Сотовые системы подвижной связи

Сотовые системы подвижной связи

Работа посвящена  сотовым системам подвижной связи. В настоящее время широко используется стандарт CDMA. В данной работе основной упор делается на рассмотрение этого  стандарта. Описываются принципы функционирования сетей стандарта CDMA.

Введение

Связь - одна из наиболее динамично развивающихся отраслей инфраструктуры современного общества. Этому способствуют постоянный рост спроса на услуги связи и информацию, а также достижения научно-технического прогресса в области электроники, волоконной оптики и вычислительной техники. В настоящее время во многих странах ведется интенсивное внедрение сотовых сетей подвижной связи (СПС), сетей персонального радиовызова и систем спутниковой связи. В активно разрабатываемой МСЭ концепции универсальной персональной связи большое место отводится СПС. Такие сети предназначены для передачи данных (ПД) и обеспечения подвижных и стационарных объектов телефонной связью. Передача данных подвижному абоненту резко расширяет его возможности, поскольку, кроме телефонных, он может принимать телексные и факсимильные сообщения, различного рода графическую информацию и многое другое. Увеличение объема информации потребует сокращения времени ее передачи и получения. Поэтому сейчас наблюдается устойчивый рост производства мобильных средств радиосвязи (пейджеров, сотовых радиотелефонов, спутниковых пользовательских терминалов).

Подвижная связь  позволяет абоненту получать услуги связи в любой точке в пределах зон действия наземных или спутниковых  сетей; благодаря прогрессу в  технологии производства средств связи созданы малогабаритные универсальные абонентские терминалы (AT), сопрягаемые с персональным компьютером (ПК) и имеющие интерфейсы для подключения к СПС всех действующих стандартов. Сети подвижной связи можно разделить на следующие классы: сети сотовой подвижной связи (ССПС); сети транкинговой связи (СТС); сети персонального радиовызова (СПР); сети персональной спутниковой (мобильной) связи.

Сети подвижной  связи созданы с целью максимального удовлетворения на современном мировом уровне потребностей абонентов в услугах связи с возможностью выхода в телефонную сеть общего пользования (ТфОП).

Среди современных  телекоммуникационных средств наиболее стремительно развиваются сети сотовой  радиотелефонной связи. Их внедрение  позволило решить проблему экономичного использования выделенной полосы радиочастот  путем передачи сообщений на одних  и тех же частотах и увеличить  пропускную способность телекоммуникационных сетей. Свое название сети сотовой радиотелефонной  связи получили в соответствии с  сотовым принципом организации  связи, согласно которому зона обслуживания (территория города или региона) делится  на большое число малых рабочих  зон или сот в виде шестиугольников.

Система сотовой  связи - это сложная и гибкая техническая  система, допускающая большое разнообразие по вариантам конфигурации и набору выполняемых функций. Она может  обеспечивать передачу речи и других видов информации, в частности  факсимильных сообщений и компьютерных данных. Для передачи речи, в свою очередь, может быть реализована  обычная двухсторонняя и многосторонняя телефонная связь (конференцсвязь - с  участием в разговоре более двух абонентов одновременно), голосовая  почта. При организации обычного телефонного разговора возможны режимы автодозвона, ожидания вызова, переадресации (условной или безусловной) вызова и другие дополнительные виды обслуживания.

Использование современной  технологии позволяет обеспечить абонентам  таких сетей высокое качество речевых сообщений, надежность и  конфиденциальность связи, миниатюрность  радиотелефонов, защиту от несанкционированного доступа (НСД) в сеть.

Появлению сетей  сотовой подвижной связи (ССПС) предшествовал  долгий период эволюционного развития радиотелефонной системы связи (РСС), в течение которого осваивались  различные частотные диапазоны, и совершенствовалась техника связи. Идея сотовой связи была предложена в ответ на необходимость развития широкой сети подвижной РСС в  условиях ограничений на доступные  полосы частот.

В середине 40-х годов  исследовательский центр Bell Labs американской компании AT&T предложил идею разбиения обслуживаемой территории на небольшие участки, которые стали называться сотами, (cell - ячейка, сота). Каждая сота должна была обслуживаться передатчиком с ограниченным радиусом действия и фиксированной частотой. Это позволило бы без взаимных помех использовать ту же самую частоту повторно в другой ячейке (соте). Но прошло около 30 лет, прежде, чем такой принцип организации связи был реализован на аппаратном уровне.

В 70-х годах начались работы по созданию единого стандарта  сотовой связи для пяти североевропейских  стран - Швеции, Финляндии, Исландии, Дании  и Норвегии, который получил название NMT-450 (Nordic Mobile Telephone) и был предназначен для работы в диапазоне 450 МГц. Эксплуатация первых систем сотовой связи этого стандарта началась в 1981 г. Сети на основе стандарта NMT-450 и его модифицированных версий стали широко использоваться в Австрии, Голландии, Бельгии, Швейцарии, а также в странах Юго-Восточной Азии и Ближнего Востока. На базе этого стандарта в 1985 г. был разработан стандарт NMT-900 диапазона 900 МГц, который позволил расширить функциональные возможности и значительно увеличить абонентскую емкость системы.

В 1983 г. в США вступила в эксплуатацию сеть стандарта AMPS (Advanced Mobile Phone Service). Этот стандарт был разработан в исследовательском центре Bell Laboratories.

В 1985 г. в Великобритании был принят в качестве национального  стандарт TACS (Total Access Communications System), разработанный на основе американского стандарта AMPS. В 1987 г. была расширена его рабочая полоса частот. Новая версия этого стандарта получила название ETACS (Enhanced TACS). Во Франции в 1985 г. был принят стандарт Radiocom-2000.

В конце 80-х годов  приступили к созданию систем сотовой  связи (ССС), основанных на цифровых методах  обработки сигналов. С целью разработки единого европейского стандарта  цифровой сотовой связи для выделенного  в этих целях диапазона 900 МГц  в 1982 г. Европейская Конференция  Администраций Почт и Электросвязи (СЕРТ) создала специальную группу Groupe Special Mobile. Аббревиатура GSM дала название новому стандарту (позднее GSM стали расшифровывать как Global System for Mobile Communications). Результатом работы этой группы стали опубликованные в 1990 г. требования к системе ССС стандарта GSM.

В США в 1990 г. американская Промышленная Ассоциация в области  связи TIA (Tele- communications Industry Association) утвердила национальный стандарт IS-54 цифровой сотовой связи. Этот стандарт более известен под аббревиатурой D-AMPS или ADC. В отличие от Европы, в США не были выделены новые частотные диапазоны, поэтому система должна была работать в полосе частот, общей с обычным AMPS. В то же время американская компания Qualcomm начала разработку нового стандарта сотовой связи, основанного на технологии шумоподобных сигналов и кодовом разделении каналов - CDMA (Code Division Multiple Access).

В 1991 г. в Европе появился стандарт DCS-1800 (Digital Cellular System 1800 МГц), созданный на базе стандарта GSM.

В Японии был разработан собственный стандарт сотовой связи JDC (Japanese Digital Cellular), близкий по своим показателям к стандарту D-AMPS. Стандарт JDC был утвержден в 1991 г. Министерством почт и связи Японии.

В 1993 г. в США Промышленная Ассоциация в области связи (TIA) приняла  стандарт CDMA как внутренний стандарт цифровой сотовой связи, назвав его IS-95. В сентябре 1995 г. в Гонконге была открыта коммерческая эксплуатация первой сети стандарта IS-95.

В 1993 г. в Великобритании вступила в эксплуатацию первая сеть DCS-1800 One-2-One.

Поколения сотовой связи

В развитии ССС можно  выделить три поколениях: аналоговые системы; цифровые системы; универсальные  системы мобильной связи. К аналоговыми ССС относятся следующие стандарты:

• AMPS (усовершенствованная мобильная телефонная служба, диапазон 800 МГц) – широко используется в США, Канаде, Центральной и Южной Америке, Австралии; это наиболее распространенный стандарт в мире; используется в России в качестве регионального стандарта;
• TACS (общедоступная система связи, диапазон 900 МГц) – используется в Англии, Италии, Испании, Австрии, Ирландии, с модификациями ETACS (Англия) и JTACS/NTACS (Япония); это второй по распространенности стандарт среди аналоговых;
• NMT-450 и NMT-900 (мобильный телефон северных стран, диапазоны 450 и 900 МГц соответственно) - используется в Скандинавии и во многих других странах; третий по распространенности среди аналоговых стандартов мира; стандарт NMT-450 является одним из двух стандартов сотовой связи, принятых в России в качестве федеральных;
• С-450 (диапазон 450 МГц) - используется в Германии и Португалии;
• RTMS (Radio Telephone Mobile System - мобильная радиотелефонная система, диапазон 450 МГц) - используется в Италии;
• Radiocom 2000 (диапазоны 170, 200, 400 МГц) - используется во Франции;
• NTT (Nippon Telephone and Telegraph system - японская система телефона и телеграфа, диапазон 800-900 МГц) - используется в Японии.

Характеристики  ССС основных аналоговых стандартов представлены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики аналоговых стандартов сотовой связи

Во всех аналоговых стандартах применяется частотная (ЧМ) или фазовая (ФМ) модуляция для  передачи речи и частотная манипуляция  для передачи информации управления. Этот способ имеет ряд существенных недостатков: возможность прослушивания  разговоров другими абонентами, отсутствие эффективных методов борьбы с  замираниями сигналов под влиянием окружающего ландшафта и зданий или вследствие передвижения абонентов. Для передачи информации различных  каналов используются различные  участки спектра частот - применяется  метод множественного доступа с  частотным разделением каналов (Frequency Division Multiple Access - 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 следствием недостаточно рационального использования выделенной полосы частот при частотном разделении каналов.

Перечисленные недостатки обусловили появление цифровых ССС. Переход к цифровым системам также стимулировался широким внедрением цифровой техники в отрасль связи и в значительной степени был обеспечен разработкой низкоскоростных методов.

Переход к цифровым системам натолкнулся на некоторые  трудности. В США аналоговый стандарт AMPS получил столь широкое распространение, что прямая замена его цифровым стандартом оказалась практически невозможной. Выход был найден в разработке двухрежимной аналого-цифровой системы, позволяющей совмещать работу аналоговой цифровой систем в одном и том  же диапазоне. Разработанный стандарт получил наименование D-AMPS, или IS-54 (IS - сокращение от Interim Standard, т.е. «промежуточный стандарт»). В Европе ситуация осложнялась наличием множества несовместимых аналоговых систем. Здесь выходом оказалась разработка единого общеевропейского стандарта GSP\ (GSM-900 — диапазон 900 МГц). Цифровой стандарт, по техническим характеристикам схожий с D-AMPS, был разработан в Японии; первоначально он назывался JDC, а с 1994 г. PDC (Personal Digital Cellular - «персональная цифровая сотовая связь»).

Стандарт D-AMPS дополнительно  усовершенствовался за счет введения нового типа каналов управления (КУ). Цифровая версия IS-54 сохранила структуру  КУ аналоговой AMPS, что ограничивало возможности системы. Новые чисто  цифровые КУ были введены в версии IS-136. При этом была сохранена совместимость  с AMPS и IS-54, но повышена емкость КУ и  расширены функциональные возможности  системы. Позже было принято решение  обозначать этот стандарт GSM-1800. В США  диапазон 1800 МГц оказался занят другими  пользователями, но была найдена возможность  выделить полосу частот в диапазоне 1900 МГц, которая получила в Америке  название диапазона систем персональной связи (PCS – Personal Communications Systems), в отличие от диапазона 800 МГц, за которым сохранено название сотового (cellular). Освоение диапазона 1900 МГц началось с конца 1995 г.; работа в этом диапазоне предусмотрена стандартом D-AMPS и разработана соответствующая версия стандарта GSM («американский» GSM-1900 - стандарт IS-661).