Системы сотовой подвижной связи

Первая система радиотелефонной связи, предлагавшая услуги всем желающим, начала функционировать в 1946 г. в США. Радио­телефоны, применявшиеся вначале в этой системе, использовали обычные фиксированные по частоте каналы связи. Если канал связи был занят, абонент переключался на другой — свободный. Впо­следствии с развитием техники радиотелефонной связи свободный канал выбирался автоматически. Однако дальнейшее совершенство­вание систем радиотелефонной связи сдерживалось ограниченно­стью частотного ресурса, связанной с тем, что число фиксированных частот в определенном частотном диапазоне не может бесконечно увеличиваться: радиотелефоны с близкими по частоте рабочими каналами начинают создавать взаимные помехи.

Решение этой проблемы было найдено в середине 1940-х гг., когда исследовательским центром Bell Laboratories американской компании AT&T была предложена идея разбиения всей обслу­живаемой территории на небольшие участки, которые назвали сотами (cell). Каждая сота должна была обслуживаться передат­чиком с ограниченным радиусом действия и фиксированной частотой. Это позволило бы без всяких помех использовать ту же частоту повторно в другой ячейке (соте). На аппаратном уровне такой принцип организации связи был реализован только в начале 1990-х гг.

В 1990 г. в США был утвержден первый национальный стандарт цифровой сотовой связи, а в 1992 г. в Германии вступила в ком­мерческую эксплуатацию первая система цифровой сотовой связи стандарта GSM (Global System for Mobile Communication). В Рос­сии в 1994 г. была принята концепция развития сетей сухопутной подвижной связи, инициировавшая развитие национальных се­тей сотовой связи.

Главный принцип функционирования систем сотовой радио­связи заключается в том, что система обслуживает территорию, разделенную на много небольших зон, каждая из которых обслу­живается своим комплексом радиооборудования. Для разделения территории на зоны без перекрытия или пропусков участков наиболее оптимальной формой зоны является шестиугольник. Разделение территории на шестиугольные зоны, похожие на пче­линые сотовые ячейки, дало название радиотелефонной мобиль­ной связи — сотовая. Границы соты определяются зоной устойчи­вой радиосвязи и зависят от мощности приемно-передающего ра­диоустройства, топологии местности и частотного диапазона ра­боты системы. Чем выше полоса частот системы, тем меньше ра­диус соты, но тем лучше способность сигнала проникать через стены и другие препятствия и, что также важно, тем миниатюр­нее радиоаппаратура и выше возможности организации большего количества абонентских радиоканалов. Современные сотовые сис­темы работают на частотах 450, 800, 900 и 1800 МГц.

В состав оборудования системы сотовой связи входят базовые станции и центр коммутации, соединенные по выделенным про­водным или радиорелейным каналам, как показано на рис. 8.10.

Центр коммуникации — это автоматическая телефонная стан­ция системы сотовой связи, обеспечивающая все функции управ­ления сетью: слежение за подвижными абонентами, организация их эстафетной передачи, переключение рабочих каналов в соте при появлении помех, соединение абонента с абонентом обыч­ной телефонной сети.

Базовая станция представляет собой многоканальный приемо­передатчик, работающий в режиме приема и передачи сигнала и служащий своеобразным интерфейсом между сотовым телефоном и центром коммуникации подвижной связи.

Число каналов базовой станции обычно кратно 8: 8, 16, 32. Один из каналов является управляющим, или каналом вызова, поскольку именно на нем производится установление соедине­ния при вызове подвижного абонента сети, однако разговор про­исходит после переключения на другой канал, свободный в дан­ный момент. Сама идея сотовой сети мобильной связи заключается в том, что, еще не выйдя из зоны действия одной базовой стан­ции, телефон и его владелец попадают в зону действия следую­щей, и так вплоть до наружной границы всей зоны покрытия сети. При этом сотовая связь не обязательно подразумевает мобильность: сегодня во всем мире все большее распространение получа­ет так называемая «сотовая фиксированная связь». Такое решение часто оказывается экономически выгодным — отпадает необходи­мость в дорогостоящей прокладке телефонного кабеля, а одной мощной базовой станции вполне достаточно для телефонизации целого микрорайона. Антенны базовых станций устанавливаются в городе на высоте 15–100 м от поверхности земли на уже суще­ствующих постройках (общественных, производственных здани­ях, жилых домах, дымовых трубах), а за городом — на высоких мачтах.

Система сотовой связи функционирует по следующему алгоритму.

1. В режиме ожидания (трубка положена) приемное устройство радиотелефона постоянно сканирует либо все каналы системы, либо только управляющие.

2. Для вызова соответствующего абонента всеми базовыми стан­циями системы связи по управляющим каналам передается сиг­нал вызова.

3. Сотовый телефон вызываемого абонента при получении это­го сигнала отвечает по одному из свободных каналов управления.

4. Базовые станции, принявшие ответный сигнал, передают
информацию о его параметрах в центр коммуникации, который,
в свою очередь, переключает разговор на ту базовую станцию, где
зафиксирован максимальный уровень сигнала сотового телефона
вызываемого абонента.

Число абонентов в каждой соте не постоянно, поскольку они перемещаются из соты в соту. При пересечении границы между сотами производится автоматическое переключение абонента на обслуживание в другой соте.

Важнейшей услугой сотовой связи является роуминг — возмож­ность использования одного и того же телефона в поездках. Для обеспечения роуминга необходимо выполнение следующих условий:

1) совместимость стандарта сотовой системы места пребыва­ния со стандартом компании, у которой был приобретен радио­телефон;

2) наличие у регионов и компаний организационных и эконо­мических соглашений о роуминговом обслуживании;

3) существование каналов связи между системами, обеспечи­вающими передачу информации для роуминговых абонентов.

Роуминг подразделяется на следующие виды: автоматический, позволяющий абоненту выйти на связь в любое время в любом регионе; полуавтоматический, когда абонент предварительно дол­жен оповестить оператора о желании пользоваться роумингом, и ручной, представляющий собой обмен одного радиотелефона на другой, подключенный к сотовой сети другого оператора, обслу­живающего зону предстоящей поездки.

Системы сотовой связи подразделяются на аналоговые и циф­ровые.

Аналоговые системы сотовой подвижной связи отно­сятся к первому поколению сотовых систем. В них используется аналоговый способ передачи информации с помощью частотной или фазовой модуляции, как в обычных радиостанциях. Недостат­ки применения аналогового способа связаны с возможностью про­слушивания разговоров другими абонентами, отсутствием эффек­тивных способов борьбы с затуханием сигналов под влиянием ланд­шафта и при перемещении абонентов. В России известны такие стандарты аналоговой связи, как NMT (Nordic Mobile Telephone — северный мобильный телефон) и AMPS (Advanced Mobil Phone System — развитая система мобильного телефона).

Цифровые системы сотовой подвижной связи относятся к системам второго поколения. По сравнению с аналоговыми они предоставляют абоненту более широкий выбор услуг, обеспечи­вают высокое качество связи. В России цифровые системы сотовой подвижной связи основаны в основном на стандарте GSM (Global System for Mobile Communication — глобальная система для мобиль­ной связи), получившем самое широкое распространение в Евро­пе и обеспечивающем хорошее качество связи и широкий между­народный роуминг.

Характеристики цифрового стандарта сотовой связи GSM даны в табл. 8.2.

Стандарт обслуживается своими компаниями, называемыми обычно операторами сотовой связи.

При выборе оператора следует учитывать зону охвата террито­рии и возможный роуминг; качество сигнала; сервисные услуги и их доступность; качество обслуживания; стоимость предоставляе­мых услуг и возможность выбора схемы расчета за них.

Сотовые радиотелефоны как неотъемлемая часть системы под­вижной связи подвержены значительным трансформациям и с позиций конструктивных решений, и по объему предоставляемых сервисных функций и дизайну. Выбор стандарта сотовой связи обусловливает класс модели радиотелефона. В пределах каждого класса модели радиотелефоны различаются не только объемом сервисных функций, но часто и параметрами приемно-передающих трактов.

В состав конструкции радиотелефона вне зависимости от моде­ли входят:

• передающее и приемное устройства;

• устройства преобразования и воспроизведения речи;

• устройства контроля и управления;

• антенна;

• звонок (зуммер);

• клавиатура;

• дисплей.

(Всего лишь 30 лет назад содержимое современного сотового телефона заняло бы целый этаж здания, а теперь телефон разме­щается на ладони.)

Все эти элементы обычно располагаются следующим образом: на передней крышке — клавиатура, дисплей, микрофон и гром­коговоритель; на задней крышке — антенна, а между ними — многослойная печатная плата. Благодаря оригинальным инженер­ным решениям вес телефонов постоянно снижается.

Сервисные услуги, предоставляемые операторами сотовой под­вижной связи своим клиентам, следующие:

· получение и отправка факсов и электронной почты;

· передача и прием на радиотелефон коротких текстовых сооб­щений (служба SMS — Short Message Service);

· голосовая почта с записью и хранением сообщений в почто­вом ящике;

· обеспечение конфиденциальности разговоров и информации;

· организация «звонков-конференций», т.е. вызов на связь од­новременно целой группы абонентов;

· возможность непосредственного обмена информацией с ком­пьютерами, в частности с портативными ПК;

· беспроводный доступ в Internet, когда информация из Internet поступает непосредственно на экран мобильного телефона, так называемая WAP-технология (Wireless Access Protocol);

· переадресация и ожидание звонков;

· возможность использования автоответчика с записью сооб­щения, организация собственного телефонного справочника с поиском записи по имени абонента, программирование для на­бора номера вызываемого абонента нажатием одной кнопки или даже голосом, учет времени разговоров на данном радиотелефо­не, изменение кода блокировки радиотелефона;

· услуги справочного характера, дополнительно предоставляе­мые оператором.

Перечень сервисных услуг расширяется достаточно стреми­тельно.

Одним из направлений совершенствования конструкции мо­бильных телефонов является их интеграция с различными техни­ческими средствами информатизации. Так, компания Panasonic встраивает в свои модели диктофон, а компания Samsung Electronics — цифровую фотокамеру.

Воздействие на человеческий организм систем сотовой связи дис­кутируется в средствах массовой информации. Анализируются по­следствия облучения головного мозга при пользовании сотовым телефоном. Исследователи единодушны в том, что электромаг­нитное излучение влияет на ткани головного мозга. Единицей вли­яния микроволнового излучения является «специфическая норма поглощения» SAR (Specific Absorbtion Rates), численно равная энер­гии поглощенного излучения, приходящейся на 1 г биоткани. Европейские организации рекомендуют для сотовых телефонов пре­дельную норму SAR 2 мВт/г. Проведенные в Швейцарии исследо­вания 16 моделей сотовых телефонов показали, что уровень SAR у них находится в диапазоне 0,28— 1,22 мВт/г.

Базовые станции сотовой связи работают в режиме приема и передачи сигнала в диапазоне частот от 463 до 1880 МГц, что может неблагоприятно сказываться на здоровье человека. В Москве и Московской области специалистами разных стран были проведе­ны исследования электромагнитной обстановки на территориях, прилегающих к базовым станциям. На прилегающей территории в 91% случаев зафиксированные уровни электромагнитного поля были в 50 раз меньше допустимого.

Однако сотовый телефон может быть смертельно опасен для человека, что связано с проблемой электромагнитной совмести­мости радиоэлектронных устройств. В связи с этим сотовые теле­фоны не разрешается использовать в больницах и на борту авиа­лайнеров, чтобы не внести помехи в работу используемого слож­ного радиотехнического оборудования. Сотовые телефоны могут быть опасны для людей, которые пользуются электронными кар­диостимуляторами.