появляется возможность уменьшить мощность передатчика и чувствительность приемников, что значительно улучшает электромагнитную совместимость (ЭМС) абонентов в ССС и ЭМС между ССС и другими системами радиосвязи.

Несмотря на разнообразие стандартов сотовой связи, алгоритмы их функционирования, независимо от имеющихся особенностей, в основном похожи. Для абонента практически нет никакой разницы, в каком стандарте осуществляется связь. Если ему нужно позвонить, то он просто нажимает клавишу на своем радиотелефоне (это может быть любой сотовый радиотелефон), что соответствует снятию трубки обычного телефона. Когда же радиотелефон находится в режиме ожидания (состояние «трубка положена» обычного телефона), его приемное устройство постоянно сканирует (просматривает) либо все каналы системы, либо только управляющие. Для вызова соответствующего абонента всеми базовыми станциями сотовой системы связи по управляющим каналам передается сигнал вызова. Сотовый телефон вызываемого абонента при получении этого сигнала отвечает по одному из свободных каналов управления. Базовые станции, принявшие ответный сигнал, передают информацию о его параметрах в центр коммутации, который, в свою очередь, переключает разговор на ту базовую станцию, где зафиксирован максимальный уровень сигнала сотового радиотелефона вызываемого абонента.

Во время набора номера радиотелефон занимает один из свободных каналов, в котором уровень сигнала базовой станции в данный момент максимален. По мере удаления абонента от базовой станции или в связи с ухудшением условий распространения радиоволн уровень сигнала уменьшается, что ведет к ухудшению качества связи. Улучшение качества разговора достигается путем автоматического переключения абонента на другой канал связи. Это происходит следующим образом. Специальная процедура, называемая передачей управления вызовом или эстафетной передачей (в иностранной технической литературе – handover или handoff), позволяет переключить разговор на свободный канал другой базовой станции, в зоне действия которой оказался в это время абонент. Аналогичные действия предпринимаются при снижении качества связи из-за влияния помех или при возникновении неисправностей коммутационного оборудования. Для контроля таких ситуаций базовая станция снабжена специальным приемником, периодически измеряющим уровень сигнала сотового телефона разговаривающего абонента и сравнивающим его с допустимым пределом. Если уровень сигнала меньше этого предела, то информация об этом автоматически передается в центр коммутации по служебному каналу связи. Центр коммутации выдает команду об измерении уровня сигнала сотового радиотелефона абонента на ближайшие к нему базовые станции. После получения информации от базовых станций об уровне этого сигнала центр коммутации переключает радиотелефон на ту из них, где уровень сигнала оказался наибольшим. Это происходит так быстро, что абонент совершенно не замечает этих переключений.

Иногда возникает ситуация, когда поток заявок на обслуживание, поступающий от абонентов сотовой сети, превышает количество каналов, имеющихся на всех близко расположенных базовых станциях. Это происходит тогда, когда все каналы станций заняты обслуживанием абонентов и нет ни одного свободного, и поступает очередная заявка на обслуживание от подвижного абонента. В этом случае как временная мера (до освобождения одного из каналов) используется принцип эстафетной передачи внутри соты. При этом происходит поочередное переключение каналов в пределах одной и той же базовой станции для обеспечения связью всех абонентов.

Одна из важных услуг сети сотовой связи – предоставление возможности использования одного и того же радиотелефона при поездке в другой город, область или даже страну, причем сотовая сеть позволяет не только самому абоненту звонить из другого города или страны, но и получать звонки от тех, кто не успел застать его дома.

В сотовой радиосвязи такая возможность называется роумингом (от англ. roam – скитаться, блуждать). BTS, расположенная в центре соты, может иметь антенну с круговой диаграммой направленности, а также направленные секторные антенны. Расположение BTS возможно в чередующихся узлах ячеек и в каждом узле ячейки.

7.2.2. Услуги сотовой связи

Основные услуги сотовой связи включают обычную телефонную связь, передачу и прием факсимильных сообщений, коротких сообщений и компьютерных данных.

Услуга телефонной связи (передача речи) едва ли требует каких-либо дополнительных комментариев. По качеству связи сотовая сеть практически не уступает стационарной проводной телефонной сети общего пользования, но при этом абонент обладает неограниченной возможностью перемещения в ходе разговора в пределах зоны действия сети.

Для передачи и приема факсимильных сообщений и компьютерных данных, помимо мобильного абонентского аппарата сотовой связи, требуется использование мобильного факсимильного аппарата или переносного компьютера с соответствующими блоками сопряжения. Конечно, пользоваться мобильным факсом или передачей компьютерных данных с мобильного телефона приходится несравненно реже, чем обычной телефонной связью. Раньше корреспондент, освещающий, скажем, спортивные соревнования, записывал свои впечатления в блокнот, затем готовил рукописный текст статьи и спешил в пресс-центр, где по телефону диктовал срочный материал в номер. Теперь же он ведет запись на магнитофон, а затем, устроившись в спокойном месте, набирает статью на портативном компьютере, подключает его к своему сотовому телефону и пересылает файл в редакцию, что оперативно и комфортно. На самом деле это удобно не только корреспондентам, но и часто разъезжающим деловым людям: все необходимые виды связи под рукой.

Услугу передачи и приема коротких сообщений (английский термин Short Message Service – SMS) поясним несколько подробнее. Короткое сообщение (обычно до 80...160 символов) может быть получено во время ведения разговора, в режиме ожидания или даже при выключенном абонентском аппарате. В последнем случае сообщение записывается в память вычислительных средств центра коммутации, и абонент извещается о получении сообщения сразу же после включения аппарата. Сообщение может быть прочитано сразу после получения или позднее, прочитанное сообщение может быть стерто или сохранено в памяти аппарата для повторного прочтения. Для чтения сообщение отображается на дисплее аппарата, если оно не помещается на дисплее целиком, то отображается по частям. Если нужно передать короткое сообщение, текст его набирается при помощи клавиш аппарата и отображается на дисплее. Затем сообщение либо отправляется по указанному отправителем номеру телефона, либо не отправляется, а сохраняется в памяти для отправки в другое время. Таким образом, фактически обеспечивается совмещение сотового телефона с пейджером, причем абонент непосредственно сам отправляет свое сообщение, а доставка его адресату гарантируется компанией-оператором. Существует и такой вариант этой услуги, как передача коротких сообщений в режиме вещания, т. е. передача их одновременно группе абонентов.

Перейдем к дополнительным услугам и отметим, в первую очередь, переадресацию вызова, сохранение (удержание) вызова и ожидание вызова.

Услуга переадресации вызова (call forwarding или call divert) позволяет абоненту направить вызов, поступающий на номер его телефона, на другой номер, заранее определенный самим абонентом. Переадресация может быть безусловной, когда переадресуются все поступающие вызовы, или условной, если номер абонента занят или абонент не отвечает («не снимает трубку») в течение определенного промежутка времени, или если абонент недоступен (его аппарат выключен или находится вне зоны действия сети). Рассматриваемая услуга, как и большая часть описываемых ниже, реализуется центром коммутации, или, как еще говорят, сетью сотовой связи, чем подчеркивают, что в предоставлении услуги участвует не только абонентский аппарат. Входящий вызов может быть переадресован на любой номер телефона, например, на домашний стационарный телефон абонента, или на «почтовый ящик» голосовой почты.

Услуга сохранения (удержания) вызова (call hold) позволяет абоненту прервать текущий разговор, не разрывая линию связи. В паузе абонент может принять вновь поступивший (входящий) вызов или сам позвонить другому абоненту (исходящий вызов), а затем вернуться к прерванному разговору.

Услуга ожидания вызова (call waiting) позволяет абоненту в ходе разговора по телефону получить сигнал о поступлении еще одного входящего вызова. В таком случае абоненту предоставляется три варианта действий:

- отказаться от второго вызова;

- закончить первый разговор и перейти ко второму;

- прервать первый разговор, воспользовавшись услугой сохранения вызова, ответить на второй вызов, а по его окончании вернуться к прерванному первому. В первом случае вызывающий абонент получает в ответ сигнал «занято», а во втором и третьем его вызов ожидает, пока не получит соединения.

Остановимся кратко на других дополнительных услугах.

Услуга конференц-связи (conference call, или multiparty call) позволяет вести разговор по телефону одновременно нескольким (от трех до шести) абонентам. При этом организатор конференц-связи, т.е. абонент, который «собрал» группу собеседников, имеет возможность временно или окончательно отключить от общего разговора любого из участников, или закончить сеанс конференц-связи в целом.

Услуга запрета (или ограничения) определенных категорий вызовов (call barring) позволяет абоненту исключить, например, все входящие вызовы, или все исходящие вызовы, или все исходящие международные вызовы. При этом для установки или снятия запрета используется индивидуальный пароль абонента, исключающий возможность несанкционированного управления запретом со стороны посторонних лиц.

Услуга закрытой группы пользователей (closed user group) позволяет организовать корпоративную связь между членами определенной группы абонентов, причем члены закрытой группы могут общаться между собой без ограничений, а возможность общения с «внешним миром» по входу и/или по выходу предоставляется лишь отдельным членам группы.

Возможна услуга автоматического определения вызывающего номера, а также запрета определения номера. Запрет накладывается со стороны вызывающего абонента и имеет более высокий приоритет, чем определение номера. Возможность автоматического определения номера в сочетании с возможностью сохранения номера в памяти абонентского аппарата позволяет абоненту, спустя некоторое время, узнать, с каких номеров он получал вызовы, в том числе, какие из них остались без ответа.

Услуга голосовой почты позволяет оставить на персональном автоответчике абонента голосовое сообщение, если абонент по какой-либо причине не может принять его в момент передачи, например, если абонентский аппарат выключен или находится вне зоны действия сети или если абонент не отвечает. Адресат получает извещение о поступившем сообщении и прослушивает его в удобное для себя время. Полученное сообщение абонент может стереть или сохранить, чтобы иметь возможность прослушать его еще раз. Абоненту предоставляется возможность записать индивидуальное приветствие, которое звучит при подключении вызывающего абонента к персональному автоответчику.

Возможны различные варианты подключения абонентов к сети. Например, возможно подключение без предоставления постоянного «городского» номера (т.е. номера стационарной телефонной сети общего пользования). При этом абонент без ограничений пользуется связью в пределах сотовой сети и, возможно, всеми вариантами исходящей связи, а на входящую связь извне сотовой сети накладываются ограничения, зависящие от возможностей сети. Возможно предоставление двух «городских» номеров на один абонентский аппарат, причем каждый номер может иметь свой набор услуг, обслуживаться по своему тарифному плану, и на каждый из номеров может выставляться отдельный счет.

Очень важна и удобна услуга роуминга, позволяющая пользоваться сотовой связью не только в «своей» сети, но и в других сетях, технически совместимых с «домашней», при наличии соответствующих роуминговых соглашений. Здесь следует упомянуть возможность роуминга с SlM-картами стандарта GSM (пластикового роуминга), эта возможность позволяет осуществлять роуминг между сотовыми сетями стандартов GSM 900, GSM 1800 (DCS 1800) и GSM 1900 (PCS 1900) даже при использовании однодиапозонных терминалов (абонентских аппаратов) за счет перестановки SIM-карты из аппарата одного стандарта в аппарат другого.

В любой конкретной сети могут быть реализованы не все перечисленные услуги – это зависит от стандарта и варианта используемого аппаратурно-программного комплекса, равно как в некоторых сетях могут быть услуги, не попавшие в приведенный выше перечень.