ТЕМА 11. МОБИЛЬНЫЕ ТЕЛЕСИСТЕМЫ

С момента первой передачи речи и музыки по радио в 1905 г. (Реджинальд Фессенден, США), десять лет спустя после эксперимента с грозоотметчиком А.С. Попова, распространение радиоволн в атмосфере, ионосфере и других средах хорошо изучено. Главной особенностью использования радио для связи двух абонентов явилась возможность одного из них (или обоих) перемещаться в пространстве, т. е. быть мобильным. В рассматриваемых прежде системах ни разу не возникало речи о такой возможности. Но она же доставила разработчикам систем много дополнительных забот.

Если на заре радиовещания старались вложить в передатчик максимальную мощность и поднять его антенну как можно выше над землей для увеличения дальности приема, то зародившаяся в 1940-е гг., детально разработанная в 1960-х гг. и появившаяся на рынке услуг связи в 1980-х гг. сотовая связь изменила старую философию.

Принципиальные отличия составили:

- низкая мощность передатчиков в небольших зонах уверенного приема их сигналов;

- разбиение области охвата на соты с целью повышения пропускной способности сети;

- передача вызова между сотами (как эстафетной палочки) и централизованное управление;

- повторное использование частот из выделенной полосы.

Ранее уже отмечалась необходимость международного и государственного регулирования частотного диапазона и использования его в интересах различных служб и ведомств. Поэтому двух- и более кратное применение одной и той же частоты существенно расширяет площадь охвата сети.

Итак, небольшие зоны уверенного приема передатчиков малой мощности были названы “сотами”. Каждая из них имеет радиус 10-30 км, оснащена своим базовым передатчиком малой мощности, работающим на частоте (частотах), отличных от частот в пограничных сотах. С уменьшением зоны охвата появилась возможность повторного применения частот передачи в сотах, не имеющих общих границ. А это равносильно увеличению количества каналов связи для обслуживания абонентов сети. В первых схемах повторного использования частот в сотах задействовались базовые передатчики, имеющие круговую диаграмму направленности своих антенн. Существуют схемы для семи и для девяти сот. Первая из них показана на рис. 11.1.

Круговая диаграмма направленности означает передачу сигнала одинаковой мощности по всем направлениям (как круги на воде от брошенного камня). Это гарантирует абоненту прием помех со всех сторон.

Рис.11.1. Схема для семи сот

Метод противодействия этим помехам – использование антенн с секторной диаграммой направленности. Если на передатчике установить 3 секторные антенны по 120 º, то можно построить самую распространенную схему повторного использования частот для трех сот из девяти частот, так как частоты в каждом секторе различны. Эта схема выглядит так (рис.11.2):

Рис.11.2. Схема для трех сот повторного использования частот

Есть схема и для двух сот, разработанная фирмой Motorola, работающая на секторных антеннах в 60 º и группе из 12 частот.

Несмотря на все ухищрения этого подхода, емкость существующих систем сотовой связи либо насыщена, либо практически насыщена. Создание дополнительной пропускной способности каналов связи явилось основной движущей силой перехода от аналоговых к цифровым технологиям. В индустрии беспроводной связи применяются следующие технологии уплотнения каналов:

а) множественный доступ с частотным разделением каналов FDMA (впоследствии из этой технологии вырос известный метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением столкновений). Весь канал “нарезается” на полосы в 30 кГц, в пределах которых реализуется симплексный режим. Для полнодуплексного обмена необходимо два канала, причем они должны быть изолированными;

б) множественный доступ с временным разделением в пределах каждой полосы в 30 кГц. Также уже известная технология временного мультиплексирования TDMA. Часто сочетается с FDMA. Временной слот выделяется по запросу абонента;

в) множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA) принципиально отличен от первых двух. Абонент имеет в своем распоряжении всю полосу канала (1,25 МГц вместо 30 кГц) в течение всего времени, а не только одного слота. Если одновременно работают много абонентов, посланные ими сигналы смешиваются в канале связи, что на первый взгляд серьезно затрудняет прием сообщений. Но это впечатление обманчиво: во-первых, в “шуме” легче “спрятаться”, во-вторых, знающие код могут на другом конце канала связи алгоритмически отфильтровать нужную передачу. Эта технология не только увеличивает пропускную способность, обеспечивает большую безопасность, но и доставляет лучшее качество связи.

Схематическое изображение этих технологий приведено на рис.11.3.

Рис. 11.3. Технологии уплотнения канала

К настоящему времени разработано три основных стандарта цифровых сетей сотовой мобильной связи: общеевропейский стандарт GSM (Global System for Mobile Communications), американский стандарт ADCS (American) и японский JDCS (Japan Digital Cellular System). В них сходства больше, чем различий, так как построены они на единых принципах и концепциях GSM. Это хорошо показывает табл. 11.1.

Таблица 11.1

Стандарты мобильной связи

Окончание таблицы 11.1

Все стандарты обеспечивают взаимодействие цифровых мобильных сетей с другими общественными сетями, например ISDN и PSTN, и гарантируют высокое качество передачи.

Стандарт GSM гарантирует предоставление следующих услуг: предоставление связи, передача данных, передача факсимильных сообщений (при наличии адаптера), а также услуги по осуществлению роуминга и поддержке сервиса отправки коротких (до 160 символов) сообщений SMS (Short Message Service). Для увеличения продолжительности работы аккумулятора мобильные телефоны стандарта GSM работают в режиме прерывистого приема: пока диалога нет, приемник не запитан; с возобновлением диалога питание приемника включается.

Соответствие уровней стандарта GSM и модели ВОС/МОС можно проследить по табл. 11.2.

Как и в сетях, рассмотренных ранее, в сети GSM выполняются протоколы подуровней трех нижних уровней модели ВОС/МОС.

Рассмотрим структуру сети мобильной связи и функционирование элементов такой сети. Структурная схема мобильной сети стандарта GSM представлена на рис. 11.4.

Таблица 11.2

Стандарт GSM и уровни модели ВОС/МОС

Окончание таблицы 11.2

Рис.11.4. Структура сети стандарта GSM

Центром всей композиции является центр коммутации мобильной связи MSC (Mobile Switching Centre). Он связан с другими такими же центрами и

со “своими” базовыми станциями BSS (Base Station System) для взаимодействия с подвижными станциями MS абонентов (Mobile Station). Работой сети управляет центр управления и обслуживания OMC (Operation and Maintenance Centre). HLR, VLR, EIR – базы данных, используемые при опознании MS в центре аутентификации AUC. Базовая станция системы состоит из элементов двух типов: один контроллер базовой станции BSC (Base Station Controller) и одна или несколько базовых трансиверных станций BTS (Base Transceiver Station), оканчивающихся одной или группой антенн каждая. Именно BTS определяет зону покрытия, т. е. размер соты. Ее функция состоит в том, чтобы поддерживать радиосвязь с MS с помощью специальных протоколов.

Контроллер базовой станции отвечает за создание канала передачи данных, переключение частот, а также передачу вызова в пределах одной BSS. Он управляет распределением радиоканалов, контролирует их очередность, обеспечивает режим с переключением частот в пределах каждой соты, кодирование и декодирование сообщений, кодирование речи, данных и вызова. Кроме того, BSC осуществляет передачу сигнала к центру мобильной коммутации MSC.

Центр коммутации мобильной связи обслуживает группу базовых станций BSS и обеспечивает все виды соединений с MS. MSC функционально аналогичен коммутатору ISDN и представляет собой интерфейс между стационарными сетями PSTN, ISDN и т.п. и сетью мобильной связи. Он обеспечивает маршрутизацию вызовов и управление вызовами. Кроме коммутации связей, MSC выполняет функции коммутации радиоканалов в разных BSS для организации “эстафетной передачи сообщений”, в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении мобильной станции из соты одного BSS в соту другого BSS. Коммутация связей между MSC выполняется по соглашению между операторами этих центров, заключенному на компенсационной основе. Именно такое соглашение и называется собственно роумингом.

Мобильная станция MS состоит из мобильного устройства (их выпускает ряд фирм – Alcatel, Siemens, Samsung, Ericsson, Motorola) и специальной смарт – карты, известной под названием SIM – карты, или модуля идентификации абонента (Subscriber Identity Module). Этот модуль содержит международный идентификационный номер абонента IMSI (International Mobile Subscriber Identity), свой индивидуальный ключ (пароль) аутентификации (К_i) и программу, реализующую алгоритм аутентификации (АЗ). Все эти “сложности” необходимы, во-первых, для исключения несанкционированного доступа к ресурсам системы, и, во-вторых, для получения этого доступа владельцем с любого устройства стандарта GSM. Достаточно вставить SIM- карту в другой аппарат. При подключении абонента к сети мобильной связи IMSI-номер заносится в регистр местонахождения “домашних” абонентов HLR (Home Location Register), а индивидуальный международный номер, присвоенный каждому мобильному устройству, - в регистр идентификации оборудования EIR (Equipment Identification Register).

Когда абонент инициирует звонок, мобильная станция отыскивает ближайшую базовую станцию. Контроллер базовой станции передает запрос на связь в свой центр мобильной коммутации. И этот MSC прежде, чем организовывать канал связи, осуществляет аутентификацию абонента. В первую очередь, проверяется наличие записи IMSI – номера в регистре “домашних” абонентов. Если нет - его помещают в другой регистр для “приезжих” абонентов VLR (Visitor Location Register) и дублируют в HLR. При каждом включении мобильного телефона производится обновление информации о местоположении абонента, т. е. запись его IMSI – номера либо сохраняется в HLR, либо стирается при включении в зоне другого коммутатора MSC. Таким образом, IMSI – номер в каждый момент времени находится либо только в “домашнем” регистре одного из MSC сети, либо и в “домашнем”, и в регистре “приезжих” того же центра коммутации мобильной связи. При первичном попадании в регистр “приезжих” центр коммутации переписывает в свой регистр EIR данные от предыдущего “домашнего” центра коммутации.

Дальнейшая процедура проверки сетью подлинности абонента (аутентификация) осуществляется следующим образом. Сеть генерирует и передает на мобильную станцию случайное число RAND, являющееся аргументом для применения алгоритма АЗ и ключа К_i SIM - карты в определении (вычислении) значения отклика SPES:

SPES = АЗ(К_i, RAND).

Значение SPES посылается в сеть, где сравнивается со значением того же отклика, вычисленным в центре AUC. При совпадении значений отклика доступ к сети разрешается. В противном случае связь сети с MS прерывается, и индикатор на MS показывает, что опознавание не состоялось.

Функциональное сопряжение всех элементов системы осуществляется интерфейсами МККТТ и Рекомендациями Европейского института стандартов по телекоммуникациям ETSI. Концепция ETSI состоит в том, что GSM – открытый интерфейс, доступный всем. Сеть GSM есть интеллектуальная сеть с открытой распределенной архитектурой, где коммутация вызовов полностью отделена от контроля обслуживания в центре ОМС.

В настоящее время в сфере мобильной связи все шире применяются цифровые технологии. В нашем распоряжении - цифровая фотокамера в мобильном телефоне с возможностью немедленной передачи снимка в любую из 75 стран мира, где действует стандарт GSM. “Хэнди - офис” уже перестал быть экстравагантной игрушкой, а с появлением третьего поколения беспроводных систем связи стандарта IMT-2000 (International Mobile Telecommunications) от МККТТ со скоростями передачи 2 Мбит/с и мультимедийные сервисы станут “нормой”. Человек получит качественно другое окружение для работы и для отдыха.

Вопросы для самопроверки:

1. В чем новизна сотовой связи?

2. Покажите, как увеличивается число каналов при разбиении территории на соты.

3. Приведите примеры схем повторного использования частот при различных диаграммах направленности излучения антенн.

4. Какие технологии уплотнения каналов применяются в беспроводной связи и в чем они состоят?

5. Соответствие уровней стандарта GSM и модели ВОС/МОС.

6. Структура мобильной сети стандарта GSM.

7. Каковы функции контроллера базовой станции?

8. Как отличаются функции переключения частот в пределах базовой трансиверной станции и базовой станции системы мобильной связи?

9. Что такое роуминг и какой блок сети ответственен за него, если сеть оператора – 1 центр коммутации?

10. Модуль идентификации абонента и его назначение?

11. Как происходит процедура аутентификации?