44. Сотовые системы связи. Gsm - глобальная система мобильной связи

Сотовые сети предназначены для обеспечения подвижных и стационарных объектов телефонной связью и передачей данных. В ССС подвижными объектами являются либо наземные транспортные средства, либо непосредственно человек, находящийся в движении и имеющий портативную абонентскую станцию (подвижный абонент). Возможность передачи данных подвижному абоненту резко расширяет его возможности, поскольку кроме телефонных сообщений он может принимать телексные и факсимильные сообщения, различного рода графическую информацию (планы местности, графики движения и т.п.), медицинскую информацию и многое другое.

Свое название ССС получили в соответствии с сотовым принципом организации связи, согласно которому зона обслуживания (территория города или региона) делится на большое число малых рабочих зон или сот в виде шестиугольников. В центре каждой рабочей зоны расположена базовая станция (БС), осуществляющая связь по радиоканалам с многими абонентскими станциями (АС), установленными на подвижных объектах, находящихся в ее рабочей зоне. Базовые станции соединены проводными телефонными линиями связи с центральной станцией (ЦС) данного региона, которая обеспечивает соединение подвижных абонентов с любыми абонентами телефонной сети общего пользования (ТФОП) с помощью коммутационных устройств. При перемещении подвижного абонента из одной зоны в другую производится автоматическое переключение канала радиосвязи на новую базовую станцию, тем самым осуществляется эстафетная передача подвижного абонента от передающей к последующей (соседней) базовой станции. Управление и контроль за работой базовых и абонентских станций осуществляется ЦС, в памяти ЭВМ которой сосредоточены как статические, так и динамические данные о подвижных объектах и состоянии сети в целом.

Основные составляющие сотовой сети — это сотовые телефоны и базовые станции, которые обычно располагают на крышах зданий и вышках. Будучи включённым, сотовый телефон прослушивает эфир, находя сигнал базовой станции. После этого телефон посылает станции свой уникальный идентификационный код. Телефон и станция поддерживают постоянный радиоконтакт, периодически обмениваясь пакетами. Связь телефона со станцией может идти по аналоговому протоколу (AMPS, NAMPS, NMT-450) или по цифровому (DAMPS, CDMA, GSM, UMTS). Если телефон выходит из поля действия базовой станции (или качество радиосигнала сервисной соты ухудшается), он налаживает связь с другой (англ. handover).

Сотовые сети могут состоять из базовых станций разного стандарта, что позволяет оптимизировать работу сети и улучшить её покрытие.

Первой коммерчески успешной сотовой сетью была финская сеть Autoradiopuhelin (ARP). Это название переводится на русский как «Автомобильный радиотелефон». Запущенная в 1971 г., она достигла 100%-го покрытия территории Финляндии в 1978. Размер соты был равен около 30 км, в 1986 г. в ней было более 30 тыс. абонентов и работала она на частоте 150 МГц.

GSM — глобальный цифровой стандарт для мобильной сотовой связи, с разделением частотного канала по принципу TDMA (способ использования радиочастот, когда в одном частотном интервале находятся несколько абонентов, разные абоненты используют разные временные слоты (интервалы) для передачи.) и средней степенью безопасности. Разработан под эгидой Европейского института стандартизации электросвязи (ETSI) в конце 80-х годов.

GSM относится к сетям второго поколения (2 Generation) (1G — аналоговая сотовая связь, 2G — цифровая сотовая связь, 3G — широкополосная цифровая сотовая связь, коммутируемая многоцелевыми компьютерными сетями, в том числе Интернет).

Сотовые телефоны выпускаются для 4 диапазонов частот: 850 МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц.

В зависимости от количества диапазонов, телефоны подразделяются на классы и вариацию частот в зависимости от региона использования.

• Однодиапазонные — телефон может работать на одной из частот. В настоящее время не выпускаются.

• Двухдиапазонные (Dual Band) — для Европы, Азии, Африки, Австралии 900/1800 и 850/1900 для Америки и Канады.

• Трёхдиапазонные (Tri Band) — для Европы, Азии, Африки, Австралии 900/1800/1900 и 850/1800/1900 для Америки и Канады.

• Четырехдиапазонные (Quad Band) — поддерживают все диапазоны 850/900/1800/1900.

GSM на сегодняшний день является наиболее распространённым стандартом связи.

Услуги, поддерживаемые GSM

Преимущественные услуги, основанные на стандарте GSM, сосредоточены в телефонии. Как и в других видах связи на основе GSM, передаваемая речь подлежит оцифровке и передаче по сети GSM в виде цифрового потока.

Предоставляется целое множество услуг передачи данных. Пользователи GSM могут посылать и получать данные на скоростях до 9600 bps пользователям обычных телефонных сетей (POTS), а также сетей ISDN и др., используя множество методов доступа и протоколов, таких как X.25 или X.32. Так как GSM - цифровая сеть, модем не требуется для взаимодействия между пользователем и сетью GSM, но аудиомодем нужен сети GSM для взаимодействия с сетями POTS.

Другие услуги передачи данных включают факсовую связь класса 3, которая поддерживается при использовании соответствующего факс-адаптера. Уникальная особенность GSM - это служба коротких сообщений SMS. SMS - это двунаправленная служба для коротких алфавитно-цифровых сообщений (до 160 байт).

Дополнительные услуги включают несколько видов перенаправления вызовов (таких, как перенаправление вызова, когда мобильный абонент находится вне зоны действия сети), и обеспечение соединения для исходящих и входящих звонков при международном роуминге. Многие дополнительные услуги будут обеспечены в спецификациях фазы II, например, определение номера вызывающего абонента, ожидание вызова, конференц-связь.

Архитектура сети GSM

Сеть GSM состоит из нескольких функциональных единиц, чьи функции и интерфейсы специфицированы. Сеть может быть разделена на 3 обширных части:

• мобильный телефон (МТ), который находится у абонента,

• базовая станция (БС), которая контролирует радиосвязь с МТ и состоит из собственно базовых станций (BTS) и контроллеров базовых станций. Контроллер базовых станций (BSC) контролирует соединения между BTS и подсистемой коммутации. В его полномочия также входит управление очерёдностью соединений, скоростью передачи данных, распределение радиоканалов, сбор статистики, контроль различных радиоизмерений, назначение и управление процедурой Handover. Хэндовер представляет собой переключение происходящего разговора на другой канал или на другую соту.

• сетевая подсистема, основной частью которой является центр коммутации (КЦ), выполняющий коммутацию вызовов между мобильными абонентами или между мобильными абонентами и абонентами фиксированных сетей. КЦ также осуществляет управление при перемещении абонентов. Базы данных HLR и VLR, вместе с КЦ обеспечивают маршрутизацию звонков и возможности роуминга в сетях GSM. HLR содержит административную информацию о всех абонентах, зарегистрированных в соответствующей сети GSM, вместе с текущим местоположением МТ. Местоположение МТ хранится в форме адреса сигнала от VLR, связанной с МТ в текущий момент времени. Логически существует только одна HLR на всю сеть GSM, хотя она может быть описана и как распределенная база данных.

База данных VLR содержит избранную административную информацию из HLR, необходимую для контроля вызовов и обеспечения услуг абоненту, для всех МТ, расположенных в текущий момент времени в географической области, контролируемой VLR.

Преимущества стандарта GSM:

Меньшие по сравнению с аналоговыми стандартами (NMT-450, AMPS-800) размеры и вес телефонных аппаратов при большем времени работы без подзарядки аккумулятора. Это достигается в основном за счёт аппаратуры базовой станции, которая постоянно анализирует уровень сигнала, принимаемого от аппарата абонента. В тех случаях, когда он выше требуемого, на сотовый телефон автоматически подаётся команда снизить излучаемую мощность.

Хорошее качество связи при достаточной плотности размещения базовых станций.

Большая ёмкость сети, возможность большого числа одновременных соединений.

Низкий уровень индустриальных помех в данных частотных диапазонах.

Улучшенная (по сравнению с аналоговыми системами) защита от подслушивания и нелегального использования, что достигается путём применения алгоритмов шифрования с разделяемым ключом.

Эффективное кодирование (сжатие) речи. EFR-технология была разработана фирмой Nokia и впоследствии стала промышленным стандартом кодирования/декодирования для технологии GSM.

Широкое распространение, особенно в Европе, большой выбор оборудования.

Возможность роуминга.

Недостатки стандарта GSM:

Искажение речи при цифровой обработке и передаче.

Связь возможна на расстоянии не более 120 км от ближайшей базовой станции даже при использовании усилителей и направленных антенн. Поэтому для покрытия определённой площади необходимо большее количество передатчиков, чем в NMT-450 и AMPS.