Стандарты сотовой связи
творческая работа учащихся по информатике и икт (9 класс) по теме

Стандарты сотовой связи

В последние два десятилетия во всем мире наблюдается интенсивное развитие систем подвижной связи, которые не только весьма удобны, но во многих случаях стали просто незаменимым видом услуг. Весьма широкое использование получили сотовые системы радиосвязи, создание которых стало крупным научно-техническим достижением 80-90-х годов. Для работы этих систем требуется ограниченный спектр радиочастот благодаря пространственному разнесению приемопередатчиков с совпадающими рабочими частотами. Первые такие системы подвижной связи общего пользования появились за рубежом в конце 70-х годов, и с тех пор рост спроса на них значительно опережает спрос на другие услуги связи. К середине 80-х годов аналоговые системы сотовой связи (ACS - Analog Communication System), ставшие первым поколением таких систем, получили достаточно широкое распространение в ряде стран. Однако анализ серьезных 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 годов показал, что преодолеть их возможно только на основе цифровой техники.

Аналоговый стандарт скандинавской мобильной телефонии NMT-450 - Nordic Mobile Telephone) использует диапазон частот 453 - 468 МГц. В этом случае предоставляется значительно большая по сравнению с другими стандартами площадь обслуживания одной базовой станции и соответственно меньшие затраты, а также малое затухание сигнала на открытом пространстве. Возможность пользоваться связью на расстоянии в несколько десятков километров от базовой станции при благоприятных погодных условиях даже за пределами гарантированной зоны покрытия, если абонент может подключить высокоэффективные направленные антенны и усилители очень выгодно для обширных территорий с низкой плотностью населения. Обратной стороной медали является слабая помехоустойчивость, поскольку в этом частотном диапазоне уровень различного рода помех и их влияние выше, чем в диапазонах 800, 900 и 1800 МГц (особенно ощутимо в больших городах, где развита промышленная сеть), и меньшая, чем в цифровых стандартах системы связи (DCS - Digital Communication System), возможность предоставления широкого спектра сервисных услуг. Кроме всего прочего этот стандарт абсолютно не защищен от прослушивания, поскольку его полоса частот типична для приема приемника ультракоротких волн соответствующего диапазона. В довершение ко всему стоит отметить, что аналоговые стандарты планируется заменить цифровыми - например, NMT-450 на GSM-400. Аналоговый стандарт AMPS (Advanced Mobile Phone Service) с рабочим диапазоном частот 825 - 890 МГц характеризуется более высокой, чем у NMT-450, емкостью сетей и более надежной связью в помещениях, низкой восприимчивостью к индустриальным и атмосферным помехам. Однако меньшая зона устойчивой связи для одной базовой станции вынуждает операторов ставить их ближе друг к другу. Учитывая данные недостатки, был разработан цифровой улучшенный стандарт DAMPS.

Цифровой стандарт DAMPS (Digital Advanced Mobile Phone Service) с рабочим диапазон частот 825 - 890 МГц обладает емкостью сетей значительно выше, чем у NMT-450 и AMPS. Возможность эксплуатации мобильных аппаратов как в цифровом, так и в аналоговом режимах, широкий спектр сервисных услуг, а так же емкость сетей сотовой связи, работающих в этом стандарте, ниже, чем в полностью цифровых системах, но все же значительно выше, чем в аналоговых. Если при роуминге абонент из аналоговой сети AMPS попадает в цифровую - DAMPS, для работы ему выделяются аналоговые каналы, однако в этом случае преимущества цифровой связи недоступны.

Цифровые сотовые сети стали вторым поколением таких подвижных систем связи. Переход на технику второго поколения позволил использовать ряд новых решений, в том числе более эффективные модели повторного использования частот, временное разделение каналов между собой, разнесение во времени процессов передачи и приема при дуплексной связи, эффективные методы борьбы с замираниями и искажениями сигналов, эффективные низкоскоростные речевые кодеки с шифрованием передаваемых сообщений для ведения кодированной передачи, более эффективные методы модуляции и интеграцию услуг телефонной связи с передачей данных, и другими услугами подвижной связи.

Но главная особенность цифровой техники - программное управление многими процессами, включая формирование логических каналов, переключение подвижного абонента между сотами, организация современных протоколов связи на основе эталонной модели взаимосвязи открытых систем (MOSC - Open System Communication Model) международной организации по стандартизации (ISO - International Standards Organization), а также управление с помощью интеллектуальной сети. Эти преимущества определили дальнейшее развитие сотовых систем в 90-х годах на основе цифровой техники.

Существует несколько стандартов цифровых систем связи: европейский GSM (Global System for Mobile communications), американский ADS (American Digital System), традиционно использующийся в США PCS (Personal Communications Service), английский (DCS - Digital Cellular System) DCS-1800, являющийся прямым аналогом GSM-1800, и японский JDS (Japan Digital System). В странах СНГ более широко применяется стандарт GSM. Это стандарт, определяющий работу в радиотелефонных сетях общего пользования, получил распространение в Европе, однако в США принят стандарт PCS-1900, что говорит о его несовместимости с европейским вследствие различных радиочастот, применяемых для связи. В частности, европейский институт стандартизации телекоммуникаций (ETSI - the European Telecommunications Standards Institute) стандартизировал и определил основные положения действующих в настоящее время в Европе стандартов мобильной связи.

Для работы сотовых систем общего пользования в большинстве стран СНГ были выделены частотные диапазоны: 450МГц - для аналоговой системы NMT-450i и диапазон 900МГц - для систем GSM. Эти две системы стандартов NMT-450i и GSM-900 получили статус федеральных. Дальнейшее развитие сотовых систем связано как с освоением для системы GSM диапазона 1800МГц, так и с переходом к третьему поколению сотовых систем, которые позволяют более гибко решать задачи предоставления каналов подвижным абонентам (в том числе с разными скоростями передачи) за счет широкополосных систем передачи и множественного кодового разделения каналов (СDМА - Code Division Multiple Access).

В системах первого и второго поколений с множественным частотным (FDMA - Frequency Division Multiple Access) и временным (TDMA - Time Division Multiple Access) разделением каналов качество связи определяется количеством предоставляемых каналов и нагрузкой, которая ограничивается пучком наличных каналов, а если все они заняты, то абонент получает отказ. В системе же с кодовым разделением ограничение накладывается на помехи. Хотя здесь и имеет место ограниченное число кодов, а также фиксированное количество аппаратных средств формирования каналов, до этих ограничений дело обычно не доходит. Фактическое ограничение пропускной способности возникает из-за того, что все соединения, одновременно использующие весь выделенный спектр частот, могут создавать взаимные помехи. Таким образом, достигается "мягкое" управление пропускной способностью в том смысле, что рост числа пользователей (сверх определенного предела) сопровождается плавным ухудшением качества связи.

Технология CDMA обеспечивает высокое качество сигнала при снижении излучаемой мощности и уровня шумов. В результате можно добиться минимальной средней выходной мощности, значение которой в сотни раз меньшее значений выходной мощности других, используемых в настоящее время стандартов. Это позволяет уменьшить воздействие на организм человека и увеличить продолжительность бесперебойной работы без подзарядки аккумулятора. Так, излучаемая мобильными аппаратами средняя мощность в сотовых системах CDMA составляет менее 10 мВт, что на порядок ниже мощности, требуемой в системах с временным разделением каналов TDMA. Эффективное использование радиочастотного диапазона с возможностью многократного использования одних тех же частот в сети (высокая спектральная эффективность) увеличивает емкость CDMA в 10-20 раз по сравнению с аналоговыми системами и в 3-6 раз превышает плотность других цифровых систем. Это способствует применению механизма контроля мощности и речевой активности, что, в свою очередь, уменьшает взаимные помехи, влияющие на емкость системы и другие факторы, а также позволяет обойти проблему блокировки канала в связи с большой нагрузкой. Соответственно CDMA обеспечивает меньшую задержку в передаче голосового сообщения, чем другие системы подвижной связи, поэтому не требуется уделять повышенное внимание растягиванию задержки сигнала и усугублению эффекта Доплера. Кроме этого, проблема многолучевого распространения эффективно решается на уровне коррекции ошибок. Наконец, плавный переход между сотами (или секторами в пределах одной соты) позволяет осуществлять "мягкий" переход от одной соты к другой, в отличие от TDMA, где такой переход происходит скачкообразно, что приводит к "жесткому", но очень короткому временному разрыву соединения.

Современный мобильный радиотелефон - очень сложный и совершенный прибор, в котором реализованы новейшие научно-технические достижения. Ниже в качестве примера рассматривается стандарт GSM, основанный на комбинации FDMA и TDMA, который получил в настоящее время в странах СНГ наибольшее распространение, отличаясь высоким совершенством и ориентированием на перспективу создания универсальной системы персональной связи.

Концепции Цифровых Систем Связи

Итак, для начала рассмотрим, как осуществляется звонок по мобильному телефону. Лишь только пользователь набирает номер, телефонная трубка (HS - Hand Set) начинает поиск ближайшей базовой станции (BS - Base Station) - приемопередающее, управляющее и коммуникационное оборудование, составляющее сеть. В ее состав входят контроллер базовой станции (BSC - Base Station Controller) и несколько ретрансляторов (BTS - Base Transceiver Station). Базовые станции управляются мобильным коммутирующим центром (MSC - Mobile Service Center). 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 - AUthentiCator) и регистр идентификации оборудования (EIR - Equipment Identification Register). Эта информация уникальна и находится в пластиковой абонентской микроэлектронной телекарточке или модуле (SIM - Subscriber Identity Module), по которому производятся проверка правомочности абонента и тарификация. 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, и главное - чтобы совпадало рабочее напряжение: ранние версии использовали 5.5В интерфейс, а у современных карт обычно 3.3В. Информация хранится в стандарте уникального международного идентификатора абонента (IMSI - International Mobile Subscriber Identification), благодаря чему исключается возможность появления "двойников" - даже если код карты будет случайно подобран, система автоматически исключит фальшивый SIM, и не придется в последствии оплачивать чужие разговоры. 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 64бит ключом. Кроме этого, по аналогии со скремблерами, предназначенными для шифрования/дешифрования разговора в аналоговой телефонии, в сотовой связи применяется 56бит кодирование.

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 осуществляется в обратной последовательности: сначала определяются местоположение и статус абонента на основании постоянно обновляющихся данных в регистрах, а затем происходят соединение и поддержание связи. Максимальная мощность излучения подвижного аппарата в зависимости от его назначения (автомобильный постоянный или переносный, носимый или карманный) может изменяться в пределах 0.8-20 Вт (соответственно 29-43 дБм). В качестве примера в таблице приводятся классы станций и абонентских устройств по применяемой мощности, принятые в системе GSM-900.

Указание мощности в децибелах более удобно для расчета бюджета радиолинии, когда значения усиления и затухания в различных звеньях тракта передачи просто суммируются с соответствующими знаками. Как и финансовый бюджет, бюджет радиолинии определяет достаточность выделяемых средств для решения поставленной задачи - в данном случае для получения требуемого качества связи. При анализе такого бюджета необходимо учитывать как факторы, добавляющие децибелы (например, мощность передатчика, коэффициент усиления антенны), так и факторы, уменьшающие децибелы (например, замирания). Обычно приемник требует определенного уровня сигнала в децибелах плюс некоторый запас на замирания, обеспечивающий гарантированное качество связи. В отличие от аналоговых систем, в которых качество связи характеризуется влиянием внутренних и внешних помех, при рассмотрении цифровых каналов все виды помех сводятся к единственному их проявлению - появлению ошибок в отдельных передаваемых символах. Поэтому качество цифровых каналов передачи характеризуется просто частотой ошибок.

Системы подвижной радиосвязи строятся по схеме "точка-многоточие" (point-multipoint), поскольку абонент может находиться в любой точке соты, контролируемой базовой станцией. В простейшем случае круговой передачи мощность радиосигнала в свободном пространстве теоретически уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Однако на практике сигнал затухает гораздо быстрее - в лучшем случае пропорционально кубу расстояния, поскольку энергия сигнала может поглощаться или уменьшаться на различных физических препятствиях, и характер таких процессов сильно зависит от частоты передачи. Например, передача на частоте 1ГГц почти не зависит от осадков или влияния атмосферы, а при частоте 10ГГц эта зависимость может оказаться достаточно сильной. С другой стороны, чем ниже частота, тем меньше затухание и меньше требуемая мощность передачи. Достаточно вспомнить, что во многих странах для телевизионной передачи в диапазоне 50-90 МГц мощность передатчика ограничивается значением 100кВт, тогда как в диапазоне 500-800 МГц можно встретить телевизионные передатчики до 5000кВт.

Однако, из этого не следует, что и у передатчиков сотовой связи мощность повышается с увеличением частоты. Наоборот, в версии системы GSM, работающей в диапазоне 1800МГц, мощности передачи на порядок ниже, чем в системе GSM-900. Если взять за основу приведенную ранее таблицу, то мощность абонентского аппарата системы GSM-1800 находится в пределах от 1Вт (вместо 8Вт в GSM-900, класс 2) до 0.25Вт (класс 5), а мощность базовой станции от 20Вт (класс 1) до 2Вт (класс 4), что объясняется размером сот. Однако на текущий момент для подвижных аппаратов системы GSM-900 мощность составляет максимум до 1Вт, реально же еще меньше. Поэтому цифры, приводимые в таблице ранее, на данный момент уже не актуальны, но приводятся для наглядности характеристики зависимости мощностей аппарата и базовой станции. Система GSM-900 рассчитана на соты радиусом в несколько десятков километров (приблизительно до 35км), а система GSM-1800 - на соты радиусом в несколько километров. Таким образом, при уменьшении мощности на порядок охватываемая площадь соты уменьшается на два порядка.

Теория работа

Важнейшими причинами повышенного затухания сигналов являются теневые зоны, создаваемые зданиями или естественными возвышенностями на местности. Исследования условий применения подвижной радиосвязи в городах показали, что даже на очень близких расстояниях теневые зоны дают затухание до 20дБ. Другой важной причиной затухания является листва деревьев. Например, на частоте 836МГц в летнее время, когда деревья покрыты листвой, уровень принимаемого сигнала оказывается приблизительно на 10дБ ниже, чем в том же месте зимой, при отсутствии листьев. Замирания сигналов от теневых зон иногда называют медленными с точки зрения условий их приема в движении при пересечении такой зоны.

Важное явление, которое приходится учитывать при создании сотовых систем подвижной радиосвязи - отражение радиоволн, и, как следствие, их многолучевое распространение. С одной стороны, это явление полезно, так как оно позволяет радиоволнам огибать препятствия и распространяться за зданиями, в подземных гаражах и тоннелях. Но с другой стороны, многолучевое распространение порождает такие трудные для радиосвязи проблемы, как растягивание задержки сигнала, релеевские замирания и усугубление эффекта Доплера.

Растягивание задержки сигнала получается из-за того, что сигнал, проходящий по нескольким независимым путям разной протяженности, принимается несколько раз. Поэтому повторяющийся импульс может выйти за пределы отведенного для него интервала времени и исказить следующий символ. Искажения, возникающие за счет растянутой задержки, называются межсимвольной интерференцией. При небольших расстояниях растянутая задержка не опасна, но если соту окружают горы, задержка может растянуться на многие микросекунды (иногда 50-100 мкс).

Релеевские замирания вызываются случайными фазами, с которыми поступают отраженные сигналы. Если, например, прямой и отраженный сигналы принимаются и противофазе (со сдвигом фазы на 180°), то суммарный сигнал может быть ослаблен почти до нуля. Релеевские замирания для данного передатчика и заданной частоты представляют собой нечто вроде амплитудных "провалов", имеющих разную глубину и распределенных случайным образом. В этом случае при стационарном приемнике избежать замираний можно просто переставив антенну. При движении же транспортного средства такие "провалы" проходятся ежесекундно тысячами, отчего происходящие при этом замирания называются быстрыми.

Эффект Доплера проявляется при движении приемника относительно передатчика и состоит в изменении частоты принимаемого колебания. Подобно тому, как тон шума движущегося поезда или автомобиля кажется неподвижному наблюдателю несколько выше при приближении транспортного средства и несколько ниже при его удалении, частота радиопередачи смещается при движении приемопередатчика. Более того, при многолучевом распространении сигнала отдельные лучи могут давать смещение частоты в ту или другую сторону одновременно. В результате, за счет эффекта Доплера получается случайная частотная модуляция передаваемого сигнала подобно тому, как за счет релеевских замираний происходит случайная амплитудная модуляция. Таким образом, в целом многолучевое распространение создает большие трудности в организации сотовой связи, в особенности для подвижных абонентов, что связано с медленными и быстрыми замираниями амплитуды сигнала в движущемся приемнике. Преодолеть эти трудности удалось с помощью цифровой техники, которая позволила создать новые методы кодирования, модуляции и выравнивания характеристик каналов.

Принцип работы

Передача данных осуществляется по радиоканалам. Сеть GSM работает в диапазонах частот 900 или 1800 МГц. Более конкретно, например, в случае рассмотрения диапазона 900МГц подвижной абонентский аппарат передает на одной из частот, лежащих в диапазоне 890-915 МГц, а принимает на частоте, лежащей в диапазоне 935-960 МГц. Для других частот принцип тот же, изменяются только численные характеристики.

По аналогии со спутниковыми каналами направление передачи от абонентского аппарата к базовой станции называется восходящим (Rise), а направление от базовой станции к абонентскому аппарату - нисходящим (Fall). В дуплексном канале, состоящем из восходящего и нисходящего направлений передачи, для каждого из названных направлений применяются частоты, различающиеся точно на 45МГц. В каждом из указанных выше частотных диапазонов создаются по 124 радиоканала (124 для приема и 124 для передачи данных, разнесенных на 45МГц) шириной по 200кГц каждый. Этим каналам присваиваются номера (N) от 0 до 123. Тогда частоты восходящего (FR) и нисходящего (FF) направлений каждого из каналов можно вычислить по формулам: FR(N) = 890+0.2N (МГц), FF(N) = FR(N) + 45 (МГц). В распоряжение каждой базовой станции может быть предоставлено от одной до 16 частот, причем число частот и мощность передачи определяются в зависимости от местных условий и нагрузки. В каждом из частотных каналов, которому присвоен номер (N) и который занимает полосу 200кГц, организуются восемь каналов с временным разделением (временные каналы с номерами от 0 до 7), или восемь канальных интервалов.

Система с разделением частот (FDMA) позволяет получить 8 каналов по 25кГц, которые, в свою очередь, разделяются по принципу системы с разделением времени (TDMA) еще на 8 каналов. В GSM используется GMSK-модуляция, а несущая частота изменяется 217 раз в секунду для того, чтобы компенсировать возможное ухудшение качества. Когда абонент получает канал, ему выделяется не только частотный канал, но и один из конкретных канальных интервалов, и он должен вести передачу в строго отведенном временном интервале, не выходя за его пределы - иначе будут создаваться помехи в других каналах. В соответствии с вышеизложенным работа передатчика происходит в виде отдельных импульсов, которые происходят в строго отведенном канальном интервале: продолжительность канального интервала составляет 577мкс, а всего цикла - 4616мкс. Выделение абоненту только одного из восьми канальных интервалов позволяет разделить во времени процесс передачи и приема путем сдвига канальных интервалов, выделяемых передатчикам подвижного аппарата и базовой станции. Базовая станция (BS) всегда передает на три канальных интервала раньше подвижного аппарата (HS). Требования к характеристикам стандартного импульса описываются в виде нормативного шаблона изменения мощности излучения во времени. Процессы включения и выключения импульса, которые сопровождаются изменением мощности на 70дБ, должны укладываться в промежуток времени длительностью всего 28мкс, а рабочее время, в течение которого передаются 147 двоичных разрядов, составляет 542.8мкс. Значения мощности передачи, указанные в таблице ранее, относятся именно к мощности импульса. Средняя же мощность передатчика оказывается в восемь раз меньше, так как 7/8 времени передатчик не излучает.

Рассмотрим формат нормального стандартного импульса. Из него видно, что не все разряды несут полезную информацию: здесь в середине импульса располагается обучающая последовательность из 26 двоичных разрядов для защиты сигнала от помех многолучевого распространения. Это - одна из восьми специальных легко распознаваемых последовательностей, по которой принятые разряды правильно располагаются во времени. Такая последовательность ограждается одноразрядными указателями (PB - Point Bit), а с обеих сторон этой настроечной последовательности располагается полезная кодированная информация в виде двух блоков по 57 двоичных разрядов, ограждаемых, в свою очередь, граничными разрядами (BB - Border Bit) - по 3бит с каждой стороны. Таким образом, импульс переносит 148бит данных, которые занимают 546.12мкс временной интервал. К этому времени добавляется еще промежуток, равный 30.44мкс защитного времени (ST - Shield Time), в течение которого передатчик "молчит". По продолжительности этот промежуток соответствует времени передачи 8.25 разряда, но передачи в это время не происходит.

Последовательность импульсов образует физический канал передачи, который характеризуется номером частоты и номером временного канального интервала. На основе этой последовательности импульсов организуется целая серия логических каналов, которые различаются своими функциями. Кроме каналов, передающих полезную информацию, существует еще ряд каналов, передающих сигналы управления. Реализация таких каналов и их работа требуют четкого управления, которое реализуется программными средствами.

GSM И Компьютер

Поскольку эта тема выходит за рамки настоящей статьи, однако очень интересна и актуальна, то в нескольких словах на самом простейшем уровне, думается, стоит ее коснуться. Рассмотрим пример необходимого оборудования для соединения трубки с компьютером. Для этого необходимо наличие ноутбука, имеющего слот для подключения PC Card Type2, мобильный аппарат, специальный адаптер, вставляющийся в слот самой PC Card Type2 и транслирующий входящие/исходящие пакеты в/из сотового телефона, и, конечно же, соединительный шнур "мобильный аппарат-адаптер". Кроме всего этого, естественно, потребуется установка специального программного обеспечения на компьютер, к которому подключается аппарат. Итак, адаптер распознается системой как обычный модем, благодаря чему и происходит передача данных. В адаптере, который модемом в традиционном понимании этого устройства не является, поток данных разбивается на последовательность фреймов по 200бит, которые передаются блоками по 240бит, где дополнительные 40бит - это служебная информация, необходимая для контроля качества и коррекции ошибок. Скорость передачи данных пользователя при этом составляет 9600bps.

Кроме вышеописанного метода, возможен вариант аналогичного типа соединения, но по инфракрасному протоколу, интерфейсным оборудованием которого снабжены большинство новых моделей трубок - блок интерфейса порта инфракрасной связи, состоящий из ИК-приемопередатчика и "PIN-окна". Со стороны ПК так же необходимо интерфейсное оборудование: в случае современных ноутбуков этого может и не понадобиться, а в случае обычного ПК необходимо будет приобрести интерфейсную колодку, или внешний модуль, подключаемый к СОМ-порту, или специальную плату расширения, плюс кабель с оптоэлектронной частью для каждого из рассматриваемых вариантов. Слой соединения GSM непосредственно с обычной телефонной сетью поддерживает протоколы передачи данных в V.21, V.22, V.22bis, V.23, V.26ter, V.32 и протокол коррекции ошибок и сжатия данных MNP5. Поскольку данные по сети GSM передаются в цифровом виде, а модем на другом конце обычной коммутируемой линии работает только с аналоговыми сигналами, адаптер, рассматриваемый в первом примере, формирует такую последовательность данных, которая воспринимается модемом как обычные телефонные сигналы, в том числе несущая сигнала "занято" и т.д. Как правило, адаптер требует стандартных модемных установок: 8N1, скорость 2400, 4800 или 9600 bps. В случае же применения ИК-порта такие "преобразования" происходят уже внутри самой трубки.

Стандарты сотовой связи

В вопросе выбора стандартов сотовой связи Россия, как обычно, пошла своим особым путем. Их уже четыре, и, возможно, это не предел. Такое «изобилие», обусловленное отсутствием продуманной государственной политики на первом этапе развития систем сотовой связи, ставит покупателя в затруднительное положение, хотя есть в этой ситуации и положительный аспект: конкуренция обеспечивает быстрое снижение цен. 

    Четыре стандарта сотовой системы связи – NMT-450, AMPS/D-AMPS, GSM-900, GSM-1800 – отличаются друг от друга принципами построения и такими характеристиками, как вид (аналоговый/цифровой), используемый частотный диапазон, уровень защищенности, удельная емкость сети, качество передачи речи, количество и ассортимент сервисных возможностей.

К аналоговым стандартам относятсяNMT-450 и AMPS.
К цифровым – D-AMPS, GSM-900, GSM-1800.

    Частотный диапазон определяет подверженность эфирным помехам, особенности распространения радиоволн в условиях города и открытой местности.
    От уровня защищенности зависит возможность подслушивания ваших разговоров и несанкционированного подключения (когда злоумышленник ведет переговоры за ваш счет).

    Удельная емкость сети важна для абонента, который пользуется сотовым телефоном в часы максимальной нагрузки.

    От качества передачи речи зависит естественность воспроизведения человеческого голоса в системе подвижной связи.

    Рассмотрим характеристики стандартов сотовой связи, используемых в России, и сформулируем их особенности.

NMT-450

Аналоговый стандарт,
диапазон частот 453 — 468 МГц.

    Аналоговый стандарт NMT-450 (Nordic Mobile Telephone) разработан в Скандинавии. В России он занимает лидирующее положение. Именно в этом стандарте создана первая федеральная сеть сотовой связи «СОТЕЛ». Сети NMT-450 охватывают территории практически всех крупных городов и областей России.

Особенности

     Значительно большая по сравнению с другими стандартами площадь обслуживания одной базовой станции и соответственно меньшие затраты, а также малое затухание сигнала на открытом пространстве, что оптимально для обширных территорий с низкой плотностью населения.

    Большая дальность – возможность пользоваться связью на расстоянии в несколько десятков километров от базовой станции (теоретически до 100 км, особенно летом) и даже за пределами гарантированной зоны покрытия, если абонент может подключить высокоэффективные направленные антенны и усилители. Это одинаково ценно как в труднодоступных, малонаселенных районах Севера или Дальнего Востока, так и в далекой Ницце.

    Более естественное, чем при использовании цифровых стандартов, звучание человеческого голоса

    Слабая помехоустойчивость — в этом частотном диапазоне уровень индустриальных помех выше, чем в диапазонах 800, 900 и 1800 МГц.     Меньшая, чем в цифровых стандартах, возможность предоставления широкого спектра сервисных услуг.

    Незащищенность от подслушивания. Абоненту NMT-450 полезно знать, что его переговоры легко принимает УКВ-приемник соответствующего диапазона.

    Габариты, вес, потребление энергии аккумуляторов у телефонных аппаратов больше, чем в цифровых системах, а время работы соответственно меньше. В новых моделях эти недостатки менее выражены.

    Вероятность снижения качества связи внутри помещений.

    Невысокая абонентская емкость сетей, обусловленная диапазоном используемых частот и особенностями технических решений, может увеличивать время дозвона в моменты пиковой нагрузки. По этой причине в крупных городах число одновременно используемых номеров в пределах одной соты стандарта NMT-450 ограничено.

Перспективы

    В процессе модернизации разрабатываются новые версии стандарта. Для увеличения емкости сотовых сетей стандарта NMT-450 планируется использовать шаг частотной сетки 12,5 кГц вместо стандартного шага 25 кГц, что позволит увеличить количество рабочих каналов с 180 до 359. Но этой привилегией смогут воспользоваться только владельцы новых моделей телефонов.

     Предполагается использовать временное разделение каналов, как в цифровых системах (работа нескольких абонентов на одной частоте).

    Спутниковые системы связи не смогут в ближайшее время составить серьезной конкуренции сетям NMT-450 из-за высокой стоимости предоставляемых услуг.

AMPS

Аналоговый стандарт,
диапазон частот 825 — 890 МГц.

    Стандарт AMPS (Advanced Mobile Phone Service — усовершенствованная подвижная телефонная служба) разработан для Северной Америки, но, завоевав популярность и в других странах, в 1993 г. появился в России. Ныне у нас такие сети эксплуатируются в 55 регионах. Часть из них работает в аналоговом стандарте AMPS, часть — в цифровом D-AMPS.

Особенности
    Более высокая, чем у NMT-450, емкость сетей.
    Низкий уровень индустриальных и атмосферных помех.
    Более надежная, чем у NMT-450, связь в помещениях.
    Меньшая зона устойчивой связи для одной базовой станции, что вынуждает операторов ставить их ближе друг к другу.
    Не распространен в Европе и Азии.
    AMPS морально устарел, и в 1990 г. в США был разработан D-AMPS.

D-AMPS

Цифровой стандарт,
диапазон частот 825 — 890 МГц.
Особенности
    Емкость сетей значительно выше, чем у NMT-450 и AMPS.
    Возможность эксплуатации мобильных аппаратов как в цифровом, так и в аналоговом режимах.
    Широкий спектр сервисных услуг.

    Емкость сетей сотовой связи, работающих в этом стандарте, ниже, чем в полностью цифровых системах, но все же значительно выше, чем в аналоговых.

    Если при роуминге абонент из аналоговой сети AMPS попадает в цифровую — D-AMPS, для работы ему выделяются аналоговые каналы. Однако в этом случае преимущества цифровой связи, оплаченные заранее, ему недоступны.

Перспективы

    Сети AMPS постепенно будут заменяться сетями, работающими в цифровой версии этого стандарта.
    Последняя модификация IS-136 стандарта D-AMPS по техническим возможностям приближает его к GSM, она уже применяется в московской сети «Би Лайн». Получит развитие и автоматический роуминг.
     У сотовых сетей есть свои «часы пик», когда мобильные абоненты не могут дозвониться или вынуждены прерывать разговор. Особенно это характерно для крупных городов, где сосредоточена основная масса пользователей. Для разрешения этой проблемы и удовлетворения растущих потребностей абонентов в сервисе операторы переходят от аналоговых к современным цифровым стандартам.

GSM-900

Цифровой стандарт,
диапазон частот 890 — 960 МГц.
(Global System for Mobile Сommunications — глобальная система подвижной связи).

Особенности
    Меньшие по сравнению с аналоговыми стандартами размеры и вес телефонных аппаратов при большем времени работы без подзарядки аккумулятора.

    Причем в основном за счет аппаратуры базовой станции, которая постоянно анализирует уровень сигнала, принимаемого от аппарата абонента. В тех случаях, когда он выше требуемого, на сотовый телефон автоматически подается команда снизить излучаемую мощность.
    Относительно высокая емкость сети.
    Низкий уровень индустриальных помех в данном частотном диапазоне.
    Максимальная защита от подслушивания и нелегального использования номера (лучше только у GSM-1800), что достигается путем применения алгоритмов шифрования с открытым ключом.
    Несколько неестественное звучание речи.
    Связь на расстоянии не более 35 км от ближайшей базовой станции даже при использовании усилителей и направленных антенн.

GSM-1800 (DCS-1800)

Цифровой стандарт,
диапазон частот 1710 — 1880 МГц. Модификация стандарта GSM-900
Особенности
    Максимальная излучаемая мощность мобильных телефонов стандарта GSM-1800 — 1Вт, для сравнения у GSM-900 — 2Вт. Большее время непрерывной работы без подзарядки аккумулятора и снижение неблагоприятного воздействия на потребителя.
    Высокая защита от подслушивания и нелегального использования номера.
    Высокая емкость сети, что важно для крупных городов.
    Возможность использования телефонных аппаратов, работающих в стандартах GSM-900 или GSM-1800.
    Такой аппарат функционирует в сети GSM-900, но, попадая в зону GSM-1800, переключается — вручную или автоматически. Это позволяет оператору рациональнее использовать частотный ресурс, а клиентам — экономить деньги за счет низких тарифов. В обеих сетях абонент пользуется одним номером. Но использование аппарата в двух сетях возможно только в тех случаях, когда эти сети принадлежат одной компании, или между компаниями, работающими в разных диапазонах, заключено соглашение о роуминге. В ближайшее время создание двухдиапазонных сетей возможно в Москве.
Перспективы
    Сети стандарта GSM сейчас развиваются наиболее динамично и в ближайшие годы должны появиться в крупных областных центрах России с высоким уровнем деловой активности, а затем и во всех остальных, особенно там, где сотовые сети других стандартов быстро исчерпывают свои ресурсы.

SIM-карта

В стандартах GSM-900 и GSM-1800 для максимальной защиты от несанкционированного подключения применяется специальный модуль подлинности абонента — SIM-карта. Эта карточка, во встроенной микросхеме которой хранится специальная информация о конкретном абоненте, выдается ему при подключении телефона и может быть использована с любой моделью мобильного аппарата стандарта GSM. Чтобы похититель-взломщик не смог ею воспользоваться, в нее вводят специальный идентификационный номер (PIN-код), который нужно набирать при каждом включении аппарата. Впрочем, ленивый абонент может отключить эту функцию. Если три раза подряд неправильно набрать PIN-код, SIM-карта временно заблокируется. Разблокировать ее можно при помощи 8-значного PUK-кода, но после десятой неудачной попытки SIM-карта блокируется окончательно.

Стандарт на аналоговые сотовые системы мобильной радиосвязи NMT-450 Скандинавских стран (The Nordic Mobile Telephone System) разработан совместно Администрациями связи Дании, Финляндии, Норвегии и Швеции для организации совместной радиотелефонной связи общего пользования в Скандинавских странах.
В NMT-450 мобильные станции полностью совместимы со всеми базовыми станциями системы независимо от страны. Все мобильные абоненты имеют возможность работать в любой из стран, входящих в систему.

Система предназначена в основном для обслуживания наземных мобильных абонентов, однако в некоторых случаях может обслужить также и абонентов морских мобильных служб на небольших расстояниях от берега.

Система обеспечивает:вхождение в связь и регистрацию стоимости разговора как из мобильной станции, так и наоборот, в автоматическом режиме;
возможность организации связи между мобильной станцией и любым абонентом стационарной телефонной сети или с любой другой мобильной станцией, включ"нной в систему, независимо от страны;
возможность автоматического поиска мобильного абонента в пределах объединенных сетей (например, Скандинавских стран).

Принцип работы мобильной системы радиосвязи основан на взаимодействии с фиксированной телефонной сетью. В состав сетей мобильной связи входят:
MSC - центр коммутации мобильной связи:
BTS - базовые станции;
MS - мобильные станции.

Центр коммутации мобильной связи (MSC) обеспечивает управление системой мобильной радиосвязи и является интерфейсом между мобильной станцией и фикси- рованной телефонной сетью. Каждый MSC обслуживает группу базовых станций. Совокупность BTS , обслуживаемых одним MSC, образует зону обслуживания (TA - traffic area).

Система образована таким образом, что в зависимости от значимости абонентов она может им предоставлять некоторые преимущества, такие как сокращенный набор, приоритет и т.п.

На каждой базовой станции один канал используется как канал вызова , он маркируется специальным сигналом опознавания. Один или несколько других каналов, когда они свободны, маркируются другим сигналом, показывающим, что канал свободен. Мобильные станции, находящиеся в зоне действия базовой станции, постоянно работают на прием на канале вызова. Однако при определенных обстоятельствах MSC может допускать использование канала вызова для ведения разговора. Эта возможность может быть использована только в том случае, когда на базовой станции нет свободных каналов связи.

В дополнение к сигналам, различающим каналы вызова и каналы связи, имеются сигналы, определяющие зону обслуживания и страну, в которой находится мобильная станция, а также сигналы, обозначающие номер канала. Все служебные сигналы являются цифровыми и передаются со скоростью 1200/1800 бит/с FFSK модуляцией (Fast Frequency Shift Keying Нулю соответствует частота 1800 Гц, а единице 1200Гц). Сам разговор представляет аналоговый сигнал ( --- модуляция) так, что его можно подслушать "обычным" приемником.

Диапазон рабочих частот:
Рабочие частоты находятся в двух полосах: 453-457,5 МГц и 463-467,5 МГц, которые используются для радиосвязи между мобильной и базовой станциями и между базовой и мобильной станциями соответственно.
Дуплексный разнос каналов приема и передачи в стандарте NMT-450 равен 10 МГц. Частотный разнос соседних каналов равен 25(20) кГц.
Так как общее число радиочастот, имеющихся в наличии в системе, ограничено, то для того, чтобы увеличить емкость системы связи предусматривается формирование малых зон связи ("малые ячейки"). Однако, как следствие, увеличивается вероятность достижения границы зоны обслуживания базовой станции к другой, управляемой тем же радиотелефонным коммутатором. Более того, выходная мощность передатчиков всех мобильных станций автоматически уменьшается по команде радиотелефонного коммутатора, когда станция входит в зону "малой ячейки".

Та же процедура уменьшения мощности используется для того, чтобы уменьшить помехи в случае, когда мобильные станции находятся близко от базовых станций с обычными зонами обслуживания.

Осуществление соединения 

Вызов мобильной станции.
Вызов всех типов мобильных станций посылается одновременно всеми базовыми станциями, расположенными в зоне связи, в которой предполагается работа мобильных станций. Когда мобильная станция приняла сигнал вызова, содержащий ее сигнал распознавания, она отвечает на вызов сигналом подтверждения на ответной частоте канала вызова, после чего MSC передает канал связи той базовой станции, в зоне которой ответила на вызов мобильная станция. Мобильной станция принимает номер нужного канала и подключает к нему предоставленный ей канал связи.

Весь обмен сигналами между MSC и мобильной станцией осуществляется по каналу связи. Канал вызова, на котором продолжают работать на прием все остальные мобильные станции, готов к немедленной передаче следующего вызова.

Вызов с мобильной станции.
Когда мобильный абонент дает вызов, мобильная станция автоматически находит и занимает свободный канал, по которому передаются все служебные сигналы, и происходит разговор.

Соединение 
Одним из основных требований является то, чтобы система позволяла вызывать перемещающегося абонента, то есть абонента, который находится в другой зоне связи. Это требование делает необходимым введение в MSC регистра положения абонентов для того, чтобы можно было отслеживать путь своих абонентов. Когда мобильная станция, перемещается из одной зоны связи в другую, она автоматически посылает на MSC, контролирующий новую зону связи, сигнал об изменении местоположения. От нового MSC информация об изменении адреса мобильной станции переда"тся по телефонной сети или по сети передачи данных на MSC, где зарегистрирован абонент. Передача данных между мобильной станцией и MSC, в зону действия которого она въезжает, обычно не требует каких-либо действий мобильного абонента.

В регистре, в который внесена мобильная станция на своем MSC, делается поправка, и все вызовы этого мобильного абонента переадресовываются в зону действия нового MSC.

Мобильная станция оборудована селектором страны, который препятствует перерыву связи в случае работы с базовыми станциями, отличными от базовых станций данной страны.

Во время подачи вызова базовая станция (по команде MSC) постоянно излучает контрольный сигнал (тональный сигнал частотой около 4000Гц) и посылает его в сторону мобильной станции, которая принимает его и вновь передает на базовую станцию. Принятый возвращенный сигнал детектируется и оценивается базовой станцией. Если качество передачи (отношение сигнал/шум, усредненное за некоторый промежуток времени) делает это необходимым, то базовая станция принимает решение о подключение другой базовой станции или о разъединении вызова. Базовые станции посылают информацию о результатах оценки отношения с/ш на MSC.

В случае переключения разговора в процессе передачи по команде MSC подчиненные ему базовые станции выполняют измерения напряженности поля сигнала, на котором работает мобильная станция. Для измерения напряженности поля сигнала все базовые станции снабжены многоканальными приемниками - мониторами. Информация о результатах измерений дает возможность MSC принять решение, какой базовой станции (или каким) передать разговор.

Команда о начале измерений передается на базовые станции немедленно, как только начинает идти вызов, для того чтобы определить, подходит ли используемая базовая станция.

Результат измерений в начале каждого разговора используется так же для того, чтобы определить, не превышает ли уровень принимаемого от мобильной станции сигнала заданный максимальный уровень и, если превышает, то MSC дает мобильной станции команду уменьшить уровень излучаемой мощности.

Типы сот:
Микросоты Радиус: 0,5-3км; Мощность передатчика мобильной станции: 0,1 Вт; Мощность передатчика ручного радиотелефона: 0,1 Вт
Малые соты Радиус: 2-6км; Мощность передатчика мобильной станции: 1 Вт; Мощность передатчика ручного радиотелефона: 1 Вт
Большие соты и зонтичные соты. Радиус: 5-20км Мощность передатчика мобильной станции: 6 Вт Мощность передатчика ручного радиотелефона: 1 Вт

Микросоты обычно ставятся для обслуживания небольшой области (вокзал, аэропорт, супермаркет и т.д.). Малые соты ставятся в густонаселенных городах. Большие соты в сельской местности или в небольших городах. Зонтичные соты охватывают большую зону, которая включает в себя другие соты (микросоты, малые соты), чтобы обеспечить связь с теми местами, где ни одна из ближайших микросот недоступна.

Типы каналов связи
Канал связи (TC) Используется MS для вызова MTX. Канал используется как для вызова с MS, так и для ведения самого разговора.
Канал вызова (CC) Используется MTX для вызова MS и для выделения MS канала связи, выбранного MTX. Когда MS включена, она постоянно прослушивает канал вызова.
Канал доступа (AC) (только NMT-900).
Комбинированный канал (CC/TC) Используется в зонах обслуживания, где недостаточно использования одного канала вызова.
Dedicated Data Channel (DDC) Используется для измерения напряженности поля в направлении приема на BS. Тестовый канал связи (TTC)
Типичный набор каналов на базовой станции: 6 каналов связи 1 канал вызова. Повтор каналов через две соты, т.е. один и тот же канал может использоваться двумя BS, разделенных двумя сотами.

Основные характеристики:
Год ввода в эксплуатацию - 1981
Полосы частот на передачу (МГц) -базовая станция -мобильная станция 463-467,5 453-457,5
Разнос дуплексных каналов (МГц) - 10
Общее число дуплексных каналов 180 - 225
Максимальная эффективно излучаемая мощность базовой станции (Вт) - 50
Номинальная мощность передатчика мобильной станции (Вт) 15, 1.5, 0.15
Характеристики сигналов:
вид модуляции: PM
пиковая девиация(кГц): +5

Типы сигналов управления:
тип модуляции: FFSK
пиковая девиация(кГц): +3,5
вид кода: без возвращения к нулю
скорость передачи, кбит/с: 1,2
эффективная скорость передачи информации (зависит от типа сообщения): 0,46од
Помехоустойчивое кодирование: Сверточный, корректир.
Пакеты ошибок код типа B1 Хагельберта.
Коррекция ошибок минимум 6 с защитным интервалом 19 бит
Защита сообщений - процедура приема кадров в зависимости от категории сообщения. Схема повторения ячеек 7; 12
Типичный радиус соты (км) 1-40
Время переключения каналов на границе сот (мс) 1250
Минимальная величина отношения сигнал/шум, Дб 15

Сравнение характеристик стандартов NMT-450 и NMT-900

В настоящее время около 40 стран приняли стандарты NMT-450 и NMT-900. Стандарт NMT-450 принят в России в качестве федерального стандарта. Принципы построения сотовых систем радиосвязи стандартов NMT-450 и NMT-900 практически совпадают. Обе системы сотовой связи базируются на спецификации стандарта NMT-450. Основные отличия более совершенного стандарта NMT-900, в основном, были связаны с введением в состав абонентского оборудования малогабаритной ручной станции, совершенствованием управления и развитием услуг связи. Малогабаритные ручные станции разработаны в настоящее время и для стандарта NMT-450. Кроме того, в NMT-900 добавляется новая структура кадра, официально определяемая документом спецификации. В кадр включается дополнительная информация, префиксы и линейные сигналы. Изменена та часть спецификации, которая относится к взаимодействиям MSC BTS (например, самотестирование, тревога).

В таблице представлены основные характеристики стандартов NMT-450 и NMT-900.

В настоящее время стандарт NMT-450 доработан и его характеристики доведены до уровня стандарта NMT-900. Новая версия получила обозначение NMT-450J. Основные усовершенствования включают в себя увеличенную производительность, качественную работу ручных телефонов и защиту доступа к сети связи с помощью системы идентификации абонента (Subscriber Identificati Security/SIS). Идентификация абонента (абонентской станции) осуществляется по специальному ключу (SAK), записанному в подвижную станцию. Этот же ключ содержится в регистре идентификации установленном в центре коммутации. Процедура идентификации осуществляется при каждом новом звонке от подвижной станции. Системы сотовой подвижной связи стандартов NMT-450J и NMT-900 предоставляют абонентам широкий набор услуг. Кроме передачи речевых сообщений на местном, междугородном и международном уровнях, сети NMT позволяют отправить телефаксы и иметь доступ к различным базам данных, при этом скорость передачи данных не должна превышать 4,8 кбит/с.

Абонентам предоставляются следующие услуги: переадресация вызова на другой номер, ограничение вызова, то есть продолжительности разговоров, конференц-связь трех абонентов, организация пользовательских групп с сокращенным набором номера и другие услуги. На базе стандартов NMT разработаны системы беспроводной связи для стационарных абонентов (WLL). Все абонентские устройства, включая телефаксы и модемы передачи данных, можно включить в систему этой радиотелефонной связи в качестве интерфейса пользователя. С точки зрения абонента этот вариант связи не отличается от проводной телефонной связи. Также и нумерация беспроводного абонентского телефона может не отличаться от нумерации проводной сети. В системе беспроводного абонентского доступа WILL речь и сигнализация могут быть зашифрованы на радиоинтерфейсе.