Первые телефонные сети появились еще в конце прошлого века и обладали множеством недостатков: ручной выбор нужного абонента на коммутаторе, плохое качество связи, дороговизна оборудования, отсутствие конфиденциальности в разговорах и др. За несколько десятков лет практически все эти неприятности удалось устранить, кроме одной — чтобы быть всегда на связи, необходимо находиться возле проводного телефонного аппарата. Именно данная проблема заставила ученых и инженеров приступить к разработке систем беспроводной мобильной связи. Вашему вниманию предлагается несколько фактов из этой истории…
Родоначальницей мобильной связи принято считать радиотелефонную систему, организованную
в 1946 г. в Сент-Луисе (США). Она базировалась на одном шестиканальном передатчике,
свободный канал пользователям приходилось искать вручную. Такая система была
очень неудобной в работе, а аппаратура — громоздкой и несовершенной.
Время шло, оборудование уменьшалось в размерах и модифицировалось, появились
функции транкинга (автоматического выбора свободного канала). В 1956 г. в Швеции
(впервые в Европе) были введены в эксплуатацию две коммерческие системы мобильной
связи с радиусом действия 25—30 км. Беспроводные терминалы, разработанные для
них, предназначались для размещения в автомобилях. Системы насчитывали 120—130
абонентов и просуществовали до конца 60-х годов.
Однако с ростом спроса на беспроводные услуги связи разработчики все чаще стали
сталкиваться со следующей проблемой. В любой цивилизованной стране для каждого
вида радиосвязи выделяется свой определенный частотный диапазон, который утверждается
Государственным комитетом по используемым частотам. Число фиксированных каналов
в любом выделенном диапазоне невозможно бесконечно увеличивать, поскольку терминалы,
работающие с близкими по частотам каналами, будут создавать взаимные помехи
(обладатели обычных бытовых радиотелефонов наверняка неоднократно сталкивались
с этим явлением, если у соседей обнаруживался подобный аппарат). Тогда как же
удовлетворить всех абонентов, желающих воспользоваться удобствами мобильной
связи?
Еще в середине 40-х годов учеными исследовательского центра Bell Laboratories
было предложено гениальное по своей простоте решение данного вопроса: территория
покрытия разбивается на небольшие участки (соты), каждый из которых обслуживается
собственным маломощным приемопередатчиком фиксированного радиуса действия. В
одной соте устанавливается аппаратура с определенным набором частотных каналов,
в соседней соте — станция с набором каналов, отличным от первого. В третьей
соте, граничащей со второй, но не граничащей с первой, ставится передатчик с
набором каналов, характерным для первой соты, и т. д.
Такой принцип позволяет решить сразу две проблемы: во-первых, обеспечить на
всей территории покрытия приблизительно одинаковый уровень качества связи и,
во-вторых, повторно использовать без всяких помех одни и те же частотные каналы
в разных сотах. Понадобилось несколько десятилетий, чтобы эта идея была воплощена
в жизнь.
В 1969 г. на телекоммуникационной конференции стран Северной Европы (Дания,
Финляндия, Исландия, Норвегия и Швеция) был принят проект создания Северной
группы мобильной телефонии NMT. Вначале планировалось разработать систему подвижной
связи NMT-450. В 1975 г. в отчете группы NMT отмечалась также необходимость
непрерывного автоматического сопровождения абонента, перемещающегося из одной
соты в другую (handover) или из сети одного оператора в сеть другого (roaming).
1 сентября 1981 г. в Саудовской Аравии была сдана в эксплуатацию первая в мире
мобильная сеть NMT, работающая всего лишь в трех городах. Ровно через месяц,
1 октября 1981 г., открывается сеть NMT-450 в Европе, зона обслуживания — Финляндия,
Швеция, Норвегия, Дания и Исландия. Данное событие дало мощный толчок развитию
и внедрению подобных аналоговых мобильных систем во всем мире (AMPS, TACS, NMT-900
и др.). Все они относятся к первому поколению мобильной связи и используют частотную
или фазовую модуляцию сигнала. У данных сетей существует множество недостатков:
возможность прослушивания разговоров другими абонентами, слабая помехоустойчивость,
сравнительно большие размеры терминальных устройств и др. К тому же в середине
80-х годов в Европе существовало несколько десятков не совместимых между собой
сотовых сетей, а их частотные диапазоны были перегружены. Все эти факторы привели
к появлению новых принципов обработки сигнала и унификации стандартов беспроводных
систем.
Еще в 1982 г. создается организация GSM (Group Special Mobile, позднее аббревиатуру
GSM стали расшифровывать как Global System for Mobile Communications), объединившая
специалистов из 26 стран. В 1982—1988 гг. в ней разрабатываются спецификации
GSM-900, которые вскоре принимаются ETSI в качестве общеевропейских. Первые
образцы оборудования GSM-900 появляются в 1990 г., пробные системы создаются
в 1991 г., а первая коммерческая сеть GSM развертывается в Германии в 1992 г.
компанией Mannesmann.
Некоторые производители в Америке и Японии одно время шли путем, так сказать,
"оцифровки" существующих аналоговых стандартов связи (например, в
1990 г. в США утверждаются спецификации цифровых подвижных сетей D-AMPS — Digital
AMPS). Но одновременно с этим велись и новые перспективные исследования. Так,
в том же 90-м компания Qualcom начинает разработку стандарта цифровой сотовой
связи, основанного на множественном доступе с кодовым разделением каналов, —
CDMA.
В 1991 г. в Европе появляется DCS-1800, созданный на базе GSM-900. Лишь в 1996
г. его переименуют в GSM-1800, дабы не вводить в заблуждение пользователей.
В 1997 г. ITU принимает концепцию IMT-2000 построения глобальной системы мобильной
связи третьего поколения (3G). Беспроводная 3G-связь сделает возможным обмен
мультимедийной информацией, передачу видео и графических изображений, а также
предоставит мобильным пользователям полноценный доступ к ресурсам Internet.
Развитие мобильной связи в Украине — хронология
событий
В 1992 г. основана украинско-голландско-датско-немецкая компания UMC
("Украинская мобильная связь"). 1 июля 1993 г. впервые в Украине ею
была сдана в коммерческую эксплуатацию сотовая сеть NMT-450. 17 сентября 1997
г., не прекращая оказания услуг в системе NMT-450, UMC разворачивает сеть в
стандарте GSM-900. В январе 2001 г. по причине острой нехватки каналов корпорация
вынуждена задействовать дополнительные частотные каналы GSM-1800. На сегодня
UMC — единственная компания в Украине и одна из немногих в мире, которая обслуживает
одновременно мобильные сети трех стандартов — NMT-450, GSM-900, GSM-1800.
В апреле 1996 г. в Донецке фирма "Цифровая сотовая связь Украины"/DCC
сдает в эксплуатацию сеть, основанную на спецификациях D-AMPS. В настоящее время
это единственная компания в Украине, использующая данный американский стандарт.
6 декабря 1996 г. украинско-немецкое предприятие Golden Telecom GSM разворачивает
первую на территории нашего государства систему GSM-1800.
9 декабря 1997 г. компания KyivStar GSM запускает сеть GSM-900. В январе-феврале
2001 г. вследствие бума мобильной связи в Украине KyivStar GSM также была вынуждена
дополнительно прибегнуть к стандарту GSM-1800.
С 1 октября 1998 г. начинает оказывать услуги сотовой подвижной связи в стандарте
GSM-900 и сравнительно молодой оператор "Украинские радиосистемы"/Wellcom.
В заключение хотелось бы отметить, что общее число абонентов мобильной связи
постоянно растет. И если в последнее время в Западной Европе и США этот процесс
несколько замедлился, то в Украине, наоборот, он переживает настоящий бум. В
немалой степени этому способствует снижение стоимости обслуживания клиентов
и появление выгодных предложений с предоплаченным пакетом услуг. И, очевидно,
недалек тот день, когда каждый желающий в Украине будет иметь свой собственный
мобильный телефон.
Анатомия систем мобильной сотовой связи
Соты
Зона обслуживания (покрытия) сети того или иного оператора разбивается на ячейки
(соты). В центре каждой из них размещается приемопередатчик, причем, как уже
отмечалось выше, в соседних сотах располагают передатчики с различными фиксированными
наборами частотных каналов. Совокупность ячеек с недублирующимся набором каналов
называется кластером. Расстояние между сотами, в которых допускается использование
одинаковых частотных каналов, называется "защитным интервалом".
 |
| Кластер – совокупность ячеек с недублирующимся набором каналов |
В районах с малым числом абонентов можно ставить более мощные приемопередатчики,
увеличивая при этом радиус сот и уменьшая их количество. В густонаселенных местах,
наоборот, имеет смысл использовать менее мощные станции, уменьшая радиус соответствующих
сот и увеличивая их плотность.
Основные компоненты
Упрощенно инфраструктура систем подвижной сотовой связи состоит из следующих
основных компонентов.
Мобильная станция — пользовательский терминал, мобильный телефон. Обзор
популярных ныне моделей "мобилок" читайте на следующих страницах.
Базовая станция (BTS, Base Transceiver Station) — многоканальный приемопередатчик,
располагающийся в центре соты. Любой из каналов состоит из пары разнесенных
в диапазоне частот для поддержки полнодуплексной связи (т. е. для передачи данных
от мобильной станции к базовой и наоборот). Все BTS соединены выделенными каналами
с центром коммутации мобильной связи.
Центр коммутации (MSC, Mobile Switching Center) — по сути это автоматическая
телефонная станция, которая обеспечивает все функции по управлению сетью. Например:
осуществляет соединение владельца пользовательского терминала с другим абонентом,
следит за наличием свободных каналов, организует эстафетную передачу перемещающегося
абонента из одной соты в другую и т. д.
Алгоритм работы
Несмотря на множество стандартов сотовой связи, принципы работы систем, построенных
на любом из них, очень похожи. Итак, вы купили мобильный телефон и подключились
к одному из операторов. Находясь в режиме ожидания (состояние "трубка положена"
для аппаратов проводных сетей), пользовательский терминал периодически сканирует
эфир с целью обнаружения сигнала от базовой станции. Как только сигнал от ближайшей
BTS будет найден, мобильный телефон тут же покажет уровень его мощности.
Когда вы набираете номер нужного вам абонента, то данные от терминала поступают
на ближайшую базовую станцию и мобильному терминалу автоматически выделяется
свободный канал. Сигналы от базовых станций передаются в центр коммутации, который
определяет, куда направить вызов — либо в городскую телефонную сеть общего
пользования (ТСОП), либо на другой мобильный терминал.
 |
| Упрощенная схема построения мобильной сотовой сети связи |
Теперь, предположим, звонят вам. Из центра коммутации всем базовым станциям поступает
вызов. Если ваш телефон находится в режиме ожидания, то при получении вызова на
свой номер он отвечает базовым станциям. Сигналы от BTS обратно передаются в центр
коммутации, который переключает вызов на ту базовую станцию, от которой поступил
максимальный сигнал. В процессе разговора BTS постоянно измеряет уровень сигнала
от мобильного телефона абонента и сравнивает его с минимально допустимым значением.
При достижении критических показателей базовая станция сообщает об этом в MSC,
который дает команду измерить уровень сигнала абонента соседним станциям. После
получения информации от BTS, телефон абонента переключается на ту из них, уровень
сигнала которой оказался наибольшим. Такая процедура называется "эстафетной
передачей". Происходит она за доли секунды, и абонент, как правило, совершенно
не замечает никаких переключений. Но если на ближайших станциях не оказалось свободных
каналов или в случае сильных помех, связь просто обрывается и мобильный терминал
сигнализирует об окончании разговора.
Роуминг
Важнейшей услугой мобильной связи является роуминг (от англ. roaming — странствование)
— возможность автоматической регистрации пользовательского терминала в сети
другого оператора. Для организации роуминга необходимо, чтобы сотовые сети были
построены на однородных стандартах (так, терминал для аналоговой системы NMT
не будет работать в цифровой сети GSM и наоборот). При этом центры коммутации
обеих сетей должны быть соединены скоростными каналами связи для обмена информацией
о местонахождении того или иного абонента, а между операторами заключены юридические
и финансовые договоренности об обеспечении роуминга.
Различают три вида роуминга:
1. Автоматический. Именно этот вид наиболее распространен на Западе.
При автоматическом роуминге абонент доступен в любое время и в любом месте.
2. Полуавтоматический. В данном случае, прежде чем пользоваться какой-либо
мобильной связью в другом регионе, необходимо известить об этом своего оператора.
3. Ручной. Этот вид роуминга подразумевает простой обмен одного телефона
на другой, подключенный к мобильной сети другого оператора.
Стандарт NMT-450
Диаметр соты: 2—45 км
К достоинствам сетей NMT можно отнести возможность пользования мобильным
терминалом на большом удалении от базовой станции (на ровной местности — до
100 км), более естественное звучание человеческого голоса, чем в цифровых стандартах.
Слабыми сторонами систем NMT являются отсутствие защиты от подслушивания, значительный
вес и большие размеры терминалов.
Кроме телефонных переговоров на местном, междугородном и международном уровнях,
в сетях NMT-450 обеспечиваются следующие услуги: передача факсов на скорости
до 4800 bps, переадресация вызова на другой номер, ограничение вызова (продолжительности
разговора), конференц-связь трех абонентов, международный роуминг и голосовая
почта (V-mail).
В 1985 г. был представлен стандарт NMT-900: число каналов увеличено до 999,
уменьшена мощность передатчиков базовой и мобильной станций, благодаря чему
стало возможным также уменьшить размеры и вес пользовательского терминала и
увеличить срок работы аккумуляторов без перезарядки.
В стандарте NMT носителем номера является сам телефонный аппарат, который программируется
специальным образом. В настоящее время NMT используется в Украине (UMC), России,
Беларуси, Болгарии, Дании, Латвии, Литве, Норвегии, Польше и Швеции.
Стандарт GSM-900 (GSM-1800)
Диаметр соты: 0,5—35 км
GSM на сегодня является наиболее распространенным и популярным стандартом
сотовой связи в Европе и, в частности, в Украине. Он предоставляет абонентам,
помимо цифрового качества передачи голосовых данных, огромное количество дополнительных
сервисных функций, таких, как текстовая и голосовая почта, доступ в Internet
по WAP-протоколу, автоматический международный роуминг, а также роуминг с другими
системами мобильной (DCS1800, PCS1900) и спутниковой (Globalstar, Inmarsat-P)
связи и др. Пользовательским терминалам стандарта GSM свойственны малый вес
и небольшие размеры.
В отличие от NMT, в GSM идентификатором абонента служит SIM-карта. Она содержит
международный идентификационный номер, свой уникальный ключ и алгоритм аутентификации.
С помощью этих данных осуществляются процесс регистрации абонента и его последующий
доступ к сети. Если необходимо поменять терминальный аппарат, достаточно просто
переставить SIM-карту в другой телефон и ввести PIN-код. SIM-карта служит не
только ключом доступа к личному счету абонента, но и одновременно является хранилищем
некоторых персональных данных пользователя. При утере или краже телефона SIM-карту
можно заблокировать, оповестив об этом оператора мобильной связи.
В стандарте GSM используется метод доступа TDMA. Другими словами, многочисленные
абоненты передают свои сообщения на одной и той же радиочастоте, но в разные
периоды времени, что позволяет на данной несущей частоте разместить 8 каналов
одновременно. Для защиты от подслушивания информация шифруется при передаче
с мобильного терминала на базовую станцию и обратно.
Система D-AMPS (ADC)
Диаметр соты: 0,5—20 км
Последняя модификация D-AMPS (стандарт IS-136) была принята в США в 1994
г. Это полностью цифровой стандарт, в котором так же, как и в GSM, используется
метод доступа TDMA. К сожалению, в D-AMPS не поддерживается автоматический роуминг,
поэтому, если вы собираетесь отправиться с мобильным телефоном D-AMPS в другую
страну, то должны уведомить об этом своего оператора, получить новый номер и
т. д.
Стандарт D-AMPS в основном распространен на северо-американском континенте,
хотя также встречается в Украине, России, Грузии и Казахстане. В Западной Европе
он не используется.
Стандарты, основанные на CDMA
Диаметр соты: 0,5—20 км
Системы подвижной радиосвязи, использующие метод доступа CDMA, являются
сегодня наиболее перспективными. По сравнению с другими стандартами мобильной
связи CDMA обладает следующими преимуществами: более высокое качество передачи
звука; отсутствие фоновых шумов и помех от разговоров по смежным каналам связи;
высокая степень конфиденциальности передаваемой информации. Телефоны CDMA меньше
по габаритам, весу и дольше работают от одного заряда батарей, чем телефоны,
использующие другие мобильные технологии. Также системы CDMA предоставляют дополнительные
услуги, такие, как: передача SMS, доступ к Internet, отправка факсов одновременно
с переговорами и т. д. При внедрении системы стандарта CDMA требуется в несколько
раз меньше базовых станций для покрытия заданной территории, что позволяет поставщику
услуг мобильной связи оперативно развертывать сеть.
Метод CDMA был известен еще до Второй мировой войны. В послевоенные годы данная
технология использовалась для связи в армиях США и СССР. Упрощенно принцип CDMA
можно описать так: представьте себе комнату, в которой одновременно разговаривает
друг с другом множество пар людей, причем на разных языках. Каждый человек в
паре отлично понимает своего собеседника, а все посторонние разговоры воспринимаются
им как некий фон и не особенно мешают беседе.
Наиболее известная модификация стандарта CDMA носит название IS-95, она получила
широкое распространение во многих странах мира, например в США, Южной Корее, Гонконге,
России. В Украине с CDMA не везет, разворачивать подобные системы пытались киевские
компании "Телесистемы Украины" и ITC, харьковский оператор "Велтон
Телеком", однако первая, столкнувшись с рядом определенных трудностей, пока
отказалась от своих замыслов, а остальные развернули сети CDMA в Киеве и Харькове,
однако имеют лицензии лишь на предоставление стационарного доступа. Это значит,
что к их сетям разрешается подключать только квартирные и офисные беспроводные
аппараты, но не мобильные терминалы, хотя технически никаких препятствий для этого
нет.
| Сергей Галушка Классификация систем мобильной радиосвязи 1. Пользовательские беспроводные телефонные аппараты (CT — Cordless Telephones). Бытовые радиотелефоны способны обеспечить мобильность абоненту в пределах 2. Системы WLL для беспроводного доступа к телефонной сети общего пользования Термин WLL (Wireless Local Loop) дословно означает "беспроводной 3. Пейджинговые Эти аппаратно-программные комплексы позволяют осуществлять в пределах 4. Мобильные сотовые сети (Cellular Telephone). Именно им посвящено множество материалов в этом номере. Еще раз напомним: 5. Служат для подключения большого числа абонентов к ограниченному количеству 6. Мобильная спутниковая связь (MSS — Mobile Satellite Service). Это, пожалуй, наиболее дорогой вид мобильной связи. Самое главное отличие Словарь терминов мобильной связи Способы использования радиочастот CDMA (Code Division Multiple Access) — множественный метод доступа FDMA (Frequency Division Multiple Access) — множественный метод TDMA (Time Division Multiple Access) — множественный метод доступа Международные институты и организации 3GPP ANSI ETSI IEEE ITU ISO PTT (Post, Telephone and Telegraph) — дословно "почта, телефон
Стандарты и поколения мобильных 1G — первое поколение мобильных аналоговых сотовых систем (AMPS, 2G — нынешнее, второе, поколение цифровых мобильных сетей (GSM, 2,5G — усовершенствованное поколение современных мобильных сетей, 3G — будущее, третье, поколение беспроводных сетей, которые будут 1XRTT, или CDMA2000 — промежуточное поколение (2,5G) мобильных сетей 3XRTT — беспроводная технология 2,5G, которая будет поддерживать AMPS (Advanced Mobil Phone Service) — аналоговый стандарт сотовой BSC (Base Station Controller) — аппаратно-программный комплекс, BTS (Base Transceiver Station) — базовая станция, аппаратура, определяющая D-AMPS (Digital AMPS) — североамериканский цифровой стандарт сотовой DECT (Digital European Cordless Telecommunication) — стандарт для DСS-1800 (Digital Cellular System) — "европейский синоним" EDGE (Enhanced Data for GSM Evolution) — технология третьего поколения EGSM (Extended GSM) — расширенные спецификации GSM, обеспечивающие GPRS (General Packet Radio Service) — технология, позволяющая создавать GSM HSCSD (High-Speed Circuit-Switched Data) — версия стандарта GSM IS-95, или CDMAOne — стандарт для построения цифровых беспроводных IS-136 — протокол передачи данных, существующий в современных цифровых NMT (Nordic Mobile Telephone) — аналоговый стандарт систем подвижной PСN (Personal Communications Network) — в общем, сеть, обеспечивающая PCS-1900 (Personal Communications Service) — североамериканский TACS (Total Access Communication System) — аналоговый стандарт мобильной UMTS (Universal Mobile Telephone System) — европейское название WCDMA (Wideband CDMA) — стандарт, на котором будут базироваться Владельцу мобильного телефона посвящается… Air Time — время разговора по мобильному телефону, при оплате Bluetooth Call back — услуга, при которой система определяет ваш номер и перезванивает Call barring — группа функций, касающихся запрета или ограничения Call forwarding (или Call divert) — услуга, позволяющая абоненту Call hold — удержание вызова. Допустим, во время разговора с одним Call waiting — ожидание вызова. Сервис, благодаря которому пользователь Caller display — система автоматического определения номера абонента, Cell broadcast — услуга, предусматривающая трансляцию по сети определенных Conference (Multiparty) call — конференц-связь, или организация Coverage — покрытие. Географическая территория, в рамках которой Dual-band terminal — двухдиапазонный аппарат, способный работать Dual-mode terminal — двухстандартный аппарат, который может работать ESN (Electronic Serial Number) — уникальный идентификатор, присваиваемый HR (Half Rate)/FR (Full Rate)/EFR (Enhanced Full Rate) — режимы IMEI (International Mobile station Equipment Identity) — уникальный IMSI (International Mobile Subscriber Identity) — уникальный международный iTAP — технология интеллектуального набора текстовой информации SIM-карта (Subscriber Identification Module) — смарт-карта, используемая SIM Application Toolkit — специальное программное обеспечение телефона, SMS (Short Message Service) — служба коротких сообщений. Услуга, Phase II — современный набор платных услуг, предоставляемый в сетях PIN-код (Personal Identification Number) — персональный идентификационный Prepaid — бесконтрактный способ подключения, при котором оплата PUK-код (Personal Unblocking Key) — уникальный код, состоящий из Standby time — количество часов, в течение которых полностью заряженная T9 — система интеллектуального ввода текста с клавиатуры мобильного Talk time — продолжительность непрерывного разговора (в минутах), Voice mail (голосовая почта) — сервис, предоставляющий возможность Voicemail Box Number — номер "почтового ящика", в котором Voice recognition (голосовое управление) — функция, поддерживаемая WAP (Wireless Биллинговая система (Billing system) — совокупность аппаратно-программных Ваучер (Scratch-карта) — пластиковая карта с уникальным кодом, хранящимся Детализированный счет — счет, в котором представлены все звонки, Роуминг (roaming) — услуга, предоставляемая многими операторами Стартовый пакет — комплект (SIM-карта, ваучер на некоторую сумму |