Принцип работы сотовой связи

Внедрение систем сотовой связи 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 они получили в соответствии с сотовым принципом организации связи, согласно которому зона обслуживания (территория города или региона) делится на ячейки (соты). Эти системы подвижной связи, появившиеся сравнительно недавно, являются принципиально новым видом систем связи, так как они построены в соответствии с сотовым принципом распределения частот по территории обслуживания (территориально-частотное планирование) и предназначены для обеспечения радиосвязью большого числа подвижных абонентов с выходом в телефонную сеть общего пользования [22].

Каждая из сот обслуживается многоканальным приемопередатчиком, называемым базовой станцией. Она служит своеобразным интерфейсом между сотовым телефоном и центром коммутации подвижной связи, где роль проводов обычной телефонной сети выполняют радиоволны. Число каналов базовой станции обычно кратно 8, например, 8, 16, 32... Один из каналов является управляющим (control channel). В некоторых ситуациях он может называться также каналом вызова (calling channel). Ha этом канале происходит непосредственное установление соединения при вызове подвижного абонента сети, а сам разговор начинается только после того, как будет найден свободный в данный момент канал и произойдет переключение на него. Все эти процессы происходят очень быстро и потому незаметно для абонента. Он лишь набирает нужный ему телефонный номер и разговаривает, как по обычному телефону. В этот момент его аппарат по радиоканалу связывается с одной из антенн ближайшей базовой станции. Каждая из базовых станций содержит от одной до двенадцати приемо-передающих антенн, направленных в разные стороны, чтобы обеспечить связью абонентов со всех сторон.

От антенны сигнал по кабелю передается непосредственно в управляющий блок базовой станции. Совокупность антенн и управляющего блока обычно и называется – BS, Base Station, базовая станция. Несколько базовых станций, чьи антенны обслуживают какую-либо определенную территорию или район города, подсоединены к специальному блоку – так называемому LAC, Local Area Controller, «контроллер локальной зоны», часто называемому просто контроллером. К одному контроллеру обычно подключается до 15 базовых станций.

В свою очередь, контроллеры, которых также может быть несколько, подключены к самому центральному «мозговому» блоку – MSC, Mobile services Switching Center, Центр Управления Мобильными услугами, более известный как коммутатор. Коммутатор обеспечивает выход (и вход) на городские телефонные линии, на других операторов сотовой связи и так далее. В небольших GSM-сетях используется только один коммутатор, в более крупных, обслуживающих более миллиона абонентов, могут использоваться два, три и более MSC, объединенных между собой.

Коммутатор в сотовой сети осуществляет практически те же функции, что и АТС в проводных телефонных сетях. Именно он определяет, куда звонит абонент, кто ему звонит, отвечает за работу дополнительных услуг, и, в конце концов – вообще, определяет, можно ли звонить или нет.

Рис. 1 – Основные составляющие систем сотовой связи

Для вызова соответствующего абонента всеми базовыми станциями сотовой системы связи по управляющим каналам передается сигнал вызова. Сотовый телефон вызываемого абонента при получении этого сигнала отвечает по одному из свободных каналов управления. Базовые станции, принявшие ответный сигнал, передают информацию о его параметрах в центр коммутации, который, в свою очередь, переключает разговор на ту базовую станцию, где зафиксирован максимальный уровень сигнала сотового радиотелефона вызываемого абонента.

По мере удаления абонента от базовой станции или в связи с ухудшением условий распространения радиоволн уровень сигнала уменьшается, что ведет к ухудшению качества связи. Улучшение качества разговора достигается путем автоматического переключения абонента на другой канал связи. Это происходит следующим образом. Специальная процедура, называемая передачей управления вызовом или эстафетной передачей (в иностранной технической литературе — handover, или handoff), позволяет переключить разговор на свободный канал другой базовой станции, в зоне действия которой оказался в это время абонент. Аналогичные действия предпринимаются при снижении качества связи из-за влияния помех или при возникновении неисправностей коммутационного оборудования. Для контроля таких ситуаций базовая станция снабжена специальным приемником, периодически измеряющим уровень сигнала сотового телефона разговаривающего абонента и сравнивающим его с допустимым пределом. Если уровень сигнала меньше этого предела, то информация об этом автоматически передается в центр коммутации по служебному каналу связи. Центр коммутации выдает команду об измерении уровня сигнала сотового радиотелефона абонента на ближайшие к нему базовые станции. После получения информации от базовых станций об уровне этого сигнала центр коммутации переключает радиотелефон на ту из них, где уровень сигнала оказался наибольшим. Это происходит так быстро, что абонент совершенно не замечает переключения [9].

Диапазон GSM 900, который начал использоваться первым, разделен на две группы каналов: восходящие (каналы передачи от мобильного телефона к базовой станции) и нисходящие (каналы передачи от базовой станции к мобильному телефону), которые занимают участки частотного спектра соответственно 890 – 915 и 935 – 960 МГц. Диапазон GSM 1800, в свою очередь, разделен на участки 1710- 1785 МГц и 1805 – 1880 МГц.

Рис. 2 – Распределение частот в диапазонах 900 МГц и 1800 МГц

В диапазоне GSM 900 каждый восходящий и нисходящий блок частот разделен на 124 канала (против 374 каналов для GSM 1800). Ширина полосы каждого канала составляет 200 кГц. Для радиотелефонной связи это может показаться слишком большой величиной, но не надо забывать, что речь идет о цифровой передаче, скорость которой составляет 8 x 22,8 Кбит/с при совместной передаче речи и данных. На практике при каждом соединении сигнал сообщения преобразуется в поток информации (оцифровывается), а затем разбивается на пакеты по 148 бит. На передачу каждого пакета отводится интервал длительностью 0,577 мс каждые 4,616 мс (то есть точно 8 x 0,577). Следовательно, мобильный телефон в режиме соединения выдает пачку очень коротких импульсов каждые 4,616 мс, что соответствует частоте 217 Гц. Именно непосредственным детектированием этих импульсных сигналов и объясняется характерное низкочастотное гудение, которое слышно близко от аудиоаппаратуры, имеющей недостаточно хорошее экранирование.

Благодаря применяющимся в системе GSM цифровым методам невозможно прослушивать телефон GSM при помощи обычного сканера, тем более что при передаче сообщений присвоение каналов носит динамический характер: во время соединения постоянно происходит переключение (смена) каналов, которое, помимо прочего, приводит к определенному повышению помехоустойчивости при распространении сигналов, особенно в черте города.

Обычно сигнал частотой 1800 МГц при распространении обладает более сильным затуханием (примерно в четыре раза) по сравнению с сигналом частотой 900 МГц той же мощности. Соответственно, он имеет меньшую дальность распространения. Сеть 1800 МГц, таким образом, идеально подходит для обслуживания в городских условиях. При этом используется большое количество базовых станций, обеспечивающих значительную пропускную способность каналов связи. Сеть 900 МГц, напротив, предпочтительнее для обслуживания больших территорий при использовании меньшего числа радиорелейных (приемо-передающих) станций [5].