Системы сотовой радиотелефонной связи

Появление сотовой связи было связано с необходимостью создания широкой сети подвижной радиотелефонной связи в условиях достаточно жесткого ограничения на доступные полосы частот. Впервые идея сотовой связи была предложена в декабре 1971 г. компанией Bell System в США. Однако ее появлению предшествовал большой временной период, в течение которого осваивались различные частотные диапазоны, совершенствовались различные технологии и техника связи.

Первое применение подвижной радиотелефонной связи было осуществлено полицией Детройта в США в 1921 г. Ими была использована односторонняя диспетчерская связь для передачи информации от центрального передающего устройства к приемникам, установленным на полицейских автомашинах. Связь осуществлялась в диапазоне 2 МГц. Затем в 1933 г. полиция Нью-Йорка начала использовать уже систему двусторонней подвижной радиотелефонной связи в том же диапазоне. В 1934 г. Федеральная комиссия связи США выделила для осуществления радиотелефонной связи четыре канала, которые находились в диапазоне 30 — 40 МГц. К 1940 г. в США радиотелефонной связью стали пользоваться уже около десяти тысяч полицейских машин. Для осуществления радиотелефонной связи до 1940 г. во всех системах использовалась амплитудная модуляция, а с 1940 г. начала применяться частотная модуляция, которая к 1946 г. полностью вытеснила амплитудную. В 1946 г. появился первый общественный радиотелефон, который работал в диапазоне 150 МГц (фирма Bell Telephone Laboratories, Сент-Луис, США). В 1955 г. в этом же диапазоне начала работать 11-канальная система, а в 1956 г. — 12-ка-нальная система в диапазоне 450 МГц. Все эти системы были симплексными, и в них использовалась ручная коммутация. В 1964 г. появились дуплексные автоматические системы, работающие в диапазоне 150 МГц, а в 1969 г. в диапазоне 450 МГц. В Европе также происходило развитие радиотелефонной связи, особенно после Второй мировой войны.

Отдельные элементы системы сотовой связи существовали и до 1971 г., например в 1949 г. в Детройте (США) использовалось некоторое подобие сотовой связи диспетчерской службой такси. Но официально начало эры сотовой связи отмечается в 1971 г., когда компания Bell System в техническом докладе представила в Федеральную комиссию связи США архитектуру системы сотовой связи, принцип которой позволял значительно увеличить емкость за счет повторного использования частот в системе с ячеечной структурой (поэтому данная технология и получила название сотовой). В 1974 г. Федеральная комиссия связи США выделила для работы сотовой связи полосы частот в 40 МГц в диапазоне 800 МГц, а в 1986 г. в том же диапазоне было добавлено еще 10 МГц.

Годом начала практического применения сотовой связи считается 1978 г., так как в этом году в Чикаго (США) начались испытания первой сотовой системы связи на две тысячи абонентов. Первая коммерческая автоматическая система сотовой связи была введена в эксплуатацию компанией American Telephone and Telegraph (AT&T) в 1983 г. в Чикаго.

Использование сотовой связи в других странах мира начало осуществляться несколько позже, чем в США. В Канаде сотовая связь начала использоваться с 1978 г. В Японии — в 1979 г., в скандинавских странах (Швеция, Дания, Норвегия и Финляндия)— с 1981 г., в Англии и Испании — с 1982 г.

В настоящий момент сотовая связь используется более чем в 140 странах мира на всех континентах земного шара. Россия тоже вошла в число стран, использующих сотовую связь. В России сотовая связь начала внедряться с 1990 г., ас 1991 г. началось ее коммерческое использование. В настоящий момент в России насчитывается около миллиона абонентов (на конец 1998 г. — 770 тыс.). По прогнозам компании Baskerville Communications Corp., на конец 2005 г. число абонентов составит 4 млн чел., что соответствует 2,7 % проникновения.

Несмотря на то, что сотовая связь существует около 30 лет, можно выделить три периода ее развития, которые определяются не только количественными характеристиками, но и качественными изменениями. Такое разделение осуществляется с достаточной степенью условности, но тем не менее можно выделить три поколения систем сотовой связи:

аналоговые системы;

цифровые системы;

универсальные системы (системы будущего).

К первому поколению сотовой связи, или стандартам, относятся аналоговые системы, которые в настоящее время заменяются на цифровые системы. В аналоговых системах для передачи речи и информации управления используется частотная модуляция. Для того чтобы передавать информацию по различным каналам, применяется метод множественного доступа с частотным разделением каналов (Frequency Division Multiple Access — FDMA) — используются различные участки спектра частот с полосами каналов в различных стандартах 12,5 — 30 кГц. Основной недостаток аналоговых систем, который послужил препятствием бурному развитию сотовой связи, обусловлен относительно низкой емкостью использования выделенной полосы частот при частотном разделении каналов.

Для дальнейшего развития и распространения сотовой связи шел поиск и велась разработка более совершенных технических решений, что привело к появлению на свет цифровых сотовых систем — систем второго поколения. В цифровых системах сигналы передаются в цифровом коде. Цифровая обработка сигналов обеспечила возможность совершенствования методов множественного доступа, увеличения емкости системы, улучшения качества связи. При цифровой форме стало возможным применение экономичного кодирования речи, эффективного канального кодирования с высокой степенью защиты от ошибок. Бурному развитию цифровой сотовой связи послужило, с одной стороны, развитие новых методов обработки информации, а с другой — появление соответствующей технической базы — сверхминиатюрных интегральных схем для цифровой обработки сигналов, а также внедрение цифровой техники в связь.

Упрощенно принцип функционирования цифровой сотовой связи можно представить в виде последовательности следующих блоков (операций). В передатчике происходит преобразование сигнала с выхода микрофона в цифровую форму при помощи аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Вся последующая обработка и передача информации идет в цифровом коде (на входе цифровой сигнал обратно преобразуется в аналоговый). С целью сокращения объема информации, передаваемой по каналам связи, осуществляется кодирование сигнала речи при помощи кодера речи (КР), т. е. происходит преобразование цифрового сигнала по определенным законам для сокращения его избыточности. Далее кодер канала (КК) добавляет дополнительную информацию в цифровой сигнал, полученный на выходе кодера речи, необходимую для защиты сигнала от ошибок при его передаче по линии связи. Кроме этого для защиты сигнала кодер канала осуществляет определенную переупаковку информации и вводит в состав передаваемого сигнала информацию управления, поступающую от логического блока (ЛБ). После этого сигнал поступает на модулятор (М), который осуществляет перенос информации кодированного видеосигнала на несущую частоту коммутатора приема-передачи сигнала (ППР).

Приемник по своему устройству в основном соответствует передатчику, но блоки выполняют обратные, по отношению к передатчику, функции.

Сигнал с блока приема-передачи сигнала поступает на демодулятор (Д), который выделяет из модулированного радиосигнала кодированный видеосигнал, несущий информацию. Эта информация поступает на декодер канала, который выделяет из входного потока управляющую информацию и направляет ее на логический блок.

Полученная информация проверяется на наличие ошибок, и, если ошибки были выявлены, они по возможности исправляются. Декодер канала также осуществляет обратную переупаковку (по отношению к кодеру) принятой информации. Сигнал с декодера канала поступает на декодер речи, который восстанавливает из него сигнал речи, но еще находится в цифровом виде. Данный сигнал речи поступает на цифроаналоговый преобразователь, который переводит принятый цифровой сигнал в аналоговый и передает его на вход динамика. В некоторых системах для частичной компенсации искажения сигнала используется эквалайзер.

Система сотовой связи представляет собой совокупность ячеек, покрывающих обслуживаемую территорию. Обычно ячейки схематично изображают в виде правильных шестиугольников, которые похожи на пчелиные соты, что и послужило поводом назвать данную систему сотовой. Каждая сота обслуживается своим радиооборудованием. Причем число абонентов, обслуживаемых данной сотой, не является постоянной величиной, поскольку абоненты могут перемещаться из одной соты в другую. При пересечении границы соты абонент автоматически переходит на обслуживание в другую соту, т.е. подключается к ближайшему ретранслятору. В центре каждой ячейки (понятие «центр» тоже носит условное значение) находится базовая станция, которая обслуживает всех абонентов, находящихся в данной ячейке.

Основным принципом сотовой связи является принцип повторного использования частот (frequency reuse), который позволяет эффективнее использовать выделенный частотный диапазон и обеспечивает высокую емкость системы. Идея повторного использования частот заключается в том, что в соседних (касающихся друг друга) ячейках системы используются разные полосы частот, а через ячейку или несколько ячеек эти полосы повторяются. Этот принцип позволяет охватить сколь угодно большую зону обслуживания при ограниченной общей полосе частот.

Все базовые станции системы соединяются с центром коммутации, который, в свою очередь, имеет выход во Взаимосвязанную сеть связи (ВСС) России.

Упрощенно функционирование системы сотовой связи можно представить в виде следующей схемы (рис. 10.5).

Рассмотрим состав и функциональные особенности основных блоков, входящих в систему сотовой связи.

Базовая станция. Упрощенно базовую станцию можно представить в виде схемы, приведенной на рис. 10.6.

В систему связи базовой станции (СБС) входят контроллер базовой станции (КБС) и несколько базовых приемо-передаю-щих станций (БППС), которые непосредственно связываются с подвижными станциями (ПС). Конечно, данная схема отображает общие принципы и взаимосвязи работы базовой станции. На самом деле это достаточно большая и сложная система, которая занимает одно из важнейших мест в системе сотовой связи. В состав базовой станции для осуществления разнесенного приема входят две приемные антенны, либо используются отдельные антенны на передачу и прием. Она располагает несколькими приемниками и передатчиками, позволяющими вести работу одновременно на нескольких каналах с различными частотами, имеет блок сопряжения с линией связи. Контроллер базовой станции представляет собой мощный и современный компьютер, который управляет работой станции, а также осуществляет контроль работоспособности всех входящих в него блоков и узлов.

При перемещении абонента из одной ячейки в другую его обслуживание передается той базовой станции, куда он перемещается, т.е. происходит передача его обслуживания от одной базовой станции к другой. В реальной жизни ячейки, как правило, не имеют правильную геометрическую форму. Границы ячейки имеют вид неправильных кривых, форма которых зависит от условий распространения и затухания радиоволн, т. е. зоной устойчивости радиосигнала. Зона устойчивости может зависеть от многих факторов, прежде всего от мощности приемо-передающей станции и частотного диапазона работы системы. Чем выше полоса частот, тем меньше радиус охвата соты. При этом увеличивается проникающая способность передающего сигнала, поскольку рельеф местности, характер застройки, плотность растительности и другие факторы также сильно влияют на устойчивость радиосигнала. Современные сотовые системы используют частоты 450, 800, 900 и 1800 МГц.

Существует много различных стандартов сотовой связи. В России наибольшее распространение получили три стандарта: NMT (Nordic Mobile Telephone — северный мобильный телефон), GSM (Global System for Mobile communication — глобальная система для мобильной связи) и AMPS (Advanced Mobile Phone System — развитая система мобильного телефона).

Поскольку существует множество различных стандартов и операторов, одной из проблем в сотовой радиотелефонной связи является возможность перемещения от сети одного оператора к сети другого оператора со своим радиотелефоном, т. е. пользование сотовой связью за пределами одной «домашней» системы. Такое перемещение называется роуминг (от английского слова roam — бродить, странствовать).

Роуминг — это функция или процедура предоставления услуг сотовой связи абоненту одного оператора в системе другого оператора. Такого абонента, который пользуется услугами роуминга, называют ромером (roamer). Для осуществления роуминга необходимо соглашение между соответствующими операторами и наличие необходимого технического обеспечения (простейший случай — использование в обеих системах сотовой связи одного и того же стандарта). Существует автоматический и не автоматический (ручной, административный) роуминг.

При автоматическом роуминге вся схема переключения осуществляется незаметно для пользователя (автоматически). Упрощенно ее можно представить в виде последовательности следующих действий. Абонент, оказавшись на территории чужой системы, но допускающей реализацию роуминга, осуществляет вызов обычным образом. Центр коммутации проверяет абонента в своем домашнем регистре и, убедившись, что он там не значится, заносит его в гостевой регистр. После этого центр коммутации запрашивает в домашнем регистре системы ромера всю необходимую информацию о пользователе и сообщает ей, где он находится в настоящий момент. После этого ромер пользуется услугами данного оператора как своей собственной системой, но вся информация теперь фиксируется в гостевом регистре системы, в которой находится ромер. А те звонки, которые поступают на его номер, переадресуются домашней системой на ту систему, где находится ромер. По возвращении ромера домой в домашнем регистре стирается адрес системы, в которой находился ромер, а в гостевом регистре той системы стирается вся информация о ромере. Оплата услуг абонентом осуществляется через домашнюю систему, а операторы проводят расчеты между собой согласно заключенному между ними роуминговому соглашению.

При ручном роуминге абонент должен сообщить своему домашнему оператору, например телефонным звонком, куда он собирается выехать. По приезде в другой город он должен оповестить местного оператора сотовой связи о своем прибытии. Вся информация вручную заносится в домашний и гостевой регистры операторами, осуществляющими процесс коммутации.

В стандарте GSM, который разрабатывался как общеевропейский, процедура роуминга заложена в качестве обязательного элемента. В нем предусмотрена возможность так называемого пластикового роуминга, т. е. перестановка SIM-карт между аппаратами различных вариантов стандарта GSM, поскольку все они используют унифицированные SIM-карты.

На современном этапе развития сотовой связи при значительном росте межрегиональных и международных связей проблемы роуминга остаются одними из актуальных.