Опубликовано на сайте ixbt.com
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
Аналоговый стандарт AMPS (Advanced Mobile Phone Service) с рабочим
диапазоном частот
Цифровой стандарт DAMPS (Digital Advanced Mobile Phone Service) с
рабочим диапазон частот
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, являющийс 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:
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 (www.qualcomm.com)
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
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 создани универсальной системы персональной 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 управляютс мобильным коммутирующим центром (MSC — Mobile Service Center). Благодар 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
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 действи
одного ретранслятора в зону действия другого, или даже между зонами действи
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
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
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 уровн 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
Однако, из этого не следует, что и у передатчиков сотовой связи мощность
повышается с увеличением частоты. Наоборот, в версии системы GSM, работающей
в диапазоне
Важнейшими причинами повышенного затухания сигналов являются теневые зоны,
создаваемые зданиями или естественными возвышенностями на местности. Исследовани
условий применения подвижной радиосвязи в городах показали, что даже на очень
близких расстояниях теневые зоны дают затухание до
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, принимаетс
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
Релеевские замирания вызываются случайными фазами, с которыми поступают отраженные сигналы. Если, например, прямой и отраженный сигналы принимаютс 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.
Передача данных осуществляется по радиоканалам. Сеть GSM работает в диапазонах
частот 900 или
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
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
Система с разделением частот (FDMA) позволяет получить 8 каналов
по
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
Требования к характеристикам стандартного импульса описываются в виде
нормативного шаблона изменения мощности излучения во времени. Процессы включени
и выключения импульса, которые сопровождаются изменением мощности на
Рассмотрим формат нормального стандартного импульса. Из него видно,
что не все разряды несут полезную информацию: здесь в середине импульса располагаетс
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
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.
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 подключени
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
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 передаютс
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