Поколения связи

Беспроводные телефоны бывают двух типов: домашние радиотелефоны и мо­бильные телефоны (иногда называемые сотовыми телефонами). Радиотелефо­ ны представляют собой устройства, состоящие из базовой станции и одной или нескольких переносных трубок. Они предназначены для использования внутри Жилья или в непосредственной близости от него. Их никогда не объединяют в сети, поэтому в дальнейшем мы их рассматривать не будем. Вместо этого мы более подробно рассмотрим мобильные системы связи, которые используются как для передачи речи, так и для обмена данными.

На данный момент можно выделить уже четыре разных поколения мобильных телефонов, осуществляющих:

1) аналоговую голосовую связь;

2) цифровую голосовую связь;

3) цифровую голосовую связь и обмен данными (Интернет, электронная почта и т. д.).

4) голосовая связь как один из видов данных

Схема поколений связи

Таблица поколений связи

Поколение	1G	2G	2.5G	3G	3.5G	4G
Реализация					2006—2007	2008—2010
Скорость передачи	1,9 кбит/с	14,4 кбит/с	384 кбит/с	2 Мбит/с	3-14 Мбит/с	1 Гбит/с
Стандарты	AMPS, TACS, NMT	TDMA, CDMA, GSM, PDC	GPRS, EDGE, 1xRTT	WCDMA, CDMA2000, UMTS	HSDPA	LTE

Поколение 1G

История начинается с появления в 1980-х годах нескольких новаторских сетевых технологий: AMPS в США и сочетание TACS и NMT в Европе. Хотя несколько поколений услуг мобильной связи существовали и раньше, тройка AMPS, TACS и NMT считается первым поколением (1G), потому что именно эти технологии позволили мобильным телефонам стать массовым продуктом.

Во времена 1G никто не думал об услугах передачи данных — это были чисто аналоговые системы, задуманные и разработанные исключительно для осуществления голосовых вызовов и некоторых других скромных возможностей. Модемы существовали, однако из-за того, что беспроводная связь более подвержена шумам и искажениям, чем обычная проводная, скорость передачи данных была невероятно низкой. К тому же, стоимость минуты разговора в 80-х была такой высокой, что мобильный телефон мог считаться роскошью.

Отдельно хочется упомянуть первую в мире автоматическую систему мобильной связи «Алтай», которая была запущена в Москве в 1963 году. «Алтай» должен был стать полноценным телефоном, устанавливаемым в автомобиле. По нему просто можно было говорить, как по обычному телефону (т.е. звук проходил в обе стороны одновременно, т.н. дуплексный режим). Чтобы позвонить на другой «Алтай» или на обычный телефон, достаточно было просто набрать номер — как на настольном телефонном аппарате, без всяких переключений каналов или разговоров с диспетчером.

Аналогичная система в США, IMTS (Improved Mobile Telephone Service), была запущена в опытной зоне на год позже. А коммерческий ее запуск состоялся лишь в 1969 году. Между тем в СССР к 1970 году «Алтай» был установлен и успешно работал уже примерно в 30 городах. Кстати, в Воронеже и Новосибирске система действует до сих пор.

Во всех аналоговых стандартах применяются частотная модуляция для передачи речи и частотная манипуляция для передачи информации управления (или сигнализации - signaling). 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 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.

NMT (Nordic Mobile Telephone) – «Скандинавский стандарт»

NMT - один из самых старых стандартов сотовой связи, разработан в 1978 году и впервые введён в эксплуатацию в 1981.

Стандарт NMT является аналоговым и относится к группе FDMA (Frequency Division Multiplie Access - Множественный Доступ с Частотным Разделением) стандартов сотовой связи. Основное преимущество - большой радиус действия базовой станции. Вполне приличная связь в 70-ти км от БС - не редкость для NMT. Главная беда NMT-450 - значительный уровень помех в диапазоне 450 МГц в крупных промышленных городах. Но стоит удалиться от города - качество связи сильно улучшается и зачастую превосходит качество проводных телефонных сетей.

Каждому абоненту для разговора предоставляется в полное распоряжение отдельный полнодуплексный радиоканал. Рабочие частоты находятся в двух полосах: 453-457, 5 МГц для канала от сотового телефона к базовой станции и 463-467, 5 МГц для канала от базовой станции к телефону. Частотный разнос каналов приёма и передачи - 10 МГц. Изначально в NMT использовалась сетка каналов с шагом 25 КГц, но с увеличением количества абонентов шаг сетки уменьшили до 12,5 КГц, вставив между обычными каналами дополнительные, увеличив тем самым ёмкость сети.

Взаимодействие телефона с сетью

Базовые станции сети NMT объединены в группы, называемые TA (traffic area). Каждая TA управляется своим коммутатором. При включении телефона или при пересечении границы TA телефон пытается зарегистрироваться в новой TA. Для общения с коммутатором используется служебный канал связи, по которому передаются данные. После того как телефон зарегистрировался в TA, он переходит в состояние ожидания вызова, а коммутатор запоминает, что данный абонент находится в его TA. В состоянии ожидания вызова телефон периодически включает приёмник для отслеживания уровня сигнала от БС, и если он падает ниже определённого предела, телефон пытается найти другой служебный канал или другую БС с более сильным сигналом; если таковая находится, он слушает уже её. Если при перемещении изменилась TA, то телефон перерегистрируется. При этом коммутатор предыдущей TA "вычёркивает" этот аппарат из своего списка.

Сигнал вызова абонента поступает сразу на все БС той TA, в которой зарегистрирован телефон. При ответе на звонок или при совершении исходящего звонка телефон переключается на разговорный канал, чтобы освободить служебный канал для других абонентов. По окончании разговора телефон вновь переходит в состояние ожидания вызова.

О дополнительных сервисах

С течением времени в стандарт добавлялись различные сервисы: определение номера, и голосовая почта, факс-почта, конференц-связь, переадресация вызова, SMS, синхронизация часов и т.п. Особенно интересно выглядит SMS в NMT. Данные SMS в NMT сетях передаются по разговорному каналу. А значит, их можно принять и декодировать, минуя оператора сотовой связи. Реализовано это следующим образом: в телефоне есть модем. При отправке сообщения телефон звонит по номеру, указанному как "Номер SMS-центра" и своим модемом коннектится с модемом SMS-центра, после чего следует обмен данными по основному (голосовому) каналу: телефон отправляет сообщения, помеченные для отправки, и забирает сообщения от SMS-центра, если там есть сообщения для этого телефона.

AMPS

AMPS (Advanced Mobile Phone Service - усовершенствованная подвижная телефонная служба) - аналоговый стандарт мобильной связи в диапазоне частот от 825 до 890 МГц, разработанный для Северной Америки, затем распространившийся и в других странах.

Первая сеть стандарта AMPS (Advanced Mobile Phone System) заработала в Чикаго 13 октября 1983 года. Думаю, ее можно считать “родоначальницей” всех современных сотовых систем, поскольку существовавшие ранее технологии мобильной связи следует скорее относить к транковому, нежели к сотовому типу. Основным мотивом разбиения территории на ячейки (cells) послужило стремление эффективно использовать радиоволновой ресурс - ведь достаточно удаленные друг от друга соты могут работать на одних и тех же частотах!

Более высокая, чем у NMT-450, емкость сетей. Низкий уровень индустриальных и атмосферных помех. Более надёжная, чем у NMT-450, связь в помещениях. Меньшая зона устойчивой связи для одной базовой станции, что вынуждает операторов ставить их ближе друг к другу. Не распространён в Европе и Азии. AMPS морально устарел, и в 1990 в США был разработан стандарт D-AMPS.

Система AMPS использует 832 дуплексных канала, каждый из которых состоит из пары симплексных каналов. 832 симплексных канала передачи располагаются в диапазоне от 824 до 849 МГц, и еще 832 симплексных канала приема — от 869 до 894 МГц. Ширина каждого канала составляет 30 кГц. Таким образом, для раз­деления каналов в системе AMPS используется частотное уплотнение.

В диапазоне 800 МГц длина радиоволн составляет около 40 см. Такие радио­волны распространяются строго по прямой линии. Они поглощаются деревьями и отражаются от поверхности земли и зданий. Может случиться так, что сигнал с мобильного телефона достигнет базовой станции по прямому пути, но, кроме то­го, с небольшим запозданием попадет на ту же станцию, отразившись от земли или здания. Такой эффект может привести к появлению эха или искажению сиг­нала (многолучевое затухание). Иногда можно услышать отдаленный разговор, отразившийся несколько раз.

Все 832 канала можно разделить на четыре категории:

1. Управляющие каналы (от базы к мобильному телефону) для управления сис­темой.

2. Пейджинговые каналы (от базы к мобильному телефону) для передачи сооб­щений мобильным пользователям.

3. Каналы доступа (двунаправленные) для установления соединения и назначе­ния каналов.

4. Каналы данных (двунаправленные) для передачи голоса, факса или данных.

Для управления резервируется 21 канал. Они прошиваются в программируемом запоминающем устройстве (ППЗУ) каждого телефона. Поскольку одни и те же частоты не могут использоваться в соседних сотах, то число голосовых каналов, доступных в пределах одной ячейки, значительно меньше 832 — обычно около 45.

Управление вызовом

Каждый мобильный телефон в системе AMPS снабжается 32-разрядным поряд­ковым номером и 10-значным телефонным номером, которые записываются в ППЗУ телефона. Телефонный номер состоит из 3-значного кода области, зани­мающего 10 бит, и 7-значного номера абонента, занимающего 24 бита. При вклю­чении телефон сканирует запрограммированный список из 21 управляющего ка­нала, в котором он ищет наиболее сильный сигнал.

Затем телефон передает в эфир свой 32-разрядный порядковый номер и 34-разрядный телефонный номер. Как и вся управляющая информация в систе­ме AMPS, этот пакет посылается в цифровой форме несколько раз с применени­ем помехоустойчивого кодирования, хотя сами голосовые каналы являются ана­логовыми.

Когда базовая станция слышит этот сигнал, она передает сообщение коммута­тору MTSO, который фиксирует появление нового пользователя, а также инфор­мирует «домашний» коммутатор абонента о его новом местоположении. Обычно мобильный телефон регистрируется примерно каждые 15 минут.

Чтобы позвонить с мобильного телефона, его владелец включает телефон, вво­дит номер и нажимает клавишу SEND. При этом телефон посылает набранный те­лефонный номер вместе со своими идентификаторами по каналу доступа. Если при этом происходит коллизия, то телефон повторяет попытку позже. Когда базо­вая станция получает запрос, она информирует об этом коммутатор. Если звоня­щий является клиентом оператора связи, которому принадлежит данный комму­татор (или одного из ее партнеров), тогда коммутатор ищет для него свободный канал. Если такой канал находится, то номер этого канала посылается обратно по управляющему каналу. Затем мобильный телефон автоматически переключа­ется на выбранный голосовой канал и ждет, пока тот, кому звонят, ответит.

Входящие звонки обрабатываются иначе. Находящиеся в режиме ожидания те­лефоны постоянно прослушивают пейджинговый канал, ожидая адресованных им сообщений. Когда поступает звонок на мобильный телефон (с обычного или друго­го мобильного телефона), то пакет посылается на «домашний» коммутатор вызы­ваемого, которому должно быть известно текущее местонахождение абонента. Этот пакет пересылается на базовую станцию в его текущей ячейке, которая посылает по пейджинговому каналу сообщение типа: «Элемент 14, вы здесь?». При этом теле­фон, которому звонят, по управляющему каналу отвечает: «Да». Тогда базовая стан­ция ему сообщает: «Элемент 14, вам звонок по каналу 3». После этого сотовый телефон переключается на канал 3 и начинает издавать звуковые сигналы (или про­игрывать мелодию, которую владельцу подарили на день рождения).

Другие стандарты:

· TACS (Total Access Communications System – 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;

· 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 - в трех вариантах) - используется в Японии.

Поколение 2G

Первое поколение сотовых телефонных систем было аналоговым. Второе поколе­ние является цифровым. Как не было никаких четких стандартов в первом поко­лении мобильных телефонов, так не появились они и ко второму поколению. Сейчас используются четыре системы второго поколения: D-AMPS, GSM, CDMA и PDC. Далее мы обсудим первые три из них. PDC нашла применение только в Японии и является, на самом деле, модификацией D-AMPS, направленной на со­хранение совместимости с японским аналоговым оборудованием первого поколе­ния. Название PCS (Personal Communications Services — персональная служба связи) иногда используется в литературе по маркетингу и означает систему вто­рого поколения (цифровую, разумеется). Изначально так назывался телефон, ра­ботающий в диапазоне 1900 МГц, впрочем, сейчас различия почти стерлись.

D-AMPS — цифровая усовершенствованная мобильная связь

Вторым поколением AMPS является полностью цифровая система D-AMPS. Она описывается международным стандартом IS-54 и его последователем — IS-136. Система D-AMPS была разработана таким образом, чтобы она могла успешно со­существовать с AMPS и мобильные телефоны первого и второго поколения могли работать одновременно в одной и той же соте.

В частности, D-AMPS использует те же 30-герцевые каналы, что и AMPS. Они располагаются в том же диапазоне, то есть может получиться так, что какой-то канал будет аналоговым, а соседние с ним каналы — цифровыми. В зависимости конкретного набора телефонов в данной ячейке ее коммутатор определяет, ка-каналы цифровые, какие аналоговые, и может динамически менять их тип в зависимости от того, какие телефоны попадают или выходят из зоны действия базовой станции ячейки. Когда D-AMPS была представлена как новая служба, для нее был выделен дополнительный диапазон, с расчетом на увеличение на­грузки. Исходящие каналы расположили на частотах 1850-1910 МГц, а соответ­ствующие входящие каналы — на частотах 1930-1990 МГц. Как и в AMPS, каналы парные. В этой полосе длина волн составляет 16 см, поэтому стандартная антен­на размером в четверть длины волны будет размером всего лишь 4 см, что дает возможность создать более компактные телефоны. Тем не менее многие телефо­ны D-AMPS могут использовать оба диапазона (как 850, так и 1900 МГц), что позволяет использовать увеличенный набор доступных каналов.

В мобильном телефоне системы D-AMPS голосовой сигнал захватывается микрофоном, оцифровывается и сжимается при помощи более сложной модели, чем дельта-модуляция и схема предсказания. Метод компрессии в данном случае принимает в расчет особенности человеческого го­лоса, сжимая речь со стандартных 56 Кбит/с (РСМ-кодирование) до 8 Кбит/с и даже меньше. Сжатие производится специальной схемой, называемой вокодером (Bellamy, 2000), прямо в телефоне, а не на базовой или коммутационной станции. Это уменьшает размеры информации, которую необходимо передать в эфир. При использовании стационарной телефонии нет никакого смысла в сжа­тии данных в самом телефонном аппарате, поскольку уменьшение трафика в ло­кальной линии никак не влияет на общую емкость системы.

Когда же речь идет о мобильной связи, то в оцифровке и сжатии данных в самой трубке есть значительная выгода: достаточно сказать, что три абонента D-AMPS могут одновременно использовать одну и ту же пару частотных каналов за счет мультиплексирования с разделением времени. Каждая пара частот поддержива­ет скорость 25 кадров/с (40 мс на кадр).

Использование улучшенных алгоритмов сжатия может позволить уложить речь в 4 Кбит/с, в этом случае один кадр может использоваться одновременно ше­стью абонентами. С точки зрения операторов мо­бильной связи, возможность сжатия данных в 3-6 раз относительно AMPS — это большая победа.

Структура управления D-AMPS довольно сложна. Используются шесть основных управляющих каналов: конфигурация сис­темы, управление в реальном и модельном (не реальном) времени, пейджинговые функции, ответы на запросы доступа и короткие сообщения. Но концептуально работа D-AMPS не отличается от работы AMPS. Когда телефон включен, он на­ходится в контакте с базовой станцией, сообщая о себе и прослушивая управ­ляющий канал на предмет входящих звонков. Обнаружив новый телефон, ком­мутатор информирует домашнюю базу абонента о его местонахождении, благодаря чему звонки могут быть корректно маршрутизированы.