Сотовые системы

На рис. 2.4, а показана схема, покрывающая  приблизительно квадратную область. Площадь  одного шестиугольника с радиусом R составляет 1,5 R √3 . Т.е. шестиугольник  с радиусом 1,6 км покрывает зону площадью 6,65 км², а 32 ячейки покрывают зону площадью 6,65 х 32 = 213 км². Для N= 1 количество каналов на одну ячейку составляет 336/7 = 48, а общая пропускная способность составляет 48 х 32 = 1536 каналов. Для схемы, показанной на рис. 2.4, б, площадь покрываемой зоны равна 1,66 х 128 = 213 км². Количество каналов на одну ячейку составляет 336/7 = 48, а общая пропускная способность — 48 х 128 = 6144 каналов.

Функционирование  сотовой системы

На рис. 2.5 показаны основные элементы сотовой  системы. Примерно в центре каждой ячейки находится базовая станция. Базовая  станция состоит из антенны, контроллера  и нескольких трансиверов, которые  служат для связи в каналах, выделенных этой ячейке. Контроллер используется для обработки соединений мобильного устройства с остальной сетью. В  любой момент в пределах ячейки могут  быть активными и перемещаться несколько  пользователей мобильной связи, сообщающихся с базовой станцией. Каждая базовая станция подсоединена к коммутатору мобильных телекоммуникаций (mobile telecommunications switching office — MTSO), причем один коммутатop MTSO может обслуживать  несколько базовых станций. Обычно связь между коммутатором MTSO и  базовой станцией является проводной, хотя возможна также беспроводная связь. Коммутатор MTSO устанавливает соединение между мобильными устройствами. Кроме  того, MTSO соединен также с общественной телефонной или телекоммуникационной сетью и может соединять стационарных абонентов с сетью общего пользования  и мобильных абонентов с сотовой  сетью. Коммутатор MTSO выделяет для каждого  соединения голосовой канал, выполняет  переключения (о которых мы поговорим  ниже) и контролирует звонки для  передачи информации о счетах.

Работа  сотовой системы полностью автоматизирована и не требует от пользователя никаких  действий, кроме заказа разговоров и ответа на звонки. Между мобильным устройством и базовой станцией можно устанавливать каналы связи двух типов: каналы управления и информационные каналы. Каналы управления используются для обмена информацией, касающейся заказа и поддержания звонка, а также установления связи между мобильным устройством и ближайшей к нему базовой станцией. Информационные каналы служат для передачи голоса или данных между пользователями. На рис. 2.6 показаны шаги, которые следует 'предпринять для обычного соединения двух мобильных пользователей, находящихся в зоне действия одного коммутатора MTSO.

                                                     Рисунок 2.5 - Общий вид сотовой  системы

• Инициализация  мобильного устройства. Включенное мобильное  устройство проводит сканирование и  выбирает самый сильный настроечный  канал управления, используемый данной системой (см. рис. 2.6, а). Ячейки с различными полосами частот периодически транслируют  сигналы в различных настроечных  каналах. Приемник мобильного устройства выбирает самый сильный настроечный  канал и начинает его прослушивать. В результате этой процедуры мобильное  устройство автоматически выбирает антенну базовой станции той  ячейки, в пределах которой оно  будет действовать1. Затем выполняется  квитирование между мобильным устройством  и коммутатором MTSO, контролирующим данную ячейку, что тоже осуществляется через базовую станцию этой ячейки. Квитирование используется для опознания  пользователя и для регистрации его местоположения. Все время, пока включено мобильное устройство, эта процедура сканирования периодически повторяется, что позволяет следить за движением устройства. Если устройство входит в новую ячейку, выбирается новая базовая станция. Кроме того, мобильное устройство следит за сигналами избирательного вызова, о чем мы поговорим ниже.

Рисунок 2.6 - Пример мобильного сотового соединения

• Звонок с мобильного устройства. Звонок с  мобильного устройства начинается с  отправки номера вызываемого устройства по предварительно выбранному каналу (см. рис. 2.6, б). Приемник мобильного устройства сначала проверяет, свободен ли настроечный  канал, анализируя информацию в прямом (от базовой станции) канале. Когда  обнаруживается, что канал свободен, мобильное устройство может начинать передачу в соответствующем обратном (к базовой станции) канале. Базовая  станция в свою очередь отправляет запрос на коммутатор MTSO.

• Избирательный  вызов. Далее коммутатор MTSO пытается установить связь с вызываемым устройством. Коммутатор отправляет адресное сообщение  определенной базовой станции, в  зависимости от номера вызывающего  мобильного устройства (см. рис. 2.6, в). Каждая базовая станция передает сигналы  избирательного вызова в собственном  выделенном настроечном канале.

• Принятие вызова. Вызываемое мобильное устройство распознает свой номер в настроечном  канале, за которым следит в настоящий  момент, и отвечает данной базовой  станции. Базовая станция отправляет ответ на коммутатор MTSO, который  устанавливает канал связи между  вызывающей и вызываемой базовыми станциями. В то же самое время коммутатор MTSO выбирает подходящий канал информационного  обмена внутри ячейки каждой базовой  станции и уведомляет каждую базовую  станцию, которые в свою очередь  уведомляют свои мобильные устройства (см. рис. 2.6, г). Оба мобильных устройства настраиваются на выделенные им каналы.

• Текущий  вызов. Пока поддерживается соединение, два мобильных устройства обмениваются голосовыми сигналами или данными, проходящими через соответствующие  базовые станции и коммутатор MTSO (см. рис. 2.6, д).

• Переключение. Если мобильное устройство во время  соединения выходит за пределы одной  ячейки и входит в зону действия другой, то старый информационный канал  следует заменить каналом, выделенным новой базовой станции в новой  ячейке (см. рис. 2.6, е). Система осуществляет это изменение, не прерывая звонка и  не беспокоя пользователя.

Система также выполняет некоторые другие функции, не представленные на рис. 2.6.

• Блокирование вызова. Если при звонке с мобильного устройства все информационные каналы, выделенные ближайшей базовой станции, заняты, то мобильное устройство предпринимает  предварительно заданное количество последовательных попыток установления связи. После  определенного количества неудачных  попыток пользователю возвращается сигнал "занято".

• Завершение вызова. Когда один или оба пользователя вешают трубку, об этом узнает коммутатор MTSO и освобождает информационные каналы обеих базовых станций.

• Потеря вызова. Если в определенный период соединения из-за интерференции или  слабого сигнала базовая станция  не может поддерживать минимально требуемую  интенсивность сигнала, то информационный канал связи с пользователем  прерывается, о чем уведомляется коммутатор MTSO.

• Звонки стационарным и удаленным мобильным  абонентам/от стационарных и удаленных  мобильных абонентов. Коммутатор MTSO подключен к коммутатору общественной телефонной сети. Это означает, что  коммутатор MTSO может устанавливать  соединение между мобильным пользователем  из своей зоны и стационарным абонентом  через телефонную сеть. Более того, MTSO может соединяться через телефонную сеть либо через выделенные каналы связи с удаленными MTSO и устанавливать  соединение между мобильным пользователем  из своей зоны и удаленным мобильным  пользователем.

Связь телефона со станцией может идти по аналоговому протоколу или по цифровому.

NMT (Nordic Mobile Telephone) — аналоговый стандарт мобильной связи в диапазоне частот от 453 до 468 МГц.  Особенности: Значительно большая по сравнению с другими стандартами площадь обслуживания одной базовой станции и соответственно меньшие затраты, а также малое затухание сигнала на открытом пространстве, что оптимально для обширных территорий с низкой плотностью населения.

Большая дальность — возможность пользоваться связью на расстоянии в несколько десятков километров от базовой станции (теоретически до 100 км, особенно летом) и даже за пределами гарантированной зоны покрытия, если абонент может подключить высокоэффективные направленные антенны и усилители.

Слабая  помехоустойчивость — в этом частотном диапазоне уровень индустриальных помех выше, чем в диапазонах 800, 900 и 1800 МГц. В больших городах это выражается в навязчивом шипении и треске в динамиках. Меньшая, чем в цифровых стандартах, возможность предоставления широкого спектра сервисных услуг. Незащищённость от подслушивания. Абоненту NMT-450 полезно знать, что его переговоры легко принимает УКВ-приемник соответствующего диапазона. Поэтому ни о какой конфиденциальности говорить не приходится. 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 выше. Невысокая абонентская емкость сетей, обусловленная диапазоном используемых частот и особенностями технических решений, может увеличивать время дозвона в моменты пиковой нагрузки. По этой причине в крупных городах число одновременно используемых номеров в пределах одной соты стандарта NMT-450 ограничено.

NMT-450 меньше  всего соответствует требованиям  «городского» стандарта и больше  всего подходит для малонаселённых  районов.

  AMPS (Advanced Mobile Phone Service — усовершенствованная подвижная телефонная служба) — аналоговый стандарт мобильной связи в диапазоне частот от 825 до 890 МГц, разработанный для Северной Америки, затем распространившийся и в других странах Особенности : Более высокая, чем у NMT 450, ёмкость сетей. Низкий уровень индустриальных и атмосферных помех. Более надёжная, чем у NMT-450, связь в помещениях. Меньшая зона устойчивой связи для одной базовой станции, что вынуждает операторов ставить их ближе друг к другу.

     D-AMPS или Digital AMPS — цифровой стандарт мобильной связи в диапазоне частот от 825 до 890 МГц.

Особенности: Ёмкость сетей сотовой связи, работающих в DAMPS, ниже, чем в полностью  цифровых системах (GSM, CDMA), но всё же значительно выше, чем в аналоговых NMT- 450 и AMPS.

Ширина  полосы канала — 30 кГц, частотное разделение каналов  как и в AMPS. Возможность автоматического роуминга и SMS. Возможность эксплуатации мобильных аппаратов как в цифровом, так и в аналоговом режимах. Если абонент с телефоном аналоговой сети AMPS попадает в цифровую — DAMPS, для работы ему выделяются аналоговые каналы. Однако в этом случае, преимущества цифровой связи ему недоступны.

Этот  стандарт проигрывает GSM в возможности свободно менять устаревшие модели телефонов на новые и переносе старого номера в новый телефон. В GSM это делается сменой SIM- карты.

    CDMA  (анг. Code Division Multiple Access — множественный доступ с кодовым разделением) — технология мобильной связи, при которой каналы передачи имеют общую полосу частот, но разную кодовую модуляцию. Преимущества: каналы трафика при таком способе разделения среды создаются посредством применения широкополосного кодо- модулированного радиосигнала — шумоподобного сигнала, передаваемого в общий для других аналогичных передатчиков канал, в едином широком частотном диапазоне. В результате работы нескольких передатчиков эфир в данном частотном диапазоне становится ещё более шумоподобным. Каждый передатчик модулирует сигнал с применением присвоеного в данный момент каждому пользователю отдельного числового кода, приёмник настроенный на аналогичный код, может вычленять из общей какофонии радиосигналов ту часть сигнала, которая предназначена данному приёмнику. В явном виде отсутствует временное или частотное разделение каналов, каждый абонент постоянно использует всю ширину канала, передавая сигнал в общий частотный диапазон, и принимая сигнал из общего частотного диапазона. При этом широкополосные каналы приёма и передачи находятся на разных частотных диапазонах и не мешают друг другу. Полоса частот одного канала очень широка, вещание абонентов накладывается друг на друга, но, поскольку их коды модуляции сигнала отличаются, они могут быть дифференцированы аппаратно-программными средствами приёмника.

   GSM (от названия группы Groupe Spécial Mobile, позже переименован в Global System for Mobile Communications) ( русск. СПС-900) — глобальный цифровой стандарт для мобильной сотовой связи, с разделением частотного канала по принципу TDMA и средней степенью безопасности . Разработан под эгидой европейского института стандартизации электросвязи (ETSI) в конце 80-х годов. Общие сведения: 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, 900МГц, 1800МГц 1900 МГц.

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

• Одно диапазонные  — телефон может работать на одной из частот.
• Двух диапазонные (Dual Band) — для Европы, Азии, Африки, Австралии 900/1800 и 850/1900 для Америки и Канады.
• Трёх диапазонные (Tri Band) — для Европы, Азии, Африки, Австралии 900/1800/1900 и 850/1800/1900 для Америки и Канады.
• Четырех диапазонные (Quad Band) — поддерживают все диапазоны 850/900/1800/1900.