10.2. Сотовые сети

Компьютерные сети, которые используют в качестве среды передачи данных различного вида кабели, обеспечивают связь только с неподвижными абонентами. Однако развитие технического прогресса потребовало создания нового вида сетей, которые могли бы обеспечить связь с абонентами, которые свободно перемещаются по поверхности земли.

Одним из решения данной проблемы стало создание так называемых сотовых сетей. Название данных сетей произошло оттого, что их топология напоминает соты пчелиного улья (Рис. 16).

В центре каждой ячейки расположена неподвижная базовая станция (БС). Работа сети устроена так, что базовая станция "видит" только шесть соседних станций. Например, четвертая базовая станция взаимодействует только со станциями 1, 2, 3, 5, 6, 7. В качестве базовой геометрической фигуры топологии был выбран шестиугольник потому, что из равносторонних фигур только с помощью шестиугольников можно без разрывов покрыть любую поверхность.

Рис.16. Топология сотовой сети

В качестве среды передачи данных между абонентами и станциями в сотовых сетях используются радиоканалы с симплексной передачей данных, а между станциями могут использоваться радиоканалы, телефонные линии, оптоволоконные линии. Благодаря тому, что взаимодействовать между собой могут только соседние станции в сотовых сетях можно использовать радиоканалы с одинаковой частотой. Например, станции 2 и 8 не видят друг друга и поэтому могут работать на одинаковых частотах, не мешая друг другу.

Подвижный абонент взаимодействует через приемо-передающие устройства (например, мобильный телефон) с ближайшей базовой станцией. Если абонент выходит из зоны действия данной станции, то он автоматически переключается на другую станцию. Сотовая сеть обязательно имеет специальный аппаратный блок, в который поступают все сведения о перемещении объектов, и который управляет маршрутизацией данных в сети.

Если ретрансляторы базовых станций разместить на спутниках в космическом пространстве, то получиться спутниковая сотовая сеть. В результате этого зона обслуживания одной станции многократно увеличивается, и появляется возможность создания на базе искусственных спутников Земли глобальной системы, обеспечивающей пользователя связью в любой точке планеты.

10.3. Стандарты и спецификации сотовой связи

Рассмотрим несколько стандартов сотовой связи, которые используются в настоящее время.

NMT-450 (The Nordic Mobile Telephone System) – это аналоговый стандарт, ориентированный на охват большой территории. Данный стандарт был разработан в начале 80-х г. в Финляндии, а затем получил распространение в Скандинавии, Прибалтике и Восточной Европе. В Волгограде на основе данного стандарта функционирует сеть Сотел.

Диапазон рабочих частот данного стандарта лежит в интервале от 453 МГц до 467 МГц. Для увеличения емкости системы связи используется небольшие соты сети. Размер сот может колебаться от 0,5 км до 20 км и более. Мощность передатчика ручного телефона может составлять от 0,1 Вт до 1 Вт. Общее число каналов связи в одной соте 180 – 255.

Для уменьшения помех в случае близости к базовой станции или при большом скоплении передатчиков на малой площади может применяться режим уменьшения мощности по команде базовой станции.

Основными преимуществами данного стандарта являются:

• удобный частотный диапазон;

• хорошая совместимость с аналоговыми системами связи;

• низкая стоимость базового оборудования;

• в зависимости от значимости абонентов им могут предоставляться дополнительные преимущества, например сокращенный набор, приоритет при дозвоне и т.д.;

• использование единой системы нумерации, обеспечивающей автоматический роуминг. Роуминг означает, что при переезде пользователя в другой регион, его аппарат будет автоматически подключен к той сети, которая работает в данном регионе, с сохранением прежнего номера аппарата.

Однако данный стандарт имеет серьезный недостаток – низкая безопасность связи. Из-за чего посторонние лица могут воспользоваться каналом абонента и бесплатно вести разговоры. Помимо этого сигнал при разговоре не кодируется и его можно подслушать даже с помощью обычного приемника.

AMPS – аналоговый стандарт, разработанный в США в 1979 г. В 1983 он стал общенациональным стандартом США де-факто. В настоящее время данный стандарт применяется в более чем 80 странах. На основе данного стандарта в Волгограде работает сотовая сеть Юнисел фирмы Волгоград Мобайл.

Диапазон рабочих частот данного стандарта лежит в интервале от 825 - 890 МГц. Размер сот до 20 км. Мощность передатчика ручного телефона обычно составляет 1 Вт. Общее число каналов связи в одной соте 666.

Стандарт AMPS имеет аналогичные достоинства, как и предыдущий стандарт, но системы AMPS задумывались как локальные, поэтому в них не предусмотрен автоматический роуминг. При переезде пользователя в другой город ему необходимо уведомлять об этом оператора для получения нового номера.

Стандарт AMPS предусматривает небольшую мощность передатчика в телефонном аппарате, что позволяет значительно снизить его вес. Однако в связи с этим необходима установка большего числа базовых станций, чем при использовании стандарта NMT-450. Стандарт AMPS является аналоговым, поэтому при его использовании сеть также не защищена от "двойников". Для борьбы с ними, а также для расширения возможностей передачи данных, была разработана цифровая модификация стандарта - D-AMPS.

Основное достоинство стандарта AMPS заключается в большой емкости том, в нем предусмотрена возможность быстрого наращивания емкости сети, за счет использования широкого диапазона частот.

D-AMPS/AMPS – данная спецификация позволяет в одной и той же сети предоставлять услуги аналоговой сети AMPS и цифровой D-AMPS. Основными странами, использующими данный стандарт, являются США и Канада.

GSM 800 (Global System for Mobile Communications) – это цифровой стандарт, изначально разрабатывавшийся для европейских стран. С 1991 г. GSM получил широкое распространение в Европе, Австралии, Африке, на Среднем Востоке. В Волгограде на основе данного стандарта функционирует сотовая сеть фирмы Смартс.

GSM использует технологию TDMA (множественный доступ с разделением по времени). При этом каждой станции для ведения передачи периодически выделяется интервал времени приблизительно равный 0,6 миллисекунды. Диапазон рабочих частот данного стандарта лежит в интервале от 890 МГц до 960 МГц. Размер сот может колебаться от 100 м до 20 км и более. Мощность передатчика ручного телефона может составлять от 0,8 Вт до 2 Вт. Общее число каналов связи в одной соте 124.

Преимуществами данного стандарта являются:

• высокое качество передачи речевой информации;

• высокая помехозащищенность;

• автоматический роуминг;

• высокая безопасность сети.

Цифровое кодирование сигнала позволяет избежать помех и обеспечить конфиденциальность переговоров. Появление "двойников" у абонентов сетей GSM практически невозможно. Стандарт GSM предоставляет пользователям возможность перемещения по городам и странам без изменения номера телефона. Чтобы дозвониться до подвижного абонента, необходимо набрать номер, называемый номером подвижного абонента цифровой сети. Такой номер содержит помимо номера аппарата код страны и национальный код назначения, идентифицирующий оператора данного абонента.

К недостаткам стандарта GSM относятся:

• для организации сети требуется большее число базовых станций, чем у других стандартов, а это, соответственно, увеличивает стоимость создания сети;

• низкая абонентская емкость, т.е. с базовой станцией может вести связь ограниченное число абонентов;

• низкая скорость передачи данных (9600 бит/сек).

Размер сот для стандарта GSM лежит в диапазоне от 100 м до 35 км. Однако здесь имеется зависимость от рабочей частоты, на базе которой работает сеть. Так для стандарта GSM900 с базовой частотой 900 МГц размер сот не превышает 35 км, а для стандарта GSM1800 с базовой частотой 1800 МГц максимальный размер сот составляет около 10 км.

CDMA (Code Division Multiple Access) – это новая технология множественного доступа с кодовым разделением каналов. Этот стандарт позволяет вести общение по одному каналу связи одновременно нескольким абонентам, которые не мешают друг другу.

CDMA является одной из самых перспективных технологий в области сотовой связи, поскольку обеспечивает восьмикратное увеличение емкости частотных каналов по сравнению с AMPS и пятикратное по сравнению с GSM.

Для ее создания сети стандарта CDMA требуется примерно вдвое меньшее количество узлов, чем для GSM-сетей. Это снижает расходы на инфраструктуру и обеспечивает хорошее качество связи внутри зданий.