2) Сотовая связь.

Для организации сети сотовой связи территория, которую предполагается обслуживать, разбивается на участки, которые называются «сотами». В центре каждой «соты» находится приемопередающая станция, обеспечивающая связь в радиусе нескольких километров.

Впервые идея сотовой связи предложена в декабре 1971 г. компанией Bell System в США (представила в федеральную комиссию связи США архитектуру системы сотовой связи (ячеечная структура)). В 1978 году она нашла практическое применение (Чикаго, США) при испытании первой сотовой системы на 2 тыс. абонентов. Коммерческая связь (компания AT&T) начала использоваться в 1983 году.

Сейчас используется более чем в 140 странах. В России внедряется с 1990 г., с 1991 г. – начало коммерческого использования.

Можно выделить 3 периода развития, которые определяются качественными характеристиками. Соответственно, говорят о трех поколениях: первое – аналоговые системы, второе – цифровые системы, третье – универсальные.

В аналоговых системах для передачи речи и информации управления используется частотная модуляция – метод множественного доступа с разделением по частотным каналам FDMA (Frequency Division Multiple Access). Недостатком является низкая емкость использования выделенной полосы частот.

В цифровых системах сигналы передаются в цифровом коде. Принцип обработки сигнала выглядит следующим образом: в передатчике происходит преобразование сигнала с выхода микрофона в цифровую форму при помощи АЦП (аналого-цифрового преобразователя). Далее происходит преобразование (кодирование) сигнала ( переупаковка), затем передача на несущую частоту коммутатора приема-передачи сигнала.

Зона устойчивости зависит от многих факторов: от мощности приемо-передающей станции, частотного диапазона работы системы, рельефа местности, характера застройки. Чем выше полоса частот, тем меньше радиус соты, но увеличивается проникающая способность передающего сигнала.

Первое поколение систем мобильной связи с сотовой организацией было чисто аналоговым и, по сути, являлось усовершенствованным вариантом транковых систем. В дальнейшем, при высоком росте количества абонентов стало очевидно, что при использовании аналоговых методов с FDMA невозможно обеспечить всех владельцев сотовых телефонов качественной связью. На смену аналоговым системам стандартов NMT и AMPS пришли цифровые стандарты второго поколения – GSM, DAMPS. Второе поколение стандартов к началу 21 века стало наиболее распространенным в мире, но и оно перестало удовлетворять потребности современного пользователя, прежде всего, в скорости передачи данных.

Стандарты первого и второго поколения обеспечивали скорость передачи данных 4,8 и 9,6 Кбит/с, что достаточно только для обмена электронной почтой. На таких скоростях невозможно обеспечить комфортный просмотр страниц Интернет, воспроизвести видео в реальном времени. Поэтому разрабатываемые стандарты сотовой связи третьего поколения ориентированы на возможность передачи данных с высокой скоростью.

Создание систем мобильной связи третьего поколения ведется с 1985 г. Рабочая группа, которая в 1996 г. стала называться IMT-2000 (International Mobile Telecommunication), разрабатывает стандарт связи UMTS (Universal Mobile Telecommunications System – универсальная мобильная система связи) с рабочим диапазоном в районе двух гигагерц, с использованием технологии W-CDMA (Wide band CDMA – широкодиапазонный CDMA), с расширенными сервисными функциями и возможностью передачи данных на скоростях от 144 Кбит до 2 Мбит в секунду, что достаточно для просмотра видео с неплохим качеством и разрешением. На высшем техническом уровне признается лидерство самой эффективной технологии CDMA (кодовое разделение каналов) по сравнению с технологиями TDMA и FDMA систем мобильной связи GSM, DAMPS, NMT. Безусловное предпочтение в использовании технологии CDMA связано с рядом уникальных качеств, которые глубоко исследованы и экспериментально подтверждены на крупных коммерческих сетях. Уникальным качеством технологии CDMA является максимальная из всех существующих технологий мобильной связи эффективность использования спектра. Достаточно сказать, что по этому ключевому для выбора технологии показателю CDMA превосходит как технологии TDMA европейского стандарта GSM (втрое) и американского стандарта DAMPS (вшестеро), так и технологию FDMA стандарта NMT (в десятки раз).

Для постепенного перехода к сетям третьего поколения был разработан ряд стандартов, позволяющих с небольшими затратами на переоборудование ввести услуги более высокоскоростной передачи данных в TDMA-системах (в основном, в GSM). Технология HSCSD (High Speed Circuit switched data) позволяет поднять скорость передачи данных до 38,4 Кбит/с.

В настоящее время наиболее распространенным является стандарт GSM, на втором месте – достаточно новый и быстро развивающийся стандарт CDMA, который используется, в основном, в США. По прогнозам, только в Европе к 2005 г. более 60% населения будут пользоваться сотовыми телефонами.

В основу современных сотовых систем связи положены принципы, разработанные ранее для старых стандартов транковой связи.

При всем разнообразии сотовых стандартов алгоритм передачи управления практически одинаков. Репитер, ведущий связь, при ухудшении качества связи, определяемом по каким-либо параметрам, дает задание нескольким репитерам проверить качество принимаемого сигнала. При ухудшении качества связи ниже установленного порога управление передается репитеру, принимающему сигнал наиболее стабильно. Телефон каждый определенный промежуток времени по команде с репитера регистрируется, посылая свой идентификационный код. Тот репитер, который получил код, в дальнейшем обслуживает абонента. Такая операция может происходить и во время ведения разговора.

Основные стандарты сотовой связи

В настоящее время в России наиболее широкое применение нашли три стандарта сотовой связи. Различия между стандартами заключаются в диапазоне частот, способах разделения каналов, методах обработки сигналов, идентификации абонентов.

Но принципы организации сотовой связи применимы ко всем стандартам. Установление связи между абонентами происходит так: в режиме ожидания сотовый телефон работает как приемник, настроенный на служебный канал, одинаковый для всех телефонов. Именно это является причиной расхода аккумуляторов, даже если не делать ни одного звонка. При поступлении на центр коммутации запроса на соединение с мобильным абонентом, все базовые станции посылают на служебном канале вызов, в котором содержится указание на номер мобильного телефона. Если телефон с этим номером находится в зоне действия какой-либо базовой станции, то он принимает этот вызов и посылает обратно положительный ответ. После этого система выделяет 2 канала: на прием и на передачу и сообщает о них мобильному телефону, тот настраивается на эти каналы, рапортует базовой станции, после чего включает звонок, и можно разговаривать.

Одна из важных услуг сети сотовой связи – предоставление возможности ис­пользования одного и того же радиотелефона при поездке в другой город, об­ласть или даже страну. В сотовой радиосвязи такая возможность называется роуминг (от англ. roam – скитаться, блуждать).

NMT450 (Nordic Mobile Telephone System) – один из первых стандартов сотовой связи. Был разработан в 1978 при участии четырех стран – Дании, Финляндии, Норвегии и Швеции – для использования в скандинавских странах с невысокой плотностью населения. Первые рабочие системы с использованием стандарта появились в 1981 г. Стандарт полностью аналоговый, версия NMT450 работает в диапазоне частот 450 МГц. Всего используется 180 дуплексных каналов с разносом частот в 10 МГц. Стандарт NMT использует частотное разделение доступа FDMA. По сравнению с альтернативными цифровыми системами связи, использующими технологии TDMA (Time Division Multiple Access – множественный доступ с временным разделением) или CDMA (Code Division Multiple Access – множественный доступ с разделением по коду) аналоговые системы имеют значительно большее допустимое расстояние между мобильным телефоном и базовой станцией – до 70 км. Например, в стандарте GSM 900 Мгц (TDMA) это расстояние не больше 35 км, в версии на 1800 МГц (GSM1800) – еще меньше.

Базовые станции NMT450 представляют собой объединенные в единую группу ретрансляторы, управляемые одним коммутатором (MSC, Mobile Switching Center – центр коммутации мобильной связи). Каждая такая структура называется traffic area (зона связи). Попадая в зону действия зоны связи, телефон по служебному каналу регистрируется именно в этой зоне, и пока сигнал базовых станций достаточен для нормальной работы телефона, не предпринимает попыток перерегистрироваться. После регистрации коммутатор запоминает, что данный телефон находится в зоне действия обслуживаемых им базовых станций: телефон считается доступным, и на него можно звонить. При выходе телефона из зоны уверенного приема происходит попытка перерегистрации, при этом сначала телефон отключается от первой зоны связи и пытается подключиться к базовой станции соседней зоны. При этом может произойти потеря связи – в отличие от GSM, где переход от одной базовой станции к другой происходит практически мгновенно.

Качество связи определяется по служебному сигналу частотой около 4 кГц, передаваемому базовой станцией по одному из каналов во время разговора. Сигнал принимается мобильным телефоном и передается обратно на базовую станцию. После анализа качества сигнала коммутатор выбирает конкретную базовую станцию в зоне связи с мобильным телефоном для обеспечения наилучшего качества приема.

Недостатком NMT является его слабая информационная безопасность. Как аналоговый стандарт он допускает прослушивание с помощью любой радиостанции, охватывающей диапазон 450 МГц. В оригинальном стандарте NMT450 защита от двойников была реализована неудачно: код конкретного телефона можно было переписать из ППЗУ (программируемое постоянное запоминающее устройство) телефона или даже подслушать в эфире. Таким образом, получался полный двойник первого телефона. Позднее эта проблема была решена. Новая версия стандарта получила название NMT450i и использует технологию SiS (Subscriber Identification Security – безопасность идентификации пользователя). Она представляет собой систему защиты на основе вычисляемых кодов. В эфир телефон передает не сам код, а результат неких математических действий с ним на основе аргументов, присланных со стороны базовой станции. Вычислить код по эфиру практически невозможно. Поскольку стандарт NMT является аналоговым, причем разрабатывался для малозаселенных территорий, то качество связи в крупных промышленных городах оставляет желать лучшего. Диапазон 450 МГц достаточно сильно подвержен влиянию различных помех и, по сравнению с цифровыми системами связи NMT450, иногда не в состоянии обеспечить хорошее отношение сигнал/шум в разговорном тракте. В качестве попытки реанимировать NMT был разработан стандарт NMT900, использующий частоты в диапазоне 900 МГц и имеющий в 5-10 раз большее число каналов и пониженную мощность мобильного телефона.

AMPS (Advanced Mobile Phone Service – расширенный мобильный телефонный сервис) – система сотовой мобильной голосовой связи (введена в эксплуатацию в США в 1979 г.). AMPS является альтернативой аналоговой системе NMT, использующей FDMA (Frequency Division Multiple Access – множественный доступ с частотным разделением). Многие особенности работы системы AMPS (в частности, механизм эстафетной передачи абонента между различными базовыми станциями с помощью контроля качества служебного сигнала) аналогичны NMT.

Развитие сотовых сетей и увеличение количества абонентов привело к необходимости модернизации системы для обеспечения большей пропускной способности. Так появились системы NAMPS и DAMPS. В первой из них была уменьшена полоса частот, используемая для одного канала, и увеличено число самих каналов, при этом стандарт оставался аналоговым. Во второй системе (Digital AMPS – цифровая модификация AMPS) была использована прогрессивная технология TDMA (Time Division Multiple Access – множественный доступ с временным разделением), что позволило использовать каждый частотный канал для одновременной работы нескольких абонентов. Аналогичный подход используется в системе GSM.

Уже в 1990-х гг. аналоговые версии системы AMPS устарели: недостаточная пропускная способность, слабая защита от прослушивания, малое количество сервисных функций.

Опытные образцы цифровой модификации AMPS начали использоваться в 1987 г. Новый стандарт на цифровую связь был разработан в 1990 г. и получил название D-AMPS или ADC. В 1991-1992 гг. были выделены три основных типа новой системы: IS-54 (на систему D-AMPS), IS-55 (на двухстандартную аппаратуру, поддерживающую D-AMPS и AMPS) и IS-56 (на базовые станции). Несмотря на название, IS-54 не был вполне цифровым решением, тем не менее его использование позволило увеличить пропускную способность систем связи примерно в три раза. К 2001 году IS-54 пользовались более 2 млн абонентов (в том числе и в России). В 1994 появился новый стандарт IS-136, представляющий собой полностью цифровой, усовершенствованный стандарт IS-54. Этот стандарт по своим возможностям и функциональной насыщенности близок к европейскому стандарту GSM.

Тем не менее, постепенно идет процесс замены стандарта D-AMPS на более прогрессивный GSM. В России с 2000 г. в связи с тем, что часть диапазона 900 мГц планируется отдать под цифровое телевидение, Государственная комиссия по радиочастотам ограничила число лицензий на аппаратуру D-AMPS и рекомендовала компаниям-провайдерам заменить свою аппаратуру на GSM-1800. В США к 2001 г. стандарт DAMPS вытеснен полностью цифровыми технологиями сотовой связи, в основном, на GSM и новый стандарт CDMA.

GSM (Global Standard for Mobile communications – глобальный стандарт для мобильной связи) – стандарт сотовой мобильной связи, изначально разрабатывался как общеевропейский.

В 1982 г. по инициативе Конференции европейских почтовых и телеграфных служб (Conference of European Posts and Telegraphs, CEPT) были начаты работы по созданию системы мобильной связи с высоким качеством передачи речи, возможностью передачи цифровых данных и поддерживающей роуминг – работу телефона в сети другого оператора этого же стандарта. Лишь в 1990 г. GSM из разработки инициативной группы превратился в новый стандарт, поддерживаемый ETSI (European Telecommunication Standards Institute). Разработка оказалась удачной, и уже к середине 1990-х гг. количество операторов стандарта GSM стало исчисляться десятками, причем изначально предназначенный для Европы он распространился практически по всему миру.

Стандарт GSM является полностью цифровым и относится к классу TDMA/FDMA систем (Time Division/Frequency Division Multiple Access – множественный доступ с временным/частотным разделением). Существует три распространенных варианта систем: GSM 900, GSM 1800 (DCS 1800) и GSM 1900 (PCS 1900 используется в Соединенных Штатах Америки), которые различаются только диапазоном используемых частот. Как правило, все выпускаемые мобильные телефоны GSM поддерживают два диапазона (900 и 1800 МГц), а некоторые – все три. Диапазоны 1800/1900 МГц используются в основном в городах, где расстояние между базовыми станциями невелико. Всего в стандарте используется 124 частотных канала, на каждом из которых благодаря технологии TDMA одновременно может работать до восьми абонентов. Передаваемая по эфиру информация кодируется. Мобильные телефоны стандарта GSM умеют регулировать свою мощность в зависимости от расстояния до базовой станции.

Одной из важных особенностей стандарта является SIM-карта (Subscriber Identity Module – модуль идентификации абонента). SIM-карта представляет собой микросхему флэш-памяти с контроллером, в которую заносится информация об абоненте, телефонная книжка, настройки телефона. В отличие от стандартов DAMPS или NMT телефон GSM без SIM-карты не работает.

Исключение составляет бесплатная услуга – вызов службы спасения. Контроллер в SIM-карте не позволит воспользоваться телефоном, если неизвестен PIN-код (Personal Identification Number – персональный идентификационный номер). После трех неудачных попыток набрать PIN-код SIM-карта блокируется. Для забывчивых абонентов существует PUK-код (Personal Unblocking Key – персональный ключ разблокировки), введение которого разблокирует PIN-код. Однако если PUK-код неправильно ввести десять раз, то SIM-карта выводится из строя.

Помимо собственно телефонной связи, стандарт GSM предлагает дополнительные услуги, в частности, передачу цифровых данных, голосовую почту, службу коротких сообщений (SMS – short message system) и WAP (Wireless Application Protocol – протокол беспроводных приложений). По сути, SMS – двусторонний пейджер, позволяющий абонентам отправлять друг другу сообщения длиной до 160 символов. При посылке SMS-сообщения можно указать период, через который система будет пытаться передать его адресату. В случае успеха отправитель получает уведомление о том, что сообщение доставлено, в противном случае, по окончании указанного периода – что доставить сообщение не удалось. Как правило, входящие сообщения SMS бесплатны. Существует услуга приема и отправки EMS-сообщений (изображений и мелодий). WAP-технология позволяет просматривать на экране сотового телефона некоторые, специально для этого предназначенные, ресурсы Интернета, но скорость ее не высока.

Технология передачи данных по сетям мобильной связи GPRS поддерживает более высокую скорость передачи данных. Для работы с системой необходимо иметь специальный телефон, совместимый с GPRS. В соответствии со спецификацией GPRS все терминалы подразделяются на три класса: А, В, С. Терминалы класса А поддерживают как передачу речи, так и передачу данных: в случае приема информации и при входящем вызове терминал класса А поддержит одновременную работу с голосом и данными. Терминал класса В одновременный обмен данными и речевыми сообщениями не поддерживает. В каждый момент времени может передаваться только трафик GSM или GPRS. Если во время загрузки информации из Интернета (режим GPRS) он принимает вызов для голосовой связи, передача данных прерывается. Как только голосовое соединение завершается, загрузка данных возобновляется, поскольку логическая связь с сетью сохраняется. Выбор режима GPRS/речь осуществляется автоматически, с приоритетом последнего. Терминалы класса С могут обрабатывать только один тип соединения. Выбор типа (GPRS/речь) выполняется вручную. Например, если терминал обслуживает передачу данных, голосовое соединение невозможно.