Цифровые системы сотовой связи.

Существует несколько стандартов цифровых систем связи: европейский GSM (Global System for Mobile communications), американский – традиционно использующийся в США PCS (Personal Communications Service), английский (DCS – Digital Cellular System) DCS-1800, являющийся прямым аналогом GSM–1800, японский JDS (Japan Digital System) и СDМА (Code Division Multiple Access).

GSM (Global System for Mobile communications) – это стандарт, определяющий работу в радиотелефонных сетях общего пользования. В России для работы сотовых систем общего пользования систем GSM выделен частотный диапазон 900 МГц. Стандарт GSM-900 (как, впрочем, и NMT-450i) получил статус федерального. Сеть GSM–900 работает в диапазонах частот 900 (или 1800) МГц. В диапазоне 900 МГц подвижной абонентский аппарат передает на одной из частот в диапазоне 890–915 МГц, а принимает на частотах 935–960 МГц. В дуплексном канале, состоящем из восходящего и нисходящего направлений передачи, для каждого из названных направлений применяются частоты, различающиеся точно на 45МГц. В каждом из указанных выше частотных диапазонов создаются по 124 радиоканала (124 для приема и 124 для передачи данных, разнесенных на 45МГц) шириной по 200 кГц каждый. Этим каналам присваиваются номера (N) от 0 до 123.

В распоряжение каждой базовой станции может быть предоставлено от одной до 16 частот, причем число частот и мощность передачи определяются в зависимости от местных условий и нагрузки.

В каждом из частотных каналов, которому присвоен номер (N) и который занимает полосу 200 кГц, организуются восемь каналов с временным разделением (временные каналы с номерами от 0 до 7) или восемь канальных интервалов.

Система с уплотнением каналов по частоте позволяет получить 8 каналов по 25кГц, которые в свою очередь уплотняются по времени излучения еще на 8 каналов. В стандарте GSM несущая частота сигнала изменяется 217 раз в секунду для того, чтобы компенсировать возможное ухудшение качества. Поэтому, когда абонент получает канал, ему выделяется не только частотный канал, но и один из строго отведенных временных интервалов – иначе создаются помехи в других каналах. В соответствии с вышеизложенным отметим, что работа передатчика происходит в виде отдельных импульсов, которые происходят в строго отведенном канальном интервале: продолжительность канального интервала составляет 577 мкс, а всего цикла – 4616 мкс. Выделение абоненту только одного из восьми канальных интервалов позволяет разделить во времени процесс передачи и приема путем сдвига канальных интервалов, выделяемых передатчикам подвижного аппарата и базовой станции. Базовая станция всегда передает на три канальных интервала раньше подвижного аппарата.

Таким образом, последовательность импульсов, которая образует физический канал передачи GSM, характеризуется номером частоты и номером временного канального интервала. На основе этой последовательности импульсов организуется целая серия логических каналов, которые различаются своими функциями. Кроме каналов, передающих полезную информацию, стандартом предусматривается ряд каналов, передающих сигналы управления, а также организация прямой двусторонней связи с сотовыми терминалами (или цифровыми устройствами обработки информации). Подобные технологии различаются по наличию инфракрасного (IR-ID) или радиочастотного (Bluetooth,, ZigBee и т. п.) интерфейсов малого радиуса действия, которые предназначены для связи находящихся рядом устройств. Большая часть сценариев подобных интерфейсов включает вариант, когда одно из устройств является устройством беспроводной коммуникации стандарта WAP. Реализация таких каналов и их работа находятся под управлением операционной системы (ОС) абонентских устройств.

В виду того, что многие устройства Bluetooth могут являться участниками телеконференций (WAP Forum), существует реальная угроза вирусной атаки ОС сотовых терминалов. По данным компании F-Secure, проникновение вируса Cabir на мобильные телефоны уже было зарегистрировано на Филиппинах, в Сингапуре, Арабских Эмиратах, Китае, Индии, Финляндии, Турции и Вьетнаме. В качестве первого российского носителя сетевого «червя» выступил телефон Nokia 7610. Анализ содержащейся в мобильном телефоне информации показал, что вредоносный код полностью идентичен оригинальному варианту Cabir, обнаруженному в июне 2004 года. Это дает основания для неутешительного вывода: сетевой «червь» уверенно распространяется по всему миру, инфицируя мобильные телефоны Symbian OS.

СDМА – (Code Division Multiple Access) – система цифровой сотовой связи с кодовым разделением каналов на основе использования шумоподобных сигналов. В отличие от других цифровых систем, которые делят отведенный диапазон на узкие каналы по частотному (FDMA) или временному (TDMA) признаку, в стандарте CDMA передаваемую информацию кодируют и код превращают в шумоподобный широкополосный сигнал так, что его можно выделить снова, только располагая кодом на приемной стороне. При этом одновременно в широкой полосе частот можно передавать и принимать множество сигналов, которые не мешают друг другу. Основой метода разделения каналов с реализацией многостанционного доступа с кодовым разделением CDMA-1 (в реализации компании Qualcomm) являются расширение спектра методом прямого кодирования последовательности данных последовательностями Уолша (Walsh Coding).

Одно из преимуществ цифровой связи с шумоподобными сигналами – защищенность канала связи от перехвата, помех и подслушивания. Именно поэтому данная технология была изначально разработана и использована для вооруженных сил США, и лишь совсем недавно американская компания Qualcomm на основе этой технологии создала стандарт IS-95 (CDMA-1) и передала его для коммерческого использования.

Как уже указывалось, технология CDMA обеспечивает высокое качество сигнала при снижении излучаемой мощности и уровня шумов. В результате можно добиться минимальной средней выходной мощности, значение которой в сотни раз меньше значений выходной мощности других, используемых в настоящее время стандартов. Это позволяет уменьшить воздействие на организм человека и увеличить продолжительность бесперебойной работы без подзарядки аккумулятора. Так, излучаемая мобильными аппаратами средняя мощность в сотовых системах CDMA составляет менее 10 мВт, что на порядок ниже мощности, требуемой, например, в системах с временным разделением каналов TDMA. Эффективное использование радиочастотного диапазона с возможностью многократного использования одних и тех же частот в сети (высокая спектральная эффективность) увеличивает емкость CDMA в 10–20 раз по сравнению с аналоговыми системами и в 3–6 раз превышает плотность других цифровых систем.

Наконец, в стандарте предусмотрен плавный переход между сотами (или секторами в пределах одной соты), что позволяет осуществлять «мягкий» переход от одной соты к другой, в отличие от GSM, где такой переход происходит скачкообразно, что приводит к короткому временному разрыву соединения.

Тенденции развития технологий сотовой связи.

Развитие цифровых систем связи предполагает создание нового четвертого поколения (4G) сотовых систем связи. На сегодня 3G-технологии представлены в выборе из 3 стандартов:

§ W-CDMA (Wide Band Code Division Multiple Access), предусматривающий переход к 3G от технологий GSM;

§ cdma2000 (компании Qualcomm), которая ориентирована на замену технологии CDMA-1 (cdmaOne);

§ DoCoMo – японская система, согласованная с W-CDMA, ориентированная на переход с систем, использующих временной (TDMA) принцип разделения каналов (Time Division Multiple Access).

Несмотря на неопределенность в выборе конкретного стандарта, Институт Европейских Стандартов Телекоммуникаций уже разрабатывает соответствующий стандарт UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Так, для UMTS-систем выделены два частотных диапазона – 1885–2025 МГц и 2110–2200 МГц. Определен набор функциональных возможностей средств связи, к наиболее важным функциям отнесены:

§ речевые вызовы;

§ видеотелефония;

§ IP-телефония;

§ передача видеоизображения в режиме «live» по WAP-протоколу;

§ трансляция аудио-репортажа;

§ прием телевизионных программ;

§ видео- и фотосъемка;

§ скоростной доступ к сети Internet включая WEB-браузинг с использованием технологий WAP и GRPS;

§ мобильный офис;

§ определение местоположения абонента по картам и путеводителям;

§ электронная почта, шопинг и коммерция.

Очевидно, что для обеспечения перечисленного в абонентском терминале 3G должна быть видеокамера. Для просмотра телепрограмм необходим цветной жидкокристаллический экран достаточно большого размера. Услуги мобильного офиса, а также игры требуют высокопроизводительного процессора, большой памяти и удобных клавиатуры и манипулятора. Работа всех этих устройств должна обеспечиваться батареей электропитания достаточно большой емкости. И главное – такой прибор должен быть очень компактным, не превосходящим по размеру привычный сотовый телефон.

Предполагается, что по исполнению радиосредства, разрабатываемые для 3G, будут делиться на две категории: интеллектуальные телефоны и планшетные компьютеры. Сегодня примером первых могут служить аппараты, сочетающие в себе мобильный телефон под управлением операционной системы. Вторые лучше всего можно представить планшетными компьютерами оснащенными модулями связи GSM, G3 или WiMax.

Фаза внедрения 3G подходит к завершению и в России ведущие операторы уже получили лицензии на эксплуатацию технологий LTE, (Long Term Evolution).

LTE - это не апгрейд 3G, это более глубокое изменение, знаменующее переход от систем CDMA к системам OFDMA, а также переход от систем с коммутацией каналов к коммутации пакетов. Проблемы перехода на LTE включают необходимость в новом спектре для получения преимуществ от широкого канала, (который в опытном порядке уже осуществлен в республике Татарстан). Кроме того, требуются абонентские устройства, способные одновременно работать в сетях LTE и 3G для плавного перехода абонентов от старых к новым сетям.

Внедрение LTE обеспечивает возможность создания высокоскоростных систем сотовой связи, оптимизированных для пакетной передачи данных со скоростью до 300 Мбит/с в нисходящем канале (от базовой станции к пользователю) и до 75 Мбит/с в восходящем канале. Пиковые скорости передачи данных в ранних реализациях должны составлять более 100 Мбит/с в нисходящем канале и более 50 Мбит/с в направлении от пользователя. Реализация LTE возможна в различных частотных диапазонах - от 1.4 МГц до 20 МГц, а также по различным технологиям разделения каналов - FDD (частотное) и TDD (временное).