Теоретический вопрос по курсу

Тема теоретического вопроса: «Сети сотовой подвижной связи» .

Сотовая связь — один из видов мобильной радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть. Ключевая особенность заключается в том, что общая зона покрытия делится на ячейки (соты), определяющиеся зонами покрытия отдельных базовых станций (БС). Соты частично перекрываются и вместе образуют сеть. На идеальной (ровной и без застройки) поверхности зона покрытия одной БС представляет собой круг, поэтому составленная из них сеть имеет вид сот с шестиугольными ячейками (сотами).

Сеть составляют разнесённые в пространстве приёмопередатчики, работающие в одном и том же частотном диапазоне, и коммутирующее оборудование, позволяющее определять текущее местоположение подвижных абонентов и обеспечивать непрерывность связи при перемещении абонента из зоны действия одного приёмопередатчика в зону действия другого.

Основные составляющие сотовой сети — это сотовые телефоны и базовые станции. Базовые станции 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, он налаживает связь с другой.

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

Сотовые сети разных операторов соединены друг с другом, а также со стационарной телефонной сетью. Это позволяет абонентам одного оператора делать звонки абонентам другого оператора, с мобильных телефонов на стационарные и со стационарных на мобильные.

Операторы могут заключать между собой договоры роуминга. Благодаря таким договорам абонент, находясь вне зоны покрытия своей сети, может совершать и принимать звонки через сеть другого оператора. Как правило, это осуществляется по повышенным тарифам.

В России основная часть абонентов являются пользователями стандарта GSM, поэтому каждому из них выгодно развитие сетей GSM и сворачивание сетей других стандартов, так как абоненты хотят иметь широкий роуминг, а не слышать, что в данной местности работает только сеть другого стандарта. Также, операторы стандарта GSM лоббируют свои интересы, говоря что другие стандарты засаряют эфир. Сети других стандартов требуют материальных и технических ресурсов, что вызывает их распыление во вред абонентам стандарта GSM. Тем не менее рассмотрим какие же существуют альтернативные стандарты, их плюсы и минусы.

Стандарт GSM900 (Global System for Mobile Сommunications) — глобальная система подвижной связи. Панъевропейский цифровой стандарт, диапазон частот 890 — 960 МГц.

Главное достоинство GSM-900 — меньшие по сравнению с аналоговыми стандартами размеры и вес телефонных аппаратов при большем времени работы без подзарядки аккумулятора. Это становится возможным при использовании аппаратуры базовой станции, которая постоянно анализирует уровень сигнала, принимаемого от аппарата абонента. В тех случаях, когда он выше требуемого, автоматически снижается излучаемая мощность. Относительно высокая емкость сети. Низкий уровень помех. Более высокий уровень защиты от подслушивания и нелегального использования номера, чем у аналоговых стандартов (хотя защита у GSM-1800 и CDMA несколько выше, чем у GSM-900). Недостаток стандарта — небольшая дальность сигнала. Устойчивая связь возможна на расстоянии не более 35 км от ближайшей базовой станции даже при использовании усилителей и направленных антенн.

В стандарте GSM-900 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 не смог ею воспользоваться, в нее вводят специальный идентификационный номер (РIN-код), который нужно набирать при каждом включении аппарата. Если три раза подряд неправильно набрать РINкод, SIM-карта временно заблокируется. Использование SIM-карты также удобно тем, что при смене аппарата абоненту не нужно менять свой мобильный номер, он просто переставляет карту, и все сохраненные на ней данные (включая записную книжку) становятся доступными в новом аппарате.

Стандарт GSM1800 (Global System for Mobile Сommunications) — глобальная система подвижной связи. Цифровой стандарт, диапазон частот 1710- 1880 МГц. Модификация стандарта GSM-900.

Это самый распространенный в мире стандарт. Отличительные его особенности — отличное качество передаваемого звука, конфиденциальность переговоров, невозможность пиратского доступа к абонентскому номеру, а также широкий выбор эргономичных и высоконадежных телефонных аппаратов.

Для GSM-1800 характерна меньшая, по сравнению с GSM-900, максимальная излучаемая мощность мобильных телефонов У стандарта GSM-1800 она составляет 1Вт, у стандарта GSM-900 — 2Вт. Высокая защита от подслушивания и нелегального использования номера. Высокая емкость сети, что важно для крупных городов. Недостаток тот же, что и у GSM-900 — небольшой охват. Максимальное удаление абонента от базовой станции — 5−6 километров.

В стандарте 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 не смог ею воспользоваться, в нее вводят специальный идентификационный номер (РIN-код), который нужно набирать при каждом включении аппарата. Если три раза подряд неправильно набрать РINкод, SIM-карта временно заблокируется. Использование SIM-карты также удобно тем, что при смене аппарата абоненту не нужно менять свой мобильный номер, он просто переставляет карту, и все сохраненные на ней данные (включая записную книжку) становятся доступными в новом аппарате.

Стандарт CDMA (Code Division Multiple Access) — система множественного доступа с кодовым разделением. Беспроводной абонентский доступ WLL (Wireless Local Loop), реализованный на базе новейшей цифровой технологии с кодовым разделением каналов CDMA.

Для данного стандарта характерны отличное качество звука и низкий уровень фоновых шумов. Повышенная емкость системы, которая в 10 раз выше чем у AMPS и в 3−5 раз больше чем у GSM, определяется максимально возможным количеством активных пользователей системы на территории зоны ее обслуживания. CDMA улучшает качество связи в перенаселенных районах, и местностях с холмистым рельефом, где возникают помехи от отраженных сигналов. CDMA увеличивает емкость системы, «виртуально» отсеивая занятые, перекрестные и повисшие вызовы. Это становится возможным благодаря многократному использованию одного частотного канала во всех сотах. Повышению емкости системы способствует применение механизма контроля мощности и речевой активности, что уменьшает взаимные помехи, влияющие на емкость системы и другие факторы. В результате абоненты не страдают от блокировки вызовов в часы наибольшей нагрузки на сеть.

Существенным отличием абонентских аппаратов CDMA является малая излучаемая мощность, которая составляет менее 10мВт, что на порядок меньше, чем в сетях DAMPS и GSM. Столь низкие требования к мощности позволяют использовать портативные аппараты с более длительным временем работы без подзарядки. CDMA использует более 4,4 триллиона кодов для разделения индивидуальных вызовов, обеспечивая полную защиту и предотвращая несанкционированные подключения. CDMA использует уникальный код для каждого вызова, что позволяет надежно защитить частную информацию. Провайдеры могут использовать одну из трех систем множественного доступа, и разделить абонентов так, чтобы они не мешали друг другу.

Стандарт NMT-450i (Nordic Mobile Teleрhone), диапазон частот 453 — 468 МГц. Аналоговый стандарт, разработан в Скандинавии. В стандарте NMT-450 создана первая федеральная сеть сотовой связи «СОТЕЛ». Сети NMT-450 охватывают территории практически всех крупных городов и областей России.

Достоинства NMT-450 — значительно большая по сравнению с другими стандартами площадь обслуживания одной базовой станции при гораздо меньших затратах; малое затухание сигнала на открытом пространстве. Для сетей NMT-450 характерна большая дальность — возможность пользоваться связью на расстоянии в несколько десятков километров от базовой станции (до 100 км). Сигнал фиксируется даже за пределами гарантированной зоны покрытия, если абонент может подключить высокоэффективные направленные антенны и усилители. Более естественное, чем при использовании цифровых стандартов, звучание человеческого голоса.

Недостатками данного стандарта являются слабая помехоустойчивость (уровень помех в этом диапазоне выше, чем в диапазонах 800, 900 и 1800 МГц); меньшая, чем в цифровых стандартах, возможность предоставления широкого спектра сервисных услуг; незащищенность от подслушивания. 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, увеличение времени дозвона в моменты пиковой нагрузки в сети. По этой причине в крупных городах число одновременно используемых номеров в пределах одной соты стандарта NMT-450 ограничено. Вероятность подключения «двойников» .

Для защиты пользователей сети от «двойников» была разработана современная система защиты SIS (SIS — Subscriber Identification Security). Внедрение ее началось на сетях NMT450 c системы «Дельта Телеком» еще в 1994 году. С тех пор, как утверждает менеджмент компании, не зарегистрировано ни одного случая проникновения в сеть. Соответствующая реализация стандарта известна под названием NMT450i. Помимо функции защиты от фрода, оператор получает ряд дополнительных возможностей, например, пониженный тариф для телефона с ограниченной (одной сотой) мобильностью, ограничение зоны обслуживания для конкретного абонента, SMS и ряд других. Основное преимущество — возможность организации автоматического роуминга.

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.

Стандарт DAMPS (Digital Advanced Mobile Рhone Service) — цифровая усовершенствованная подвижная телефонная служба. Цифровая модификация стандарта AMPS. Разработан для Северной Америки, но, завоевав популярность и в других странах, в 1993 г. появился в России. Диапазон частот 825 — 890 МГц.

Особенностью данного стандарта является высокая емкость сетей (значительно выше, чем у NMT-450 и AMРS). В DAMРS/AMРS пользователь получает возможность эксплуатации мобильного аппарата как в цифровом, так и в аналоговом режимах. Абонентам предоставляется 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 AMРS попадает в цифровую — DAMРS, для работы ему выделяются аналоговые каналы. Однако в этом случае преимущества цифровой связи, оплаченные заранее, ему недоступны.

В перспективе сети AMРS постепенно будут заменяться сетями, работающими в цифровой версии этого стандарта. Последняя модификация IS-136 стандарта DAMРS по техническим воможностям приближает его к GSM, она применяется в московской сети «Би Лайн». Получает 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.

Стандарт AMPS/NAMPS (Advanced Mobile Рhone Service) была впервые введена в эксплуатацию в США в 1979 г, это первый стандарт сотовой связи, взятый на эксплуатацию коммерческими операторами связи. Система работает в диапазоне 825−890 МГц и имеет 666 дуплексных каналов при ширине полосы частот каждого канала 30 кГц. Мощность передатчика базовой станции составляет 45 Вт, автомобильной подвижной станции 12 Вт, переносного аппарата до 2 Вт. В стандарте использован ряд оригинальных технических решений, направленных на обеспечение качественной связи при минимальной стоимости оборудования. На основе этого стандарта в дальнейшем были разработаны две его модификации: аналоговая N-AMPS и цифровая D-AMPS, Оба эти варианта были созданы, в первую очередь, для размещения в выделенной полосе частот большего числа разговорных каналов. В N-AMPS это достигается использованием более узких полос частот каналов, а в D-AMPS использованием временного разделения каналов. В системе сотовой связи стандарта AMPS применяются базовые станции с антеннами, имеющими ширину диаграммы направленности 120 градусов, которые устанавливаются в углах ячеек. Базовые станции подключены к центрам коммутации с помощью проводных линий, по которым передаются речевые сигналы и служебная информация. В системе используется принцип разнесенного приема сообщений, поэтому базовые станции содержат по две антенны и соответствующие полосовые фильтры. Приемник — двухканальный, с двойным преобразованием частоты в каждом канале. Блок контроля выполняет функции диагностики состояния станции. Для принятия решения о переключении каналов в системе осуществляется периодический контроль качества каждого из них путем измерения интенсивности принимаемого сигнала (напряженности поля) с помощью специального приемника. Информация об уровне сигнала в контролируемом канале передается в центр коммутации подвижной связи, где производится сравнение принятой информации с аналогичными данными соседних базовых станций и, в случае необходимости, принимается решение о переключении абонента на другую базовую станцию.

Сети подвижной связи стандарта AMPS широко используются в России. Операторов, работающих в этом стандарте, объединяет «Ассоциация-800? — организация, координирующая действия и защищающая права операторов, работающих в диапазоне 800 МГц. На сегодняшний день в ней состоят около 60 операторов России и ближнего зарубежья.

Одним из самых актуальных вопросов, стоящих перед членами «Ассоциации-800? из числа тех, кто эксплуатирует сотовые сети стандарта AMPS/NAMPS, является постепенный переход на более современные стандарты, работающие на частоте 800 МГц. Наиболее очевидный способ — это цифровизация этого же стандарта, т. е переход на D-AMPS, тем более, что существует много мобильных терминалов, работающих одновременно в AMPS и в D-AMPS. Более перспективный путь, но требующий комплексное переоборудование сетей, подразумевает переход на стандарт CDMA. Однако в связи с решением Минсвязи России, выдача лицензий на предоставление услуг связи в этом стандарте, приостановлена.

Ещё один вопрос, который касается модернизации сетей AMPS/D-AMPS, касается предоставления абонентам услуг передачи данных и выхода в Интернет. Богатейшие возможности открываются при использовании технологии пакетной коммутации данных, которая реализует вариант беспроводного доступа в Интернет, электронной почте, передачу сообщений (как двусторонних, так и широковещательных), доступ к базам данных и удаленной телеметрии. Существует одно полностью готовое решение — Пакетная Передача Данных в Сотовых Сетях (CDPD). CDPD — это коммерчески доступная технология, которая позволяет сетям AMPS/D-AMPS поддерживать пакетную передачу данных. Система CDPD интегрируется в существующую сеть, причем возможности пакетной передачи можно наращивать постепенно.

Таким образом, операторы сетей AMPS имеют большие перспективы на будущее. Для этого стандарта разрабатываются способы предоставления ранее недоступных услуг, что позволяет им конкурировать с более современными сетями.

Транковая связь (от англ. Trunk — ствол, магистраль) снована на использовании частотного диапазона 136−174 МГц, который не является опасным для человека. Транковые радиотелефонные системы, объединяя в себе преимущества радиои телефонной связи, предлагают оригинальный способ мобильной коммуникации крупных групп абонентов.

Транковая система позволяет экономить не только телефонные линии, но и радиоканалы. Абонентов к сети подключено заведомо больше, чем имеется в ее распоряжении каналов. Электронная система отслеживает расположение клиентов в пространстве, и распределяет имеющиеся в ее распоряжении радиоресурсы самым выгодным образом. Неудаленные объекты могут обращаться непосредственно напрямую. Для соединения более удаленных объектов подключается базовое транковое оборудование. И только для выхода в ГТС или соединения с другой — сотовой или транковой — системой задействуются телефонные линии и станции.

Абонент транковой системы получает в свое распоряжение переносную или автомобильную радиостанцию, которая внешне очень напоминает радиотелефон. У них есть только одно существенное отличие: портативные транковые радиостанции, сочетающие в себе повышенную мощность, облегченный вес и невысокую цену, относятся к классу «Push To Talk» — «Нажми, чтобы говорить». Пока Вы говорите, нажав кнопку передачи, Ваш абонент вынужден только слушать, и наооборот. Впрочем, эта проблема решена уже во многих автомобильных радиостанциях, которые за счет небольшого увеличения веса, размера и стоимости обеспечивает одновременный прием и передачу радиосигнала. Каждое такое устройство, как и телефон, имеет свой уникальный номер. Пользователь получает возможность выхода на телефонную сеть и радиосвязи с другими абонентами. При этом нет необходимости прослушивать все каналы. Это делает центральный контроллер системы. По специальному управляющему радиоканалу он постоянно передает информацию о свободных каналах и текущих вызовах. В режиме ожидания радиостанция постоянно настроена на него, а в момент поступления вызова контроллер автоматически переключает Вас и Ваших абонентов на свободный канал.

Кроме экономии, транковая система имеет широкий спектр дополнительных возможностей — это осуществление селекторной связи, передача голосовой и цифровой информации, включая зашифрованные сообщения и передачу данных.

Классификация транковых систем различна:

• — По способу передачи информации — цифровые (TETRA) и аналоговые (MPT-1327, LTR, SmarTrank II);
• — По организации доступа к системе — без канала управления (типа SmarTrank II), с закреплением канала управления (общеевропейский протокол MP-1327): с централизованным управлением (типа ACCESSNET) и с распределенным управлением (типа TAITNET), а также с распределенным каналом управления (протокол LTR типа MultiNet);
• — По способу удержания канала — с удержанием канала на весь сеанс и с удержанием канала на время одной передачи (LTR);
• — По конфигурации радиосети — однозоновые и многозоновые системы;
• — По способу организации радиоканала — полудуплексные и дуплексные;
• — По назначению — производственные (ведомственные), смешанные и общего пользования.