Смежные базовые станции, использующие различные частотные каналы, обра­зуют группу из станций. Если каждой базовой станции выделяется набор из m каналов с шириной полосы FK каждого, то общая ширина полосы F , занимае­мая данной системой сотовой связи, составит Fc = FK m С.

Таким образом, величина С определяет минимально возможное количество ка­налов в системе, и поэтому ее называют частотным параметром системы или коэффициентом повторения частот. Коэффициент Сне зависит от количества используемых каналов и увеличивается по мере уменьшения радиуса ячейки. Таким образом, при использовании сот меньших размеров можно увеличить повторяемость частот.

Применение шестиугольных сот позволяет минимизировать ширину использу­емой полосы частот, поскольку такая форма обеспечивает оптимальное соотно­шение между значениями Си D. Кроме того, шестиугольная форма наилучшим образом вписывается в круговую диаграмму направленности антенны базовой станции, установленной в центре соты.

Остановимся более подробно на вопросе выбора размера R соты. Этот размер определяет защитный интервал D между сотами, в которых одни и те же частоты могут быть использованы повторно. Заметим, что значение защитного интерва­ла Д кроме уже перечисленных факторов, зависит также от допустимого уровня помех и условий распространения радиоволн. Поскольку интенсивность вызо­вов в пределах всей зоны обслуживания примерно одинакова, то соты выбира­ются одного размера. Размер R определяет также количество абонентов N, спо­собных одновременно вести переговоры на всей территории обслуживания. Следовательно, уменьшение этого размера позволяет не только повысить эф­фективность использования выделенной полосы частот и увеличить абонент­скую емкость системы, но и уменьшить мощность передатчиков и чувствитель­ность приемников базовых и подвижных станций. Это, в свою очередь, улучшает условия электромагнитной совместимости средств сотовой связи с другими ра­диоэлектронными средствами и системами.

Эффективным способом снижения уровня помех может быть использование секторных антенн с узкими диаграммами направленности. В секторе такой уз­конаправленной антенны сигнал излучается преимущественно в одну сторону, а уровень излучения в противоположном направлении сокращается до миниму­ма. Деление сот на секторы позволяет чаще применять частоты в сотах повтор­но. Общеизвестный способ повторного использования частот в организованных таким образом сотах основан на применении 3-секторных антенн для каждой базовой станции и трех соседних базовых станций с формированием ими девяти групп частот (рис. 2.6). В этом случае используются антенны с шириной диаг­раммы направленности 120°.

Самую высокую эффективность использования выделенной полосы частот и, следовательно, наибольшее количество абонентов сети, работающих в этой по­лосе, обеспечивает разработанный фирмой Motorola (США) способ повторного использования частот, при котором задействуются две базовые станции. При реализации этого способа каждая частота используется дважды в пределах кластера, состоящего из 4 сот (рис. 2.7); базовая станция каждой из них может работать на 12-ти частотах, используя антенны с диаграммой направленности шириной 60°.

2 Система стандарта GSM

2.1 Общие характеристики

В целом, система стандарта GSM рассчитана на использование в коммерческой сфере. Она предоставляет пользователям широкий спектр услуг и возможность применения разнообразного оборудования для передачи речевых сообщений и данных, сигналов вызова и аварийных сигналов, а также возможность подклю­чения к телефонным сетям общего пользования, сетям передачи данных и циф­ровым сетям с интеграцией служб.

При создании этого стандарта и сетей сотовой связи на его основе было приня­то согласованное решение о поэтапном развитии услуг, предоставляемых або­нентам. Начальный этап — «Фаза 1» — фактически совпал с вводом в строй в 1991 г. первых сетей GSM. В число услуг этого этапа входят:

- Переадресация вызова (Callforwarding)

- Запрет вызова (Callbarring)

- Ожидание вызова (Callwating)

- Удержание вызова (Callholding)

- Глобальный роуминг (Globalroaming).

Переадресация вызова дает возможность перевода входящих вызовов на другой телефонный номер в тех случаях, когда номер занят или абонент не отвечает, когда телефон выключен или находится вне зоны обслуживания сети и т. п. Кроме того, возможна переадресация факсов и компьютерных данных.

Запрет вызова позволяет наложить запрет на все входящие/исходящие звонки, запрет на исходящие международные звонки, запрет на входящие звонки — за исключением внутрисетевых.

Ожидание вызова позволяет принять входящий вызов в тот момент, когда вы с кем-то разговариваете. При этом первый абонент или по-прежнему будет нахо­диться на связи, или разговор с ним может быть завершен.

Удержание вызова — позволяет, не разрывая связь с одним абонентом, позво­нить (или ответить на входящий вызов) другому абоненту.

Глобальный роуминг дает возможность при посещении любой из стран, с которой ваш оператор подписал соответствующее соглашение, пользоваться своим со­товым телефоном GSM без изменения номера.

По мере развития технологии сотовых сетей абонентам предлагались и другие услуги. Второй этап развития GSM — «Фаза 2» — завершился в 1997 году и наря­ду с услугами этапа «Фаза 1» предоставил абонентам такие услуги:

- Определение номера вызывающей линии (Calling Line Identification Pre­sentation)

- Антиопределитель номера (Calling Line Identification Restriction)

- Групповой вызов (Mutti party)

- Создание закрытой группы (Closed User Group)

- Информация о стоимости разговора

- Совет по оплате (Advice of Charge)

-Обслуживание дополнительной линии (Alternative Line Service)

- Прием коротких текстовых сообщений (Short Message Service)

- Система голосовых сообщений (Voice mail)

Определение номера вызывающей линии позволяет при входящем вызове высве­чивать на экране телефона номер вызывающего абонента.

Антиопределитель номера позволяет запретить определение собственного номе­ра при соединении с другим абонентом.

Групповой вызов позволяет организовать режим телеконференции или конфе-ренц-связи, объединяя до пяти абонентов в группу, и вести переговоры между всеми членами группы одновременно.

Создание закрытой группы (до десяти абонентов) позволяет создавать группу пользователей, члены которой могут связываться только между собой. Чаще всего к этой услуге прибегают компании, предоставляющие терминалы своим служа­щим для работы.

Информация о стоимости разговора основана на использовании таймера, кото­рый определяет время занятости линии, и счетчика вызовов. Благодаря этой ус­луге можно проверять оставшийся на счете кредит.

Совет по оплате — позволяет по требованию пользователя производить проверку стоимости и длительности разговора в то время, когда телефон находится на связи.

Обслуживание дополнительной линии дает возможность пользователю приобрес­ти два номера, которые будут приписаны к одному телефону. В этом случае связь выполняется по двум линиям с предоставлением двух счетов, двух голосовых ящиков и т. п.

Прием коротких текстовых сообщений (SMS) дает возможность приема и пере­дачи сообщений до 160 знаков.

Система голосовых сообщении позволяет автоматически переводить входящие звонки на персональный автоответчик (голосовая почта). Пользоваться этим можно только в том случае, если у абонента активирована услуга «Переадреса­ция вызова».

Следующий этап развития сетей стандарта GSM, получивший название «Фаза 2+», не связан с конкретным годом внедрения. Новые услуги и функции стан­дартизируются и будут внедрены сразу после подготовки и утверждения их тех­нических описаний. Все работы по этапу «Фаза 2+» проводились Европейским институтом стандартизации электросвязи (ETSI). Количество уже внедренных и находящихся в стадии утверждения услуг превышает 50. Среди них можно выделить следующие:

- Улучшенное программное обеспечение SIM-карты

- Улучшенное полноскоростное кодирование речи EFR (Enhanced Full Rate)

- Возможность взаимодействия между системами стандартов GSM и DECT

- Повышение скорости передачи данных за счет пакетной передачи данных GPRS (General Packet Radio Service) или за счет системы передачи данных по коммутируемым каналам HSCSD (High Speed Circuit Switched Data)

По сравнению с другими широко распространенными цифровыми стандартами GSM обеспечивает лучшие энергетические характеристики, более высокое ка­чество, безопасность и конфиденциальность связи. Приемлемое качество при­нимаемых речевых сообщений в стандарте GSM обеспечивается при отноше­нии «сигнал/шум» на входе приемника, равном 9 дБ (для стандарта D-AMPS, например, это отношение составляет около 16 дБ), а энергетические затраты в ре­альных каналах связи (при замирании сигналов) на 6—10 дБ ниже по сравнению со стандартом D-AMPS.

Стандарт GSM, кроме того, предоставляет своим пользователям ряд услуг, кото­рые не реализованы (или реализованы не полностью) в других стандартах сото­вой связи. К ним относятся:

- Использование интеллектуальных SIM-карт для обеспечения доступа к ка­налу и услугам связи

- Шифрование передаваемых сообщений

- Закрытый от прослушивания радиоинтерфейс

- Аутентификация абонента и идентификация абонентского оборудования по криптографическим алгоритмам

- Использование служб коротких сообщений, передаваемых по каналам сиг­нализации

- Автоматический роуминг абонентов GSM в национальном и международ­ном масштабах

- Межсетевой роуминг абонентов GSM с абонентами сетей стандартов DCS1800, PCS1900, DECT, а также со спутниковыми сетями персональной радиосвязи (Globalstar, Inmarsat-P, Iridium)

В соответствии с Рекомендацией СЕРТ 1980 г., касающейся использования час­тот подвижной связи в диапазоне 862—960 МГц, стандарт GSM цифровой обще­европейской сотовой системы наземной подвижной связи предусматривает ра­боту передатчиков в двух диапазонах частот. Диапазон частот 890—915 МГц используется для передачи сообщений с подвижной станции на базовую, а диа­пазон 935—960 МГц — для передачи сообщений с базовой станции на подвиж­ную. Причем при переключении каналов во время сеанса связи разность между этими частотами постоянна и равна 45 МГц.

Разнос частот между соседними каналами связи составляет 200 кГц. Таким об­разом, в отведенной для приема/передачи полосе частот шириной 25 МГц раз­мещаются 124 канала связи.

В стандарте GSM используется многостанционный доступ с временным разде­лением (уплотнением каналов — ТОМА), что позволяет на одной несущей час­тоте разместить 8 речевых каналов одновременно. В качестве речепреобразую-щего устройства используется речевой кодек RPE-LTP с регулярным импульсным возбуждением и скоростью преобразования речи 13 Кбит/с.

Обработка речи в данном стандарте осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи DTX (Discontinuous Transmission), которая обеспечи­вает включение передатчика только тогда, когда пользователь начинает разго­вор и отключает его в паузах и в конце разговора (рис. 2.38). Система DTX уп­равляет детектором активности речи VAD, который обеспечивает обнаружение и выделение интервалов речи с шумом и шума без речи даже в тех случаях, когда уровень шума соизмерим с уровнем речи.

Для защиты от ошибок, возникающих в радиоканалах, применяется блочное и сверточное кодирование с перемежением. Повышение эффективности кодиро­вания и перемежения при малой скорости перемещения подвижных станций достигается медленным переключением рабочих частот в процессе сеанса связи (со скоростью 217 скачков в секунду).

Для борьбы с интерференционными замираниями принимаемых сигналов, выз­ванными многолучевым распространением радиоволн в условиях города, в аппаратуре связи используются эквалайзеры, обеспечивающие выравнивание им­пульсных сигналов со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16 мкс. Система синхронизации оборудования рассчитана на компенсацию (до 233 мкс) абсолютного времени задержки сигналов. Это соответствует макси­мальной дальности связи 35 км (максимальный размер соты). Для модуляции радиосигнала применяется спектрально-эффективная гауссовкая частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Ма­нипуляция называется так потому, что последовательность информационных битов до модулятора проходит через фильтр нижних частот с гауссовской амплитудно-частотной характеристикой, что дает значительное уменьшение шири­ны полосы частот излучаемого сигнала. Формирование GMSK-сигнала проис­ходит таким образом, что на интервале, соответствующем одному биту, фаза несущей частоты изменяется на 90°. Это наименьшее изменение фазы, которое может быть обнаружено при данном типе манипуляции. Выходной сигнал с не­прерывным изменением фазы аналогичен сигналу, полученному в результате частотной модуляции с дискретным изменением частоты. Принцип формиро­вания GMSK-сигнала представлен на рис. 2.39.

В стандарте GSM используется модуляция с нормированной полосой ВТ = 0,3, где В — ширина полосы фильтра по уровню -3 дБ; Т — длительность передачи одного бита.

Основой формирователя GMSK-сигнала является I/Q-модулятор, который состоит из двух умножителей и одного сумматора.

Модуляцию GMSK характеризуют следующие свойства:

- Постоянная по уровню огибающая, позволяющая использовать передающие устройства с усилителями мощности класса С

- Узкий спектр на выходе усилителя мощности передающего устройства, обес­печивающий низкий уровень внеполосного излучения

- Хорошая помехоустойчивость канала связи

Каждый подвижный абонент на время пользования системой GSM сотовой связи по­лучает стандартный модуль подлинности абонента — SIM-карту, которая содер­жит: международный идентификационный номер абонанта (IMSI), индивиду­альный ключ аутентификации (К/), алгоритм аутентификации (A3). С помощью этой информации, в результате взаимного обмена данными между подвижной станцией и сетью, осуществляется полный цикл аутентификации и разрешается доступ абонента к сети.

SIM-карта (Subscriber Identification Module) представляет собой пластиковую смарт-карту с чипом, на котором содержится информация, которая иденти­фицирует уникального абонента в сотовой сети. Кроме того, Ha SIM-карте находится различная информация, например, записная книжка с теле­фонами (количество зависит от конкретного оператора и карты; обычно это — 100 номеров). Без SIM-карты телефон можно использовать только для экст­ренных звонков — таких, как вызов милиции и скорой помощи. Размеры кар­ты 25x15 мм, толщина 1 мм. Карта программируется сотовым оператором и име­ет свой номер, который для пользователя не представляет почти никакого интереса. Важны только те коды, которые даются с SIM-картой: PIN-код и PUK-код.

PIN-код (Personal Identity Number) — персональный идентификационный номер. После того как SIM-карта вставлена в телефон и включено питание, на дисплее любого телефона появится сообщение: «Введите пин—код». После этого у пользователя есть три попытки для правильного ввода идентификационного номера. Если этот номер не введен с трех попыток, то SIM-карта телефона будет заблокирована. Разблокировать SIM-карту можно, лишь зная PUK-код. PIN-код рекомендуется выучить наизусть!

PUK-код (Personal Unlock Key) — персональный ключ разблокировки. При бло­кировке SIM-карты телефона ее можно разблокировать только вводом PUK-кода, на это у пользователя есть десять попыток, после чего, если код все время вво­дился неправильно, SIM-карта блокируется полностью. Чтобы разблокировать ее после этого, придется обратиться к оператору сотовой сети.

Процедура проверки подлинности абонента реализуется следующим образом. Сеть передает на подвижную станцию некоторое случайное число (RAND). В аппаратуре сотового радиотелефона с помощью индивидуального ключа К/и алгоритма A3 производится преобразование полученного числа (пу­тем математических вычислений) и вычисляется результат (SRES), т. е. новое число. Это число подвижная станция посылает обратно в сеть, которая сравни­вает его с числом, определенным непосредственно сетью. Если оба числа совпа­дают — то подвижная станция получает доступ к сети. В противном случае связь прерывается, и индикатор подвижной станции показывает, что идентификация (опознавание абонента) не состоялось. Для обеспечения секретности вычисле­ние отклика происходит скрытно (SIM-картой).

Центр управления и обслуживания (ОМС) обеспечивает распределение функ­ций и организацию взаимодействия между центром коммуникации (MSC) и под­системой базовых станций (BSS). Его функции совпадают с функциями центра управления и обслуживания в обычных сетях связи. Различие заключается лишь в том, что в сетях стандарта GSM центр ОМС обеспечивает управление работой радио-подсистемы.

Характеристики стандарта GSM, принятая функциональная схема сетей связи и совокупность интерфейсов обеспечивают высокое качество связи, совмести­мость с существующими и перспективными информационными сетями и пре­доставление абонентам широкого спектра услуг.

В результате анализа различных вариантов построения цифровых сотовых сис­тем подвижной связи в стандарте GSM принят многостанционный доступ с вре­менным разделением каналов — TDMA (Time Division Multiple Access).

В общем виде процесс передачи сигнала выглядит следующим образом. Снача­ла осуществляется преобразование аналогового речевого сигнала в цифровую последовательность, которая подвергается шифрованию и кодированию, что необходимо для защиты информации от ошибок в процессе передачи и приема. Для этого используются:

- Блочное кодирование — для быстрого обнаружения ошибок при приеме

- Сверточное кодирование — для исправления одиночных ошибок

- Перемежение — для преобразования пакетов ошибок в одиночные ошибки

3 Функциональные возможности сотовых телефонов

3.1 Технология доступа WAP

В середине 1997 года компании Motorola, Nokia, Ericsson и Phone.com объеди­нили свои усилия для разработки и внедрения технологий доступа WAP, пыта­ясь создать средства доставки информации из Internet на мобильные устройства. Что удивительно, это им удалось! WAP (Wireless Application Protocol) — протокол беспроводных приложений — яв­ляется одной из наиболее обсуждаемых технологий в мире мобильной связи, поскольку эта технология является первым практическим шагом на пути объе­динения сотовой связи и глобальных компьютерных сетей, первой попыткой создать открытый стандарт для беспроводной передачи данных вне зависимос­ти от поставщика как телефона, так и услуг и способа связи.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6