Журнал Радио 12 номер 2000 год. СВЯЗЬ: СРЕДСТВА И СПОСОБЫ

Журнал Радио 12 номер 2000 год. СВЯЗЬ: СРЕДСТВА И СПОСОБЫ ВОСХОД ЦИФРОВОЙ


сотовой связи А. ГОЛЫШКО, г. Москва   В предыдущих номерах журнала рассматривалось развитие сотовой связи аналоговых стандартов. Во многом их технические решения стали базой для разработки значительно более совершенных цифровых стандартов и сетей, о чем уже упоминалось ранее. Настоящей публикацией мы начинаем достаточно по* дробный рассказ о цифровых разновидностях сотовых систем! ставших фундаментом, на котором в наши дни создается универсальная мультисервисная связь будущего.

ПЕРВЫЕ ЛАСТОЧКИ

Универсальная мультисервисная связь предоставит абонентам широкие возможности передачи не только голосовых сообщений, данных, но и различной видеоинформации. Теперь уже необходимость предоставления таких услуг и прежде всего качественного доступа в Интернет ни у кого не вызывает сомнений. В дальнейшем остановимся на потенциальных возможностях этих систем и их технологических основах, но сегодня наш рассказ начнем о первых "сотовых* представителях цифрового семейства, которых обычно относят ко второму поколению систем сотовой связи (2G).

Прежде всего речь пойдет о нынешнем лидере европейской соторой связи — стандарте GSM (Global System (or Mobile communications), работающем в диапазоне 900 МГц, а также о более высокочастотной разновидности — DCS (Digital Cellular System). использующем диапазон 1800 МГц. и его американском "родственнике", именуемом IS-661 — interim Standard или по-европейски — GSM-1900.

В своем развитии системы стандарта GSM прошли несколько стадий, позволивших реализовать на практике весь заложенный в него потенциал. Все разновидности стандарта GSM основаны на технологии TDMA. а сами сети на основе этих стандартов можно встретить во многих странах мира.

Североамериканские цифровые стандарты включают в себя цифровизированную с помощью технологии TDMA версию аналогового стандарта AMPS — DAMPS (Digital Advanced Mobile Phone Service) или IS-54 для диапазона 800 МГц. его высокочастотная версия предназначена для работы в диапазоне 1900 МГц. Впоследствии появилась более совершенная версия IS-54. получившая название IS-136 (разработанная и внедренная в 1996 г.). Она расширила функциональные возможности системы практически до возможностей GSM. Однако, как увидим позже, этого оказалось недостаточно, и сейчас в США уже существуют сотовые сети, использующие технологию CDMA, выполненные в соответствии со стандартом IS-95 (1993 г.). Они применяются как для работы в диапазоне 800 МГц. так и 1900 МГц. Все указанные стандарты (за исключением разве что IS-54/1900) получили распространение не только в США. но и в Канаде. Мексике. Южной Америке, на Ближнем Востоке, в Юго-Восточной Азии и Австралии.

Здесь следует упомянуть, что обычно американцы применяют ко всем системам сотовой связи диапазона 800 МГц термин 'cellular" (ячеистый, сотовый), а для диапазона 1900 МГц — "PCS' (Personal Communication System). Кроме того, они нередко называют системы стандарта IS-54 просто TDMA. Но это чисто американская специфика, поэтому в литературе часто можно встретить целый набор указанных названий.

Что касается термина PCS. то он остался еще с тех пор. когда только начинали создаваться цифровые системы для работы в диапазонах 1800 и 1900 МГц. В те уже давние по нынешним телекоммуникационным меркам времена многим представлялось, что именно этим системам связи суждено воплотить мечту о персональной связи, потому что в указанных диапазонах имелись значительно большие полосы специально выделенных радиочастот, чем в диапазонах 800 и 900 МГц.

Однако для настоящей персональной связи этого оказалось недостаточно, потому что появился Интернет и другие новые виды услуг. В отличие от этого перспективные сети OCS в Западной Европе часто обоснованно назывались PCN (Personal Communication Networks). Кроме того. PCN приписывали тогда еще только разрабатываемому стандарту фиксированной связи DECT, который был призван работать "о одной упряжке" со стандартом DCS. Однако широкого распространения эта идея не получила. В более унифицированной европейской системе 2G достаточно оказалось одного названия DCS. а когда-то распространенный термин PCN не употребляется специалистами уже лет пять. В США же PCS прижилось и обозначает ныне целое семейство стандартов — IS-54. IS-95. is-136 и IS-661. использующих диапазон 1900 МГц.

Еще один "скромный родственник" стандартов DAMPS и GSM — японский стандарт JDC (Japan Digital Cellulai). разработанный в 1993 г.. был. по существу, аналогом DAMPS, известный сейчас под названием PDC (Poisonal Digital Cellulai) Сети на его основе начали эксплуатироваться в 1994 г. Предусматривалась его работа в полосах диапазонов от 800 до 1500 МГц. Другой японский стандарт, использующий диапазон 1800 МГц. получил название PHS (Personal Handyphone System), а сети на его основе функционируют с 1995 г. Впрочем, японские стандарты — это чисто местная специфика, не имеющая распространения за границами Страны Восходящего Солнца, что. впрочем, помогает японцам защищать свой внутренний рынок от внешних поставщиков оборудовании.

Отличия в диапазонах радиочастот, применяемых в Северной Америке и Западной Европе, вызваны тем. что к моменту появления сотовой связи именно эти полосы частот в указанных регионах оказались относительно свободными от работающих радиосредств другого назначения (например, систем авианавигации), Мы ведь отмечали, что для каждой страны радиоспектр — это национальный природный ресурс, имеющий, увы. свои пределы. Тут уже ничего не поделаешь.

Что касается литературы, в которой описаны основные стандарты сотовой связи 2G. го тем. кто интересуется техническими деталями, можно посоветовать воспользоваться известной многократно переиздававшейся и очень удачной книгой Ю. А. Громакова "Системы и стандарты подвижной радиосвязи" (М.: ЭКО-ТРЕНДЗ. 1998). а также книгой М. В. Ратынского "Основы сотовой связи" под редакцией Д. Б. Зимина (М.: "Радио и связь". 1998). Эти авторы представляют крупнейших российских операторов цифровых сотовых сетей, использующих технологию TDMA: "Мобильные Теле-Системы" и "Вымпелком" соответственно.

Перейдем теперь к рассказу о наиболее массовых из упомянутых выше стандартов.

СТАНДАРТ GSM

Как уже отмечалось, стандарт GSM — это результат фундаментальных исследований ведущих научных и инженерных центров Европы, продолжавшихся в течение пяти лет (1982—1987 гг.) В 1988 г. были приняты основные документы и началось освоение производства оборудования для сервисных систем этого стандарта. А в 1991 г. первые сети GSM уже стали практически эксплуатироваться. До сих пор процесс создания этого стандарта может считаться образцом совместного решения сложных технических и организационных задач большой группой стран. Разработанные в рамках GSM системные и технические решения широко используются в настоящее время при создании перспективных цифровых систем сотовой связи, в том числе и на базе других технологий. В первую очередь, к таким решениям относится построение сетей GSM на принципах интеллектуальных сетей, применение модели открытых систем, внедрение новых эффективных моделей повторного использования частот и т. п.

Начнем с радиотракта. Ранее упоминалось, что в стандарте используется много-станционный доступ с временным разделением каналов (TDMA). функционирующий в диапазоне частот 890...915 МГц (по линии "вверх") и 935...960 МГц (по линии "вниз") с шириной полосы канала 200 кГц. Дуплексный разнос частот — 45 МГц. При этом на каждой из 124 пар несущих частот поочередно (временными кадрами длительностью 4.615 мс) передаются восемь разговорных каналов, вернее их фрагментов (слотов по 577 мс каждый), разнесенных по времени Помимо каналов трафика присутствуют также каналы управления. Таким образом, в одном физическом радиоканале в GSM реализовано восемь логических каналов связи, каждым из которых может пользоваться отдельный абонент.

Структура радиоинтерфейса GSM довольно сложна. Указанные выше восемь слогов трафика (по 577 мкс каждый) объединяются в кадр канала графика (4.615 мс). потом 26 кадров этого канала объединяются в мультикадр (120 мс) и далее 51 мультикадр объединяется с 26 мультикадрами канала управления, образуя суперкадр (6.12 с). Кадр канала управления (4.615 мс). в свою очередь, состоит из восьми слотов управления и входит в мультикадр управления, состоящий из 51 кадра управления длительностью 235 мс. И. в конце концов, из 2048 суперкадров формируется гиперкадр длительностью 3 ч 28 мин 53.76 с. Номер кадра в пределах гиперкадра используется в процессе шифрования передаваемой информации.

Одна базовая станция может поддерживать максимально 16—20 радиоканалов, т. е. при построении сети GSM используется комбинация технологий TDMA/FDMA. Максимальная скорость передачи данных в системе GSM — 9.6 кбит/с.

В стандарте GSM применяется так называемая спектрально-эффективная гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). для которой характерны:

— постоянная по уровню огибающая, позволяющая применять усилительное оборудование в эффективном режиме работы (класс С):
— низкий уровень внеполосного излучения:
— высокая помехоустойчивость канала связи.

Для защиты от ошибок в радиоканалах системы GSM используется сверточное и блочное кодирование с перемежением. Сверточное кодирование борется с одиночными ошибками, перемежение позволяет преобразовать групповые ошибки в одиночные, а блочное кодирование освобождает от оставшихся нескорректированных ошибок. Повышение эффективности кодирования и перемежения при малой скорости перемещения абонентских терминалов достигается медленным переключением рабочих частот (SFH) в процессе сеанса связи со скоростью 217 скачков в секунду.

Для борьбы с интерференционными замираниями принимаемых сигналов, вызванными переотражением в условиях интенсивной городской застройки, импульсные сигналы выравниваются с помощью эквалайзеров по специальному алгоритму со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16 мкс. Система синхронизации GSM рассчитана на компенсацию абсолютного времени задержки сигнала до 233 мкс. что обеспечивает максимальный радиус одной соты до 35 км. Дело в том, что при больших расстояниях один и тот же сигнал, отраженный от разных препятствий, может достигнуть приемника с разной задержкой, а в результате произойдет наложение соседних кадров друг на друга, а это серьезным образом скажется на качестве егчязи. Сказанное указывает на технологические преде лы TDMA. с которыми необходимо считаться.

С целью улучшения энергетических характеристик передатчик включается только при наличии речевого сигнала, в паузах и в конце разговора он отключается. Для этой цели используется так называемый детектор актипности речи (VAD). который позволяет повысить энергоресурс абонентского терминала. С этой же целью в абонентском терминале регулируется мощность излучения с тем. чтобы передатчик не работал в полную силу, когда абонент находится вблизи базовой станции. В качестве преобразователя речи в цифровой сигнал используется весьма изощренное специальное устройство (кодек) с регулярным импульсным возбуждением/долговременным предсказанием и линейным предактив-ным кодированием с предсказанием (RPE/LTR-LTP-кодек). Максимальная скорое 1ь передачи речевого кодека — 13 кбит/с. В системе также предусматривалось так называемое полускоростное кодирование (6.5 кбит/с) для увеличения абонентской емкости сети, но оно пока не реализовано и, по-видимому, представляет собой "резерв главного командовании". Стоит отметить, что кодек, разработанный в рамках стандарта GSM, позже, во второй половине 90-х годов, сыграл свою роль при развитии IP-телефонии, столкнувшейся со сходными задачами по преобразованию голоса в "цифру".

Во избежание многократного применения процедуры кодирования/декодирования, которая пагубно сказывается на качестве голосовой связи, в системе GSM предусмотрено отключение кодеков со стороны центра коммутации сообщений (MSO). если разговаривают два абонента сети GSM.

Для высокой степени безопасности передачи сообщений осуществляется их дополнительное шифрование по алюритму С открытым ключом (RSA).

Функциональный состав системы вполне традиционный — она состоит из центра коммутации, центра управления и обслуживания, базовых станций и абонентских терминалов. Все компоненты системы взаимодействуют в соответствии с системой сигнализации по общему каналу ОКС ╧ 7 (SS7).

Центр коммутации обслуживает группу ячеек (сот), в каждой из которых находится базовая станция (отдельные группы базовых станций управляются специализированным контроллером), обеспечивая все виды соединений, в которых нуждается абонентская подвижная станция, а также "эстафетную передачу" при движении абонента (из соты в соту) и переключение радиоканалов при появлении помех или неисправностей. Центр коммутации непрерывно отслеживает местонахождение подвижных станции, сохраняя эту информацию в специальных защищенных базах данных. Это позволяет осуществлять обслуживание (роуминг) пользователей других сетей данного стандарта (принадлежащих другим операторам).

MSC системы GSM идентичен коммутатору ISDN (ISDN-АТС) и представляет собой интерфейс между традиционными телефонными сетями и сетью подвижной связи. Каждый MSC поддерживает работу абонентов в определенной зоне обслуживания и управляет процедурами установления вызова и маршрутизации. MSC ведет статистику работы абонентов и формирует данные, необходимые для выписки счетов и пр.. передавая их в биллинговую систему. Еще MSC составляет данные, необходимые для мониторинга сети, и поддерживает процедуры безопасности.

Регистрация MSC местоположения абонентских терминалов необходима для "доставки" вызова. Все терминалы, "видимые" из MSC, заносятся в специализированные базы данных: регистр положения (HLR) и регистр перемещения (VLR). Регистр HLR содержит международный идентификационный номер подвижного абонента (IMSI). который используется для опознавания абонентского терминала в центре аутентификации (AUC) Регистр HLR — это не просто список "прописанных" в MSC абонентов, но и перечень опознавательных номеров и адресов, параметров подлинности и маршрутизации. Там же ведется регистрация данных о роуминге каждого абонента, включая данные о временном идентификационном номере подвижного абонента (TMSI) и соответствующем VLR. К базе данных HLR имеют доступ все MSC и VLR сети GSM (в этом "допуске' и заключается, собственно, процедура организации автоматического роуминга между сетями), а если в сети есть несколько HLR. то они не дублируют rwyi друга, а представляют собой просто распределенную память. В общем, в сети GSM никто не забыт и отслеживается постоянно. Регистр VLR содержит сведения о "визитерах" и помогает организовать с ними связь в рамках сети GSM.

Таким образом, разработчики позаботились о том. чтобы система GSM обладала собственным внутренним механизмом определения местоположения абонентов и маршрутизации вызовов, не зависящим от конкретной телефонной сети, к которой подключена, и соответственно могла бы достаточно просто сделать то же самое в любой части ТфОП каждой страны. Все это облегчает организацию автоматического роу-минга. что ныне широко используется во всем мире.

Для исключения несанкционированного доступа в сеть GSM производится аутентификация абонента. При этом каждый получает на время пользования сетью стандартный модуль подлинности абонента (SWl-карта). который содержит международный идентификационный номер, свой индивидуальный ключ и алгоритм аутентификации. Иными словами, вставив свою SIM-карту в терминал, абонент превращает последний из просто "куска железа и пластмассы" в свой индивидуальный аппарат. Для дополнительной защиты своего терминала он может установить такой режим работы, при котором необходимо дополнительно набрать на клавиатуре pm-код Правда, практика показывает, что некоторые абоненты сначала с удовольствием "секретят" свои радиотелефоны, а потом благополучно забывают pin-код. Ну а после трех неправильных наборов pin-кода терминал превращается опять в бесполезное железо и надо идти на поклон к тому, у кого приобретен терминал.

К вопросам безопасности относится не только аутентификация абонентов, но и конфиденциальность связи, подразумевающая секретность передачи данных, самого абонента и направлений соединения абонентов. Как уже говорилось, в системе GSM используется шифрование с открытым ключом, алгоритм формирования которого содержится также в модуле SIM. Режим шифрования сообщений можно устанавливать дополнительно.

В рамках стандарта GSM приняты пять классов подвижных станций: от модели с передатчиком мощностью 20 Вт. устанавливаемой на автомобиле, до портативной карманной модели мощностью 800 мВт. Каждой подвижной станции также присваивается свой международный идентификационный номер для предотвращения доступа к сетям GSM похищенных или незарегистрированных станций. Для защиты от несанкционированного доступа в системе отключаются все терминалы, которые вошли в нее под одинаковыми идентификационными кодами, т. е. двойников отсекают на этапе попытки регистрации.

Еще один важный узел сети GSM, отвечающий за ео надежность. — это центр эксплуатации и технического обслуживания (ОМС), который обеспечивает контроль и управление всеми компонентами сети (например, конфигурации базовых станций), а также контролирует качество ее работы. В зависимости от характера неисправности ОМС позволяет устранить ее автоматически или с помощью экстренного вмешательства технического персонала.

Сеть GSM имеет центр управления (NMC). предназначенный для эксплуатации и технического обслуживания всей сети, которая может содержать несколько региональных ОМС. Кроме того. NMC контролирует маршруты сигнализации и соединении во избежание перегрузок, а также места стыка с ТфОП.

Система предоставляет своим абонентам широкий спектр услуг (передачу вызова, оповещение о тарифных расходах, включение в закрытую группу пользователей и т. д.). Применение в сети различного оборудования позволяет, кроме осуществления голосовой связи, передавать данные, короткие сообщения (SMS). сижалы экстренных служб (в том числе аварийной информации, сигналов охраны квартир, бедствия и т. п.). Она подключается к ТфОП. сетям передачи данных и цифровым сетям с интеграцией служб (ISDN). Впрочем, сегодня спектр услуг сети GSM зависит от конкретного оператора, активизирующего в своей сети тот или иной набор предоставляемых услуг.

В стандарте GSM предусмотрены два класса служб: основные и телеслужбы. Первые обеспечивают асинхронную передачу данных со скоростями 0.3; 0.6; 1.2: 2.4; 4.8 и 9.6 кбит/с через ТфОП и синхронную передачу данных в дуплексном режиме со скоростями 1.2: 2.4: 4.8 и 9.6 кбит/с через ТфОП. ISDN и специализированные сети передачи данных. Телеслужбы предоставляют следующие услуги: телефонную связь, совмещаемую со службой экстренной сигнализации, передачу коротких сообщений, доступ к службам "Видеотекс". "Телетекс" и "Телефакс".

При передаче коротких сообщений используется пропускная способность каналов сигнализации и при необходимости — каналов управления. Обьем коротких сообщений — не более 1Ь0 символов, которые могут приниматься в течение текущего вызова или в нерабочем цикле.

СТАНДАРТ DCS

Главным направлением в Западной Европе до недавнего времени являлось применение принципов стандарта GSM для создания сетей стандарта DCS-1800. работающих в диапазоне 1710—1785 МГц (по линии "вверх") и 1805—1880 МГц (по линии "вниз"). Главное отличие сетей стандарта DCS от стандарта GSM — возможность обслуживания значительно большего числа абонентов благодаря использованию более широкого радиочастотного ресурса. Дело в том, что даже в Западной Европе при максимально широком выделенном диапазоне частот для сети GSM не смогли качественно обслуживать зоны с очень высокой абонентской плотностью. DCS-1800 же представляет собой очередной шаг в развитии систем сотовой связи, а именно — переход к микросотовой (и даже пикосотовой) структуре сети, что позволяет намного увеличить емкость сети для медленно перемещающихся абонентов Причем радиус микросоты составляет 100...600 м. а пикосоты— 10...60 м.

Сети персональной связи стандарта DCS-1800 сейчас действуют во многих странах. При этом они могут работать как самостоятельно, так и совместно с действующими сетями GSM. так как разработаны и уже применяются абонентские терминалы двойного стандарта GSM/DCS. При этом, когда абонент находится в зоне действия сети DCS. абонентский терминал принимает его сигналы. При перемещении в зону стандарта GSM терминал автоматически переключается на этот стандарт. Оператор сети двойного стандарта GSM/DCS имеет определенные преимущества: помимо возможности увеличения числа обслуживаемых абонентов, он оказывается владельцем совместимого оборудования для этих стандартов (кроме высокочастотного тракта).

Предпринимаются дальнейшие шаги по снижению нагрузки на сети GSM. В частности, с ними аналогичным образом интегрируются корпоративные микросотовые сети беспроводного доступа стандарта DECT, которые обеспечивают абонентам ограниченную мобильность в пределах сравнительно небольшой зоны (офиса). Правда, развитие сетей DCS сделало со временем эту задачу менее привлекательной.

НЕСКОЛЬКО СЛОВ О РЫНКЕ СОТОВОЙ СВЯЗИ

Если обратиться к сегодняшнему европейскому рынку сотовой связи, где доминируют сети GSM. то видно, как мобильный телефон все шире проникает в повседневную жизнь населения. К примеру, как следует из отчета, опубликованного известной консалтинговой компанией IDC, еще в текущем году число абонентов мобильных сетей здесь перевалит за 200 млн. а к 2004 г. достигнет 300 млн. "Европейский рынок услуг сотовой связи стал массовым, и к 2004 г. сотовых телефонов станет больше, чем стационарных", — отмечает IDC.

По словам аналитика IDC Тима Шиди, основной причиной широкого распространения мобильных телефонов в Западной Европе стал мобильный сервис с предварительной оплатой — при этом снижаются расходы на приобретение терминала и необременительными оказываются сами контракты. На долю такого сервиса в 2000 г. приходилось до 53% от общего числа абонентов, а к 2004 г. их доля вырастет до 62%.

IDC ожидает, что к началу 2001 г. рынок услуг сотовой связи в Западной Европе составит в денежном выражении 86 млрд долл. США. а к 2004 г. вырастет до 115 млрд. причем вклад в этот рост внесут как операторы, так и Интернет-сервис-провайдеры.

Сегодняшний телекоммуникационный мир отнюдь не ограничивается системами и сетями стандарта GSM. В дальнейшем мы продолжим знакомство и с другими системами сотовой связи второго поколения.

Вернуться к содержанию журнала "Радио" 12 номер 2000 год







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.