8.3 Системы сотовой связи

Телефонные системы, даже на основе высокоскоростного ISDN, не в состоянии удовлетворить потребности в мобильной связи. Системы мобильной связи осуществляют передачу информации между пунктами, один из которых или оба являются подвижными. Характерным признаком систем мобильной связи является применение радиоканала. К основным технологиям мобильной связи относятся пейджинг, твейджинг, транкинг, сотовая телефония, спутниковая телефония.

Пейджинг – это система односторонней связи, при которой передаваемое сообщение поступает на пейджер пользователя, извещая его о необходимости предпринять то или действие, или просто информируя его о тех или иных текущих событиях (симплексный режим). Это наиболее дешевый вид мобильной связи, который требует небольшой полосы пропускания.

Твейджинг - это система двухстороннего пейджинга. В отличие от пейджинга здесь возможно подтверждение получения сообщения и даже проведение некоторого подобия диалога.

Транкингом (транковой связью) называется мобильная связь, для которой характерны следующие особенности:

1. Наличие связи внутри некоторой группы и возможности группового вызова от центра ко всем членам группы;

2. Наличие приоритетности;

3. Повышенная скорость соединения;

4. Возможность выхода в телефонную сеть общего пользования может отсутствовать;

5. Преимущественная передача данных в полудуплексном режиме.

Наиболее распространены два протокола транкинговой связи: аналоговый МРТ-1327 и цифровой TETRA. В иерархической структуре системы транкинговой связи используются базовые станции и центры коммутации. Станция обслуживает одну зону и имеет от одной до нескольких несущих частот, отличных от частот соседних зон. В цифровой системе TETRA применяется метод мультиплексирования по времени с реализацией нескольких слотов на каждой из несущих частот. В аналоговой системе МРТ-1327, обычно используется несколько частотных поддиапазонов в пределах диапазона 80-800 МГц с выделением каналов шириной в 12,5 кГц. Очевидно, что чем меньше частота, тем больше площадь охватываемой зоны, но меньше число каналов.

Сотовая телефония обеспечивает телефонную связь между подвижными абонентами посредством зон покрытия связи (сот). Связь осуществляется через базовые станции, выполняющие функции коммутаторов.

Первые мобильные радиотелефоны использовались в армии. Как правило, база поддерживала несколько каналов, по каждому из которых можно было общаться в полудуплексном режиме. В 1960-е годы появляется дуплексная система IMPS (Improved Mobil Telephone System), в которой каждый канал использует две частоты - одну для получения сигналов, другая - для передачи. Эта система могла поддерживать до 23 каналов. Ситуация с мобильной телефонной связью изменилась, когда в 1982 году появилась система сотовой связи. Идея этой системы заключается в том, чтобы охватить большую территорию с небольшим числом каналов, следует разбить ее на небольшие части (соты) и использовать повторно частоты в несмежных сотах. В общем случае преимущества использования сотовой телефонной сети следующие:

1. Выигрыш в использовании частот из-за их повторного использования;

2. Увеличенная емкость сети, т.е число одновременно обслуживаемых пользователей;

3. Возможность использования маломощного сигнала;

4. Компактность приемопередатчика;

5. Малая мощность источников питания;

6. Хорошая масштабируемость сети за счет разделения сот при нарастании числа отказов.

Соты имеют базовую станцию, состоящую из процессора и приемно-передающей части. Базы подключаются к центральной станции коммутации. Центральная станция соединяется с наземной телефонной сетью и, при необходимости, коммутирует звонок с мобильного телефона на обычный телефон. Такие системы могут обслуживать пейджинговую и сотовую сеть.

В каждый момент времени мобильный телефон логически находится в одной определенной соте и управляется одной базовой станцией. Когда телефон покидает ее, базовая станция обнаруживает падение уровня сигнала и запрашивает окружающие станции об уровне сигнала для данного аппарата. Управление аппаратом передается станции с наибольшим входным сигналом. Телефон информируется о смене управляющей станции, при этом предлагается переключиться на новый частотный канал, так как в смежных сотах используются разные частотные каналы. Процесс переключения занимает менее 300 мсек, что незаметно для пользователя. Сигнал передатчика падает по мере удаления от базовой станции соты. В пределах сот предусмотрено несколько каналов для приема/передачи, разнесенных по частоте. Центральная станция коммутации (MSC - Mobile services Switching Centre) осуществляет коммутацию и маршрутизацию, направляя вызовы нужному абоненту, в том числе во внешние сети общего пользования. В ее базе данных хранятся сведения о местоположении пользователей, технических характеристиках мобильных станций, данные для идентификации пользователей.

В рамках стандарта сотовой связи первого поколения AMPS (Advanced Mobile Phone Service) формировалось 832 полнодуплексных аналоговых канала в диапазоне 800-900 МГц. Недостатком такой связи является невозможность обеспечения конфиденциальности. С помощью широкополосного сканера можно было зафиксировать вызов и осуществить прослушивание или использовать чужое эфирное время. В Европе одна из первых систем сотовой связи NMT-450 (Nordic Mobile Telephone) появилась в Скандинавии. Это сеть с аналоговыми каналами связи, работающая в частотном диапазоне 453-468 МГц. Низкие частоты обусловливают повышенную дальность связи, слабую помехоустойчивость, сложность защиты сети, малое число каналов.

В настоящее время услуги мобильной связи применяются для передачи цифровых данных. Мобильные телекоммуникации использует диапазоны в интервале 50 МГц – 1 ГГц, работают при малых выходных мощностях передатчика, что ограничивает размер зоны приема. Принят стандарт второго поколения систем мобильной связи GSM (Groupe Special Mobile). Идея организации такой связи имеет много общего с технологией ISDN. В рамках стандарта имеется множество полнодуплексных каналов внутри соты, с полосой частот 200 кГц, что позволяет обеспечить пропускную способность 270,833 бит/с на канал. Каждый из частотных каналов делится по стандарту между восемью пользователями в режиме мультиплексирования по времени. Теоретически, в каждой соте может существовать 992 канала, на практике многие из них недоступны из-за интерференции с соседними ячейками.

Таким образом, система использует комбинированный метод доступа с мультиплексированием по частоте и по времени. Используется цифровой способ кодирования передачи. В системе предполагается, что у пользователя есть только один номер, по которому он доступен, независимо от места его нахождения. На практике, в разных системах коммуникации один и тот же пользователь может иметь разные номера.

Преимуществами системы является то, что GSM может обеспечивать роуминг, т.е. автоматическое отслеживание перехода мобильного пользователя из одной соты в другую, допускает интеграцию речи и данных, а также и связь с сетями общего пользования. Используются разновидности: сотовая связь GSM-900 в частотном диапазоне 890-960 МГц, и микросотовая связь GSM-1800 (DCS-1800) в диапазоне 1710-1880 МГц. Название «микросотовая» обусловлено большим затуханием и, следовательно, меньшей площадью соты.

Система GSM базируется в основном на коммутации каналов. Недостатками для подключений компьютера в режиме удаленного доступа посредством системы GSM к глобальным компьютерным сетям являются временные потери связи и соответственно данных между базовыми станциями, высокая вероятность ошибок и большая стоимость минуты работы в компьютерной сети. В связи с этим был разработан стандарт на цифровую систему коммутации пакетов CDPD (Cellular Digital Packet Data), по которому обеспечивается более надежная связь базовой станции с мобильным компьютером. В функции интерфейса входит сжатие и шифрование данных, а также исправление ошибок. Диапазон скоростей передачи данных с использованием цифровых систем сотовой связи довольно широк - от 19,2 Кбит/с (в стандарте CDPD) до 1,23 Мбит/с (в стандарте CDMA). Типичный радиус действия 10...12 км.

Согласно используемым в сотовой связи методам доступа, перед передачей данных по сети GSM, прослушивается канал базовой станции и проверяется флаг, сообщающий, свободен ли ее входной канал. Если канал занят, компьютер пропускает псевдослучайное число временных доменов, после чего повторяет попытку соединения. Если повторная попытка неудачна, время ожидания увеличивается примерно вдвое. Когда канал свободен, компьютер начинает пересылку своих кадров. Работает алгоритм DSMA (Digital Sense Multiple Access), препятствующий попытке всех узлов, готовых к передаче, захватить канал, как только он оказался свободным. Коллизии при данном методе доступа возможны, так как два узла могут воспользоваться одним и тем же временным доменом для начала передачи. Для выявления коллизий предусмотрен специальный флаг, который позволяет судить, правильно ли доставлен предыдущий микроблок. Однако, это происходит спустя несколько микроблоков. При обнаружении ошибки, передача прерывается. Передача данных в сетях сотой связи имеет более низкий приоритет по отношению передачи голосовых данных.

В идеале, мобильная сотовая система связи представляется в виде телефонной трубки. При этом телефонный номер не меняется, где бы не находился абонент. Такая система называется PCS (Personal Communication Services) в США, а в остальном мире - PCN (Personal Communications Network). PCS использует технику сотовой телефонной сети, с размерами сот в пределах 50-100 м в диапазоне частот 1,7-2,3 ГГц. Это позволяет работать с малой выходной мощностью порядка 0,25 Вт и снизить вес аппарата. При этом для покрытия той же области требуется в 40000 раз больше ячеек. Местом размещения базовых станций новой системы являются телеграфные столбы и столбы электросетей.