Мобильные телекоммуникации

В 80-х – 90-х годах 20-го века весьма активное развитие получила мобильная телефония. В последнее время услуги мобильной связи стали применяться и для передачи цифровых и мультимедийных данных. Мобильные телекоммуникации использует диапазоны в интервале 50 МГц – 1,8 ГГц. Мобильные системы работают при малых выходных мощностях передатчика, что ограничивает размер зоны приема. Вне этой зоны другие передатчики могут функционировать независимо. Такие зоны называются сотами (ячейками). По аналогии с пчелиными сотами их часто изображают шестигранными, хотя реально они могут иметь самую причудливую форму в зависимости от профиля местности (но никогда не имеют вид пчелиных сот). Ячейки должны перекрываться так, как показано на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Схема расположения ячеек при сотовой связи

Светлыми кружками отмечены реальные границы ячеек, их перекрытие должно обеспечить перекрытие всей зоны телекоммуникаций. В центре ячейки находится базовая станция — ретранслятор. Такая станция содержит в себе ЭВМ и приемо-передатчик, соединенный с антенной. Сигнал передатчика падает по мере удаления от центра ячейки, где он должен быть расположен. Там же должен находиться и приемник. В пределах ячейки предусмотрено несколько каналов для приема/передачи, разнесенные по частоте. Такие системы могут обслуживать пейджерную или мобильную телефонную сеть. Пейджерные каналы однонаправлены, а телефонные двунаправлены (см. рис. 8.2). Пейджинговые системы требуют небольшой полосы пропускания, а одно сообщение редко содержит более 30 байт. Большинство современных пейджинговых систем работает в частотном диапазоне 930-932 МГц (старые занимали 150-174 МГц ).

Рис. 8.2. Каналы пейджерной (слева) и мобильной телефонной сети (справа).

В небольших системах все базовые станции соединены с MTSO (Mobile Telephone Switching Office). В больших сетях может потребоваться несколько MTSO, которые в свою очередь управляются MTSO следующего уровня и т.д.. Узловая MTSO соединена со станцией коммутируемой телефонной сети. В любой момент каждый мобильный телефон логически находится в одной определенной ячейке и управляется одной базовой станцией. Когда телефон покидает ячейку, базовая станция обнаруживает падение уровня сигнала и запрашивает окружающие станции об уровне сигнала для данного аппарата. Управление аппаратом передается станции с наибольшим входным сигналом. Телефон информируется о смене управляющей станции, при этом предлагается переключиться на новый частотный канал (в смежных ячейках должны использоваться разные частотные каналы).

Эти каналы управляются центральным коммутатором ячейки ( MSC – Mobile-Service switching Centre). Пользователь использует канал до тех пор, пока находится в пределах ячейки. При переходе в соседнюю ячейку он получает новый канал (hand-off), что должно быть практически незаметно для пользователя и занимает около 300 мсек. Присвоением частот управляет MTSO.

В рамках американского стандарта первого поколения AMPS (Advanced Mobile Phone Service) формируется 40 МГц-канал в интервале 800-900 МГц. Этот диапазон делится пополам, 20 МГц выделяется для передачи и столько же для приема. Данные диапазоны делятся в свою очередь на 666 двусторонних каналов, каждый по 30 кГц. Эти каналы расщепляются на 21 субканал, сгруппированные по 3. Обычно, как показано на рис. 8.1, гексагональные ячейки группируются по 7 (центральная и 6 ее соседей). Имея 666 каналов, можно выделить три набора по 31 каналу для каждой ячейки.

В случае возникновения необходимости увеличения числа каналов, для этого достаточно уменьшить размер ячейки – число ячеек увеличится и, как следствие, увеличится число каналов на единицу площади. Это утверждение справедливо для всех систем мобильной связи. В хорошо спланированной сети плотность ячеек пропорциональна плотности пользователей.

AMPS для разделения каналов применяет метод мультиплексирования по частоте. Каждый канал AMPS может использоваться для аналоговых и цифровых коммуникаций.

Каждый мобильный телефон в AMPS имеет 32-битовый серийный номер и телефонный номер, характеризуемый 10 цифрами. Телефонный номер представляется как код зоны (3 десятичные цифры) и номер подписчика (7 десятичных цифр). Когда телефон включается, он сканирует список из 21 управляющих каналов и находит тот, у которого наиболее мощный сигнал. Управляющая информация передается в цифровой форме, хотя сам голосовой сигнал является аналоговым. При нормальной работе мобильный телефон перерегистрируется в MTSO каждые 15 мин.

При осуществлении вызова пользователь набирает номер телефона и нажимает кнопку send. Аппарат посылает набранный номер и свой идентификационный код. Базовая станция принимает вызов и передает его MTSO. Если звонящий является клиентом MTSO или ее партнером, отыскивается свободный канал и мобильный телефон переключается на него, ожидая, когда адресат снимет трубку.

В режиме приема аппарат постоянно прослушивает канал пейджинга, чтобы обнаружить обращенный к нему вызов. Осуществляется обмен командными сообщениями с MTSO, после чего раздается звонок вызова.

Аналоговые сотовые телефоны не обеспечивают конфиденциальности. С помощью широкополосного сканера можно зафиксировать вызов и осуществить прослушивание. Другим недостатком является возможность кражи эфирного времени. Вседиапазонный приемник, подключенный к ЭВМ, может записать 32-битовый серийный номер и 34-битовый телефонный номер всех телефонов, работающих поблизости. Собрав такие данные, вор может по очереди пользоваться любым из перехваченных номеров.

AMPS базируется на аналоговой модуляции, существует еще полдюжины аналогичных не стыкуемых друг с другом систем. В последнее время аналоговая модуляция повсеместно вытесняется цифровой.

В Европе принят единый стандарт для систем мобильной связи GSM (Group Special Mobile, второе поколение мобильных средств связи; действует в более чем 50 странах). GSM использует диапазоны 900 и 1800 МГц. Это довольно сложный стандарт, его описание занимает около 5000 страниц. Идеологически система имеет много общего с ISDN (например, переадресацию вызовов). GSM имеет 200 полнодуплексных каналов на ячейку, с полосой частот 200 кГц, что позволяет ей обеспечить пропускную способность 270,833 бит/с на канал. Каждый из 124 частотных каналов делится в GSM между восемью пользователями (мультиплексирование по времени). Теоретически в каждой ячейке может существовать 992 канала, на практике многие из них недоступны из-за интерференции с соседними ячейками.

Рис. 8.3. Частотные каналы GSM

Восемь выделенных на рис. 8.3 доменов соответствуют одному и тому же каналу (клиенту принадлежит канал 2). Четыре из них служат для связи клиента с базой, а 4 другие — для связи базы с клиентом. Если мобильной станции выделена частота 890.4.935.4 и домен 2 желает что-то передать базовой станции, будут задействованы нижние 4 (затененные на рисунке) домена. В них будут помещаться данные до тех пор, пока вся информация не будет передана.

Система мультиплексирования по времени имеет специфическую, иерархическую структуру. Отдельные временные домены объединяются в мультифреймы. Упрощенная схема структуры показана на рис. 8.4.

Каждый временной домен (TDM) содержит 148-битовый кадр данных, начинающийся и завершающийся последовательностью из трех нулей. Кадр имеет два 57-битовых поля данных, каждое из них имеет специальный бит, который указывает на то, что лежит в кадре — голос или данные. Между информационными полями размещается поле синхронизации (Sync). Хотя информационный кадр имеет длительность 547 мксек, передатчику позволено передавать его лишь раз в 4615 мксек, так как остальное время зарезервировано для передачи другими станциями. Если исключить накладные расходы каждому соединению выделена полоса (без учета сжатия данных) 9,600 бит/с.

Восемь информационных кадров образуют TDM-кадр, а 26 TDM-кадров объединяются в 128-микросекундный мультифрейм. Как видно из рисунка 8.4, позиция 12 в мультифрейме занята для целей управления, а 25-я зарезервирована для будущих применений.

Существует также стандарт на 51-позиционный мультифрейм, содержащий больше управляющих вставок. Управляющий канал используется для регистрации, актуализации положения и формирования соединения. Каждая станция поддерживает базу данных, где хранится информация обо всех обслуживаемых в данный момент клиентах. Общий управляющий канал делится на три субканала. Первый служит для обслуживания вызовов (paging channel), второй (random access channel) реализует произвольный доступ в рамках системы ALOHA (устанавливаются параметры вызова). Третий субканал используется для предоставления доступа (access grant channel).

Рис. 8.4. Структура кадров в GSM

Алгоритмы обслуживания мобильной связи достаточно нетривиальны. Из рисунка 8.1 видно, что области перекрываются (иначе бы существовали "мертвые" зоны без связи). Существуют даже субобласти, накрываемые тремя MSC. По этой причине процедура должна четко определить, с каким из MSC клиент должен быть связан и при каких условиях его следует переключить на соседний MSC, не прерывая связи. Система должна также компенсировать падение сигнала, иногда достаточно резкое, чтобы обеспечить комфортную связь и безошибочную передачу информации. По этой причине частота ошибок ( BER ) в таких сетях составляет 10^-3 (против 10^-6 для обычных стационарных цифровых каналов связи).

Следует иметь в виду, что в условиях города сигнал падает пропорционально не квадрату, а четвертой степени расстояния.

На распространение радиоволн в городе влияют ориентация улиц (до 20 дБ), туннели (до 30 дБ) и листва деревьев в сельской местности (до 18 дБ).