История становления и развития, принципы построения системы сотовой связи

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Сотовая связь - это общедоступная (если не считать цены) телефонная связь, рассчитанная на обслуживание подвижных абонентов, предоставляющая все виды услуг обычной телефонной связи. Для передачи информации используется радиоканал, т.е. сотовая связь является радиотелефонной связью, а в ее названии иногда используются словосочетания типа «подвижная (или мобильная) радиотелефонная связь». В короткой истории сотовой связи - от идеи, высказанной в 1971 г., и первой опытной системы 1978 г. до применения практически во всех странах мира сегодня - небезынтересен сам феномен ее чрезвычайно быстрого развития и распространения, бурно продолжающегося в настоящее время.

1. Основные даты

Сотовая связь еще очень молода - ее идея была предложена в 1971 г, в США как ответ на насущную необходимость развития широкой сети подвижной радиотелефонной связи в условиях жестких ограничений на доступные полосы частот. Однако этому революционному скачку предшествовал 50-летний период эволюционного развития, в течение которого осваивались различные частотные диапазоны и совершенствовалась техника связи.

В 1974 г. Федеральная комиссия связи США приняла решение о выделении для сотовой связи полосы частот в 40 МГц в диапазоне 800 МГц; в 1986 г. к ней было добавлено еще 10 МГц в том же диапазоне. В 1978 г, в Чикаго начались испытания первой опытной системы сотовой связи на 2 тысячи абонентов. Поэтому 1978 год можно считать годом начала практического применения сотовой связи. Первая автоматическая коммерческая система сотовой связи была введена в эксплуатацию также в Чикаго в октябре 1983 г. компанией American Telephone and Telegraph (AT&T). В Канаде сотовая связь используется с 1978 г., в Японии - с 1979 г., в Скандинавских странах (Дания, Норвегия, Швеция, Финляндия) - с 1981 г., в Испании и Англии - с 1982 г. По состоянию на июль 1997 г. сотовая связь работала более чем в 140 странах всех континентов, обслуживая более 150 млн. абонентов. В России сотовая связь начала внедряться с 1990 г., коммерческое использование - с 1991 г., к июлю 1997 г. число абонентов составило около 300 тысяч.

2, Три поколения сотовой связи

Несмотря на то, что история сотовой связи насчитывает лишь немногим более 25 лет, за этот период с ней успели произойти довольно существенные изменения, которые продолжаются и сей день. В связи с этим принято говорить о трех поколениях систем сотовой связи:

- первое поколение - аналоговые системы, ныне ушедшие в прошлое;

- второе поколение - цифровые системы сегодняшнего дня, понемногу уходящие в прошлое;

- третье поколение - универсальные системы мобильной связи.

Все первые стандарты сотовой связи были аналоговыми. К ним относятся:

- AMPS - усовершенствованная мобильная телефонная служба, диапазон 800 МГц, стандарт получил распространение в США, Канаде, Центральной и Южной Америке и Австралии;

- TACS - общедоступная система связи, диапазон 900 МГц, использовалась в Англии, Италии, Испании, Австрии, Ирландии и Японии;

- NMT 450 и NMT 900 - скандинавский стандарт сотовой связи диапазоны 450 и 900, был распространён в скандинавских странах и странах среднего востока;

- С-450 (диапазон 450 МГц) - сети этого стандарта функционировали Германии и Португалии;

- RTMS - мобильная радиотелефонная система, диапазон 450 МГц, использовалась в Италии;

- Radiocom 2000 (диапазоны 170, 200, 400 МГц), стандарт был распространён во Франции;

- NTT - японская система телефонии и телеграфа, диапазон 800...900 МГц; использовалась в Японии.

Во всех аналоговых стандартах применяются частотная модуляция для передачи речи и частотная манипуляция для передачи информации управления (или сигнализации). Для передачи информации различных каналов используются различные участки спектра частот - применяется метод множественного доступа с частотным разделением каналов (FDMA), с полосами каналов в различных стандартах от 12,5 до 30 кГц. С этим непосредственно связан основной недостаток аналоговых систем - относительно низкая емкость, являющаяся прямым следствием недостаточно рационального использования выделенной полосы частот при частотном разделении каналов. Этот недостаток стал очевиден уже к середине 80-х годов, в самом начале широкого распространения сотовой связи в ведущих странах, и сразу же значительные силы были направлены на поиск более совершенных технических решений. В результате этих усилий и поисков появились цифровые сотовые системы второго поколения. Переход к цифровым системам сотовой связи стимулировался также широким внедрением цифровой техники в связь в целом и в значительной степени был обеспечен разработкой низкоскоростных методов кодирования и появлением сверхминиатюрных интегральных схем для цифровой обработки сигналов.

В США аналоговый стандарт AMPS получил столь широкое распространение, что прямая замена его цифровым оказалась практически невозможной. Выход был найден в разработке двухрежимной аналого-цифровой системы, получившей наименование D-AMPS. В Европе ситуация осложнялась наличием множества несовместимых аналоговых систем. Здесь выходом оказалась разработка единого общеевропейского стандарта GSM (GSM 900 - диапазон 900 МГц). Соответствующая работа была начата в 1982 г., к 1987 г. были определены все основные характеристики системы, а в 1988 г. приняты основные документы стандарта. Практическое применение стандарта началось с 1991 г. Ещё один вариант цифрового стандарта, по техническим характеристикам схожий с D-AMPS, был разработан в Японии в 1993 г.; первоначально он назывался JDC, а с 1994 г, - PDC (персональная цифровая сотовая связь).

Стандарт GSM, продолжал совершенствоваться технически (последовательно вводимые фазы 1, 2 и 2+), в 1989 г. пошел на освоение нового частотного диапазона 1800 МГц. Это направление известно под названием системы персональной связи. Отличие последней от исходной системы GSM 900 не столько техническое, сколько маркетинговое при технической поддержке: более широкая рабочая полоса частот в сочетании с меньшими размерами ячеек (сот) позволяет строить сотовые сети значительно большей емкости, и именно расчет на массовую систему мобильной связи с относительно компактными, легкими, удобными и недорогими абонентскими терминалами был заложен в основу этой системы. Соответствующий стандарт (в виде дополнений к исходному стандарту GSM 900) был разработан в Европе в 1990 - 1991 гг. Система получила название DCS 1800 (цифровая система сотовой связи) и начала использоваться с 1993 г. В 1996 г. было принято решение именовать её GSM 1800. В США диапазон 1800 МГц оказался занят другими пользователями, но была выделена полоса частот в диапазоне 1900 МГц, получившая в итоге название «американский» GSM 1900.

Все перечисленные выше цифровые системы второго поколения основаны на методе множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA). Однако в 1992 - 1993 гг. в США был разработан стандарт системы сотовой связи на основе метода множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA). Он начал применяться с 1995 в Гонконге, США, Южной Корее.

Таким образом, основными цифровыми стандартами сотовой связи можно считать следующие:

- GSM (глобальная система мобильной связи, диапазоны 900, 1800 и 1900 МГц);

- D-AMPS (цифровой AMPS; диапазоны 800 МГц и 1900 МГц);

- CDMA (стандарт сотовой связи с множественный доступом с кодовым разделением каналов, диапазоны 800 и 1900 МГц).

3. Принципы построения и технические проблемы систем сотовой связи

Функциональная схема.

Система сотовой связи строится в виде совокупности ячеек, или сот, покрывающих обслуживаемую территорию, например, территорию города с пригородами. Ячейки обычно схематически изображают в виде равновеликих правильных шестиугольников (рисунок 1), что по сходству с пчелиными сотами и послужило поводом назвать систему сотовой. Ячеечная, или сотовая, структура системы непосредственно связана с принципом повторного использования частот - основным принципом сотовой системы, определяющим эффективное использование выделенного частотного диапазона и высокую емкость системы.

В центре каждой ячейки находится базовая станция, обслуживающая все подвижные станции (абонентские радиотелефонные аппараты) в пределах своей ячейки. При перемещении абонента из одной ячейки в другую происходит передача его обслуживания от одной базовой станции к другой. Все базовые станции системы, в свою очередь, замыкаются на центр коммутации (ЦК), с которого имеется выход во Взаимоувязанную сеть связи (ВСС) России, в частности, если дело происходит в городе, - выход в обычную городскую сеть проводной телефонной связи.

Рисунок 1

Рисунок 1 иллюстрирует упрощённую функциональную схему, соответствующую описанной структуре системы. В действительности ячейки никогда не бывают строгой геометрической формы. Реальные границы ячеек имеют вид неправильных кривых, зависящих от условий распространения и затухания радиоволн, т.е. от рельефа местности, характера и плотности растительности и застройки и тому подобных факторов. Более того, границы ячеек вообще не являются четко определенными, так как рубеж передачи обслуживания подвижной станции из одной ячейки в соседнюю может в некоторых пределах смещаться с изменением условий распространения радиоволн и в зависимости от направления движения подвижной станции. Точно так же и положение базовой станции лишь приближенно совпадает с центром ячейки, который к тому же не так просто определить однозначно, если ячейка имеет неправильную форму. Если же на базовых станциях используются направленные (не изотропные в горизонтальной плоскости) антенны, то базовые станции фактически оказываются на границах ячеек.

Рисунок 2

Система сотовой связи может включать более одного центра коммутации, что может быть обусловлено, в частности, эволюцией развития системы или ограниченностью емкости коммутатора. Возможна, например, структура системы типа показанной на рисунке 2 - с несколькими центрами коммутации, один из которых условно можно назвать «головным» или «ведущим».

Центр коммутации выполняет функции коммутации для мобильной связи. Данный центр контролирует все входящие и исходящие вызовы, поступающие из других телефонных сетей и сетей передачи данных. К данным сетям можно отнести стационарную телефонную сеть, сеть ISDN, сети данных общего пользования, корпоративные сети, а также сети мобильной связи других операторов. Функции проверки подлинности абонентов также выполняются в ЦК. ЦК обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами. На ЦК возлагаются функции коммутации радиоканалов. К ним относятся передача обслуживания, в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении мобильной станции из соты в соту, и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностях.

Рисунок 3

сотовый частотный модуляция кодовый

ЦК формирует данные, необходимые для выписки счетов за предоставленные сетью услуги связи, накапливает данные по состоявшимся разговорам и передаёт их в центр расчётов (биллинг-центр). ЦК составляет также статистические данные, необходимые для контроля работы и оптимизации сети. ЦК не только участвует в управлении вызовами, но также управляет процедурами регистрации местоположения и передачи управления.

Блок-схема ЦК представлена на рисунке 3. Коммутатор осуществляет переключение потоков информации между соответствующими линиями связи. Коммутатор подключается к линиям связи через соответствующие контроллеры связи, осуществляющие промежуточную обработку (упаковку/распаковку, буферное хранение) потоков информации. Общее управление работой ЦК и системы в целом производится от центрального контроллера, который имеет мощное математическое обеспечение, включающее перепрограммируемую часть. Работа ЦК предполагает активное участие операторов, поэтому в состав центра входят соответствующие терминалы, а также средства отображения и регистрации (документирования) информации. В частности, оператором вводятся данные об абонентах и условиях их обслуживания, исходные данные по режимам работы системы, в необходимых случаях оператор выдает требующиеся по ходу работы команды.

Важными элементами системы являются базы данных - домашний регистр, гостевой регистр, центр аутентификации, регистр аппаратуры (последний имеется не во всех системах).

Домашний регистр (домашний регистр местоположения, HLR) содержит сведения обо всех абонентах, зарегистрированных в данной системе, и о видах услуг, которые могут быть им оказаны (при заключении договора на обслуживание для разных абонентов может быть предусмотрено, вообще говоря, оказание различных наборов услуг). Здесь же фиксируется местоположение абонента для организации его вызова и регистрируются фактически оказанные услуги.

Гостевой регистр (гостевой регистр местоположения, VLR) содержит примерно такие же сведения об абонентах-гостях, т.е. об абонентах, зарегистрированных в другой системе, но пользующихся в настоящее время услугами сотовой связи в данной системе.

Центр аутентификации (АUС) обеспечивает процедуры аутентификации абонентов и шифрования сообщений.

Регистр аппаратуры (регистр идентификации аппаратуры EIR), если он существует, содержит сведения об эксплуатируемых подвижных станциях на предмет их исправности и санкционированного использования. В частности, в нем могут отмечаться украденные абонентские аппараты, а также аппараты, имеющие технические дефекты, например являющиеся источниками помех недопустимо высокого уровня.

Размещено на Allbest.ru