Стандарты сотовой связи

По данным GSA, на рынке уже представлены или  будут представлены в скором времени 108 моделей сотовых телефонов, поддерживающих стандарт WCDMA, и 62 модели, поддерживающих EDGE 

Стандарт NMT 

История стандарта NMT

Идея системы  NMT возникла к концу 60-х годов, когда в Скандинавии явно ощущался дефицит спектра. В 1975 г. были определены основные принципы построения и характеристики системы, включая функции передачи обслуживания и роуминга, и составлен план дальнейших работ с окончанием испытаний системы в 1978 г. Сеть NMT-450 с диапазоном 450 МГц была введена в действие в 1981 г. в Швеции (октябрь) и Норвегии (ноябрь), а к 1982 г. - в Дании (январь), Финляндии (март) и Испании (июнь).

Однако случилось  так, что первая сеть NMT-450 начала свою работу в сентябре 1981 г. в Саудовской Аравии, которую смонтировала и запустила Шведская компания Ericsson, принимавшая активное участие в создании сетей NMT-450 в Скандинавии. Но работы с запуском системы NMT-450 по стандарту NMT не закончились. В 1983 г. решили начать разработку системы NMT-900 с диапазоном 900 МГц. Эта система начала свою работу только в декабре 1986 г. В настоящее время сети NMT-450 и NMT-900 продолжают свою работу, но постепенно им приходится сдавать свои позиции под напором новых и более совершенных цифровых стандартов. 

О стандарте NMT-450

Стандарт NMT является аналоговым и относится к группе FDMA (Frequency Division Multiplie Access - Множественный Доступ с Частотным Разделением) стандартов сотовой связи. У данной группы стандартов немало недостатков, но и достаточно много преимуществ по сравнению с другими группами (TDMA и CDMA). Основное преимущество NMT-450 - большой радиус действия базовой станции. Вполне приличная связь в 70-ти км от БС - не редкость для NMT. Телефон GSM-900, например, по определению не может работать на расстоянии более 35 км от БС. Главный недостаток NMT-450 - значительный уровень помех в диапазоне 450 МГц в крупных промышленных городах. Но стоит удалиться от города - качество связи сильно улучшается и зачастую превосходит качество проводных телефонных сетей.  
Каждому абоненту для разговора предоставляется в полное распоряжение отдельный полнодуплексный радиоканал. Рабочие частоты находятся в двух полосах: 453-457, 5 МГц для канала от сотового телефона к базовой станции и 463-467, 5 МГц для канала от базовой станции к телефону. Частотный разнос каналов приёма и передачи - 10 МГц.

Изначально в NMT использовалась сетка каналов  с шагом 25 КГц, но с увеличением  количества абонентов шаг сетки  уменьшили до 12,5 КГц, вставив между обычными каналами дополнительные, увеличив тем самым ёмкость сети.

Стандарт NMT-450 относится к стандартам первого поколения, т.е. является аналоговой системой. Изначально системы стандарта NMT (Nordic Mobile Telephone - мобильный телефон северных стран) были предназначены для 5 североевропейских стран, которые работали в диапазоне 450-467 МГц и имели 180 каналов связи шириной по 25 КГц каждый. За счет многократного использования частот эффективное число каналов составляло 5568. Среднее число каналов, выделяемое базовым станциям, было равно 30. Ячейки с радиусом, находящимся в диапазоне 5-25 км, покрывали территории этих стран. Сети на основе модификаций данного стандарта находят применение во многих странах мира и в настоящее время благодаря большой зоне обслуживания, низкой цене установки и запуска, наращиваемости и простоте технического обслуживания.

Характерной особенностью стандарта NMT является то, что все подвижные абоненты имеют возможность работать в любой из стран, входящих в систему, благодаря тому, что подвижные станции полностью совместимы со всеми базовыми станциями системы любой страны. В настоящее время более 40 стран мира используют системы сотовой подвижной связи стандартов NMT-450 и NMT-900, работающие в диапазоне частот 450 и 900 МГц соответственно. Основное различие между этими стандартами заключается в том, что с повышением используемых частот стало возможным уменьшение габаритов радиотелефона, а также расширение спектра услуг связи и управления.

К основным достоинствам стандарта NMT следует отнести надежную работу на открытых пространствах и возможность брать телефон с собой в поездку в те страны, где используется этот стандарт. 

О стандарте NMT-450i

Стандарт NMT-450 был усовершенствован: увеличилась производительность системы связи; повысилось качество работы; произведена защита доступа к сети с помощью системы идентификации абонента, исключившая возможность пиратского использования канала связи. 
Эта доработанная версия стандарта получила обозначение NMT-450i. Основной ее особенностью является применение так называемой SS N 7 (Сигнализации Номер 7 по спецификации МККТТ), что позволяет быстрее переключать абонентские станции на обслуживание другой базовой станцией при перемещениях абонента, выполнять функции их идентификации и снижать потребление энергии радиотелефонами. Основные характеристики стандарта NMT-450 сохранены и в более новой его версии NMT-900. 

Перспективы NMT

Хотя европейцы  потихоньку начинают сворачивать сети NMT в своих странах, у NMT неплохие перспективы в России. В крупных городах NMT, конечно, умрёт. Тут и проблемы с помехами, и ограниченное количество каналов на БС. Скандинавам хорошо - у них территории маленькие. Можно и GSM-ом всё закрыть. А у нас - с нашими-то просторами... GSM? - базовых станций не напасёшься. Или сохранится присущая нынешним российским GSM-операторам тенденция обеспечивать связь только в городах и на крупных трассах. Шаг влево, шаг вправо - "нет сети". Вот тут- то и нужен NMT с его покрытием.

Заметим, что  в настоящее время стандарт NMT-450 наряду с GSM является Федеральным стандартом России.  

Стандарт AMPS/DAMPS

Система сотовой  подвижной связи стандарта AMPS была впервые введена в эксплуатацию в США в 1979г. 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 - 1 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 стaндаpтa AMPS применяются базовые станции с антеннами, имеющими ширину диаграммы направленности 120°, которые устанавливаются в углах ячеек. Базовые станции подключены к центрам коммутации с номощью проводных линий, по которым передаются речевые сигналы и служебная информация. Длина управляющего сообщения, передаваемого абоненту, составляет 463 бита. 
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. Подвижная станция состоит из трех блоков: приемопередатчика с синтезатором частоты на 666 каналов, блока управления, состоящего из клавиатуры и панели индикации, и логического блока. 
Аппаратура центра коммутации подвижной связи и аппаратура базовых станций состоит из блоков типовых конструкций. Аппаратура базовой станции представляет собой комплект приемопередающей аппаратуры, процессоров, блоков управления и контроля. Примером такой аппаратуры может служить универсальная базовая радиостанция RBS 884 Compact, предназначенная для сотовых систем стандартов AMPS, D-AMPS и D-AMPS 1900. Она создана для работы в закрытых помещениях и на открытом воздухе. В густо населенных районах эта аппаратура может монтироваться на крышах домов, так как она защищена герметичным кожухом, устойчивым к воздействию окружающей среды, имеет небольшие габариты (1250х920х510 мм) и вес (190кг). 
Количество приемопередающих каналов каждой станции равно 10 при выходной мощности каждого 10 Вт. Станция проста в монтаже, а ввод в эксплуатацию, управление, контроль и конфигурирование по частоте осуществляются дистанционно из центра управления. Все компоненты RBS 884 Compact имеют высокую надежность и высокую степень функциональной развязки, что сводит к минимуму риск выхода базовой станции из строя при повреждении одного из ее устройств. 

Организация каналов управления

В рассматриваемой  системе используются два типа каналов  управления: прямой и обратный. Информация по прямому каналу управления в направлении от базовой станции к подвижной передается со скоростью 8 Кбит/с непрерывным потоком, который, при отсутствии информации для последней, содержит лишь контрольный текст. Это является необходимым условием функционирования системы, так как в свободном состоянии приемное устройство подвижной станции сканирует каналы управления, выбирая канал с наиболее высоким уровнем сигнала, Для передачи служебной информации в каналах управления используются сообщения стандартных форматов. 
В прямом канале управления сообщения стандартных форматов используются для передачи следующих сведений: 
- о состоянии соответствующего обратного канала управления (свободно/занято); 
- информационных данных (слова А) для четных номеров абонентов; 
- информационных данных (слова В) для нечетных номеров абонентов. 
Разряды, отражающие состояние обратного канала (свободно/занято), всегда располагаются на одних и тех же позициях передаваемого сообщения, с тем чтобы упростить их выделение из общего потока информации. Объединение двух потоков информации (слова А и слова В) уменьшает временной промежуток, отведенный для синхронизирующей последовательности. Достоверность принимаемой информации увеличивается благодаря многократной ее передаче (пять повторов), что особенно важно для каналов, подверженных замираниям и интерференции сигналов. Для обеспечения необходимой достоверности информационные слова кодируются и объединяются с разрядами коррекции ошибок. В приемнике осуществляется мажоритарное накопление последовательностей по соответствующим правилам принятия решения (3 из 5). В прямом канале управления каждое кодовое слово содержит 28 бит информации и 12 бит коррекции ошибок; в обратном канале управления используются 36 информационных бит и 12 бит коррекции ошибок. Код с такой структурой позволяет исправлять однократную ошибку и обнаруживать 4 ошибки. Информационные слова - это сложные пакеты информации, разделенные на группы или на отдельные разряды, каждый из которых определяет параметры системы, цифру в набираемом номере и т, п. Более точное содержание формата слова зависит от типа сообщения, а длина полного информационного слова может составлять 463 бита. 

Установление  входящего вызова

Процедура установления входящего вызова в системах стандарта AMPS выполняется следующим образом, Если в центр коммутации подвижной связи поступает заявка на установление связи с подвижным абонентом от абонента телефонной сети общего пользования или другого подвижного абонента, т. е. заявка на входящий вызов, то он по проводному каналу передачи данных дает команду всем базовым станциям, находящимся в зоне обслуживания, вызвать необходимого подвижного абонента. Этот вызов по каналу управления транслируется на подвижную станцию, которая, получив его, проверяет возможность доступа в обратный канал управления с помощью флага "свободно/занято", имеющегося в принятом сообщении. Если обратный канал управления свободен, то абонентская станция выдает в центр коммутации подвижной связи MSC через базовую подтверждающее сообщение, которое содержит личный номер подвижного абонента. 
Центр коммутации, приняв это сообщение, анализирует поступившую информацию, определяет номер базовой станции, обслуживающей в данный момент времени вызываемого абонента, и, тем самым, определяет его местоположение. Затем он выбирает свободный разговорный канал на данной базовой станции BTS и занимает его, указывая в информационной части канала управления, что этот канал "занято. Процедура входящего вызова происходит в течение i - 4 мс, что совсем не заметно для пользователя. Реализация такой процедуры позволяет снизить до минимума вероятность конфликтной ситуации при занятии канала управления несколькими абонентами одновременно. 
После выполнения процедуры установления свободного канала связи и его занятия из центра коммутации по разговорному каналу посылается повторный вызов на базовую станцию с указанием номера выделенного радиоканала и номера специального сигнала SAT (Supervisory Audio Tone). В качестве сигнала SAT в одной ячейке системы сотовой связи может использоваться сигнал одной из трех тональных частот: 5970, 6000 или 6030 Гц, который необходим ,аля контроля за исполнением команд и качеством связи в разговорном канале. 
Получив информацию от центра коммутации, абонентская станция перестраивается на частоту свободного разговорного канала и по нему ретранслирует выделенный сигнал SAT, При его распознавании на базовой станции принимается решение о готовности дуплексного радиоканала "базовая станция - абонент", о чем сообщается в центр коммутации соответствующим сигналом. 
Далее производится коммутация наземной телефонной линии между центром MSC и базовой станцией, радиоканала - между станцией BTS и подвижной станцией MS, которая соответствующей командой приводится в готовность. 
Если абонент свободен, то от него по назначенному разговорному каналу на базовую станцию передается тональный сигнал ST (Signalling Tonej частотой 8 кГц, который прерывается при снятии трубки абонентского аппарата. По сигналу ST базовая станция сообщает в центр коммутации о готовности абонентского терминала, ицентрМЗС посылает абоненту сигнал вызова (звонок). 
При прерывании сигнала ST центр коммутации подключает весь разговорный тракт, передает в канал сигнал SAT и следит за результатами контроля качества связи. По завершении разговора от абонентского терминала передается сигнал ST и сигнал о перестройке на частоту канала управления, поэтому базовая станция сообщает в центр коммутации подвижной связи об окончании сеанса связи, после чего коммутационное оборудование освобождается, 
Сигнал SAT постоянно передается в канале связи во время разговора. В том случае, если обнаружено прерывание этого сигнала, абонентская станция включает таймер и, если сигнал SAT не будет обнаружен по истечении определенного времени, переключается на частоту канала управления. На этом сеанс связи заканчивается. 
Следует отметить, что в отличие от алгоритма входящего вызова системы NMT в данном алгоритме контроль достоверности принимаемых сообщений частично перенесен на блок управления абонентской станции. Например, с его помощью определяется соответствие между принятым номером разговорного канала и номером канала управления, который обслуживает данную группу разговорных каналов.

Организация управления при исходящем  вызове

Исходящий от подвижного абонента вызов может быть предназначен как для абонента телефонной сети общего пользования, так и для другого подвижного абонента системы сотовой связи. Для производства исходящего вызова пользователь набирает на радиотелефоне номер вызываемого абонента; этот номер передается на базовую станцию и далее транслируется в центр коммутации по каналу передачи данных. После анализа информации и выделения свободного разговорного канала в действующих системах сотовой связи организуется тестирование состояния каналов, устанавливается соединение и в сторону вызываемого абонента посылается вызов. При ответе абонента подключается весь разговорный тракт. 
В системах сотовой связи стандарта AMPS управление при исходящем вызове основано на применении сигналов SAT и ST. Как и в системе стандарта N-MT, номер вызываемого абонента записывается в запоминающее устройство абонентской станции, которая затем проверяет состояние обратного канала управления на занятость, т. е. определяет возможность доступа в прямой канал управления, 
Получив доступ, абонентская станция передает исходящий вызов, в котором содержатся номера вызывающего и вызываемого абонентов. Базовая станция транслирует исходящее сообщение по каналу передачи данных в центр коммутации, где осуществляется проверка на несанкционированный доступ вызывающего абонента к данной сети. Если абонент имеет право доступа, то центр коммутации инициирует в течение 1 - 4 мс состояние обратного канала управления как "занято", выделяет свободный разговорный канал и передает сигнал SAT. Одновременно с этим устанавливается соединение с вызываемым абонентом и ему передается вызов. Получив номера разговорного канала и сигнала SAT, вызывающая станция настраивается на частоту разговорного канала и передает по нему через базовую станцию в центр коммутации подвижной связи соответствующий сигнал SAT, после получения которого осуществляется проверка разговорного тракта MSC - BTS-MS. Далее центр коммутации ожидает ответа вызываемого абонента и, при снятии им трубки, подключает разговорный тракт и ведет контроль за качеством речи. 

Организация эстафетной передачи абонента

Одной из основных проблем при разработке систем сотовой  связи является обеспечение непрерывной  связи во время передвижения абонента по зоне обслуживания. Для ее разрешения используется принцип эстафетной передачи. 
В системах стандарта AMPS протокол обмена сообщениями в рассматриваемом режиме подобен протоколу систем стандарта NMT и отличается лишь тем, что контроль за качеством передачи ведется с помощью сигнала SAT, В процессе эстафетной передачи абонента от одной базовой станции к другой аппаратура подвижного абонента уведомляется о номере сигнала SAT специальным сообщением. 
По мере приближения подвижной станции к границе ячейки величина отношения сигнал/шум уменьшается. Поэтому базовая станция BTS1 может выдать в центр коммутации сигнал "ухудшение качества", по которому центр коммутации идентифицирует шесть ближайших к абоненту базовых станций и дает им команду измерить уровень сигнала SAT 1 в данном радиоканале. Центр коммутации сравнивает полученные результаты и выбирает новую ячейку с более высоким уровнем сигнала, например, ячейку 2, в базовую станцию которой передается номер нового разговорного канала и номер SAT2. Это сообщение транслируется на подвижную станцию в разговорном канале, по которому ведется сеанс связи. Подтверждением получения информации является кратковременное (на 50 мс) прерывание сигнала SAT2, зафиксировав которое, BTS1 посылает сигнал исполнения на центр коммутации. В новом разговорном канале абонентский терминал передает в центр коммутации сигнал готовности, последний производит соответствующую перекоммутацию каналов, освобождая базовую станцию BTS1, и подключает новый разговорный тракт. Контроль за качеством передачи ведется по сигналу SAT2, дискретная информация передается в разговорном канале методом бланкирования, при котором речевые сигналы прерываются. Вся процедура эстафетной передачи занимает около 250 мс, поэтому для абонента момент переключения незаметен.