4.2.2. Сотовые системы связи

К недостаткам связи по радио относятся: громоздкость аппарату­ры, низкая надежность радиопередач, возможность прослушивания переговоров посторонними, ограниченная дальность (до 50 км) и узкий круг абонентов. Людям требовалась более надежная, гло­бальная и мобильная связь друг с другом.

Историческая справка. В основу первых систем сотовой (мо­бильной) связи были положены принципы, разработанные ранее для стандартов аналоговой радиосвязи. Причем каждое государ­ство развивало свою собственную систему, которая была несов­местима с другими по оборудованию и функционированию. Такая ситуация оказалась нежелательной не только из-за ограниченнос­ти действия мобильных устройств в пределах одной страны, но и из-за несовместимости оборудования.

В 1982 г. Конференция европейских почтово-телеграфных служб сформировала группу, которой было поручено разработать гло­бальный (паневропейский) стандарт для мобильной связи — Global standard for mobile communications (GSM).

Предполагаемая система должна была удовлетворять опреде­ленным требованиям:

обеспечивать хорошее качество речи; иметь невысокую стоимость терминалов и услуг; поддерживать международные связи (роуминг); обеспечивать использование портативных терминалов; поддерживать определенный набор услуг и служб. В основу GSM был положен цифровой принцип построения мобильной системы связи. Цифровая система связи дает целый

ряд преимуществ перед аналоговой и позволяет создать для або­нентов ряд новых услуг, например факсимильную связь, службу коротких сообщений SMS (short message service — пейджинг). Для связи между пользователями ПК и сетью GSM не требуется модем.

Под системой сотовой связи следует понимать совокупность размещенных на определенной местности базовых радиостанций, связанных между собой и с сетями телефонной связи. Базовые станции размещаются на местности в вершинах углов шестиуголь­ников, похожих по конфигурации на пчелиные соты (отсюда «со­товая связь»). Разметы «сот» варьируют от сотен метров в городах до нескольких десятков километров в сельской местности.

При ведении переговоров абонентом и его перемещении в пре­делах зоны обслуживания такой системы переключение сотовой трубки с одной базовой станции на другую (как в пределах «сот» так и между ними) происходит автоматически, что обеспечивает бесперебойность связи и позволяет назвать ее мобильной.

Стандартизованные в 1990 г. в Европе сети GSM распространи­лись по всем континентам и странам, и аббревиатура GSM значит теперь «global system for mobile communications» — глобальная си­стема для мобильных связей.

Структура сети GSM. Сеть GSM состоит из нескольких функ­циональных единиц: мобильного (сотового) телефона, который находится у абонента; базовой станции, которая контролирует ра­диосвязь с мобильным телефоном; коммутационного центра, вы­полняющего коммутацию вызовов между мобильными абонента­ми и управление при перемещении або­нентов.

Мобильный (сотовый) телефон со­стоит из терминала (непосредственно телефонного аппарата) и SIM-карты (subscriber identity module — модуль идентификации абонента).

В терминале находятся антенна, микрофон, приемопередатчик, АЦП и ЦАП, усилитель и капсюль от наушни­ка или миниатюрный громкоговоритель (рис. 4.4). Терминал однозначно иден­тифицируется кодом IMEI (international mobile equipment identity).

SIM-карта, или смарт-карта, пред­ставляет собой микросхему (чип) флэш- памяти, в которую заносятся код IMSI (international mobile subscriber identity), используемый дли идентификации або- Рис. 4.4. Мобильный теле- нента в системе, секретный ключ для фон Samsung SGH-250

проверки подлинности карты, шифры, пароли, личную инфор­мацию о конкретном абоненте, настройки телефона и другая ин­формация. Коды IMEI и IMSI независимы.

SIM-карта обеспечивает персональную мобильность абонента, т. е. абонент может иметь доступ к услугам связи с любого терми­нала и местоположения. Вставив SIM-карту в другой терминал, абонент также имеет возможность пользоваться всеми услугами мобильной связи. SIM-карта защищается от несанкционирован­ного использования паролем или персональным идентификаци­онным номером.

Базовая станция в пределах сотовой ячейки поддерживает од­новременно сотни телефонных переговоров, выделяя им свобод­ные частотные коридоры. При перемещении мобильного телефо­на базовая станция автоматически переключает его на другую сво­бодную частотную полосу, на которой связь более устойчива.

Коммутационный центр следит за перемещением телефона або­нента, продолжающего телефонный разговор, и определяет момент роуминга, когда следует переключить вызов с одной базовой стан­ции на другую, чтобы не снизилось качество приема и передачи.

Особенностью мобильной связи является то, что при передви­жении (пешком, на автомобиле, в поезде) во время разговора уровень радиосигнала постоянно изменяется. На это влияет рель­еф местности, строительные объекты, специфика жилых поме­щений и салонов автомобилей и т.д. Особенностью сетей GSM является то, что мобильный телефон во время разговора постоян­но контролирует мощность сигнала и, если она резко снижается, передает об этом информацию на базовую станцию.

Автоматика базовой станции сканирует все свободные каналы связи и возможности соседних сот и устанавливает новую, более надежную связь. Таким образом, в сотовых сетях каналы связи не постоянны и на протяжении разговора могут несколько раз ме­няться.

Цифровой стандарт GSM получил в Европе и в России наибо­лее широкое распространение и стал основным. В зависимости от рабочей частоты он подразделяется на GSM 450/900/1800/1900. В России наиболее распространен GSM 900/1800. Сети этого стан­дарта есть практически во всем мире.

Достоинство этого стандарта не только в широкой зоне рас­пространения, но и в том, что информация об абоненте записыва­ется на специальный носитель — SIM-карту. Ее выдают при под­ключении к сети. Она может быть использована с любой моделью телефонного аппарата этого стандарта. Благодаря этому можно легко менять сам аппарат: мобильный номер остается прежним — в него просто вставляется SIM-карта, и все сохраненные на ней данные становятся доступными. Операторами стандарта GSM являются МТС «Мобильные телесистемы» и «Би-Лайн».

Помимо стандарта GSM и параллельно с ним в европейской части России действуют стандарты NMT-450i, D-AMPS и CDMA. Следует иметь в виду, что стандарт определяет не только частоту, на которой осуществляется связь, но и характер связи — аналого­вый или цифровой, а также виды услуг, предоставляемых або­нентам.

Скандинавский аналоговый стандарт NMT-450i (nordic mobile telephone) широко распространен в Скандинавии, Прибалтике и на северо-западе России. Недостатки NMT-450i — жесткая при­вязка телефона к оператору (нельзя сменить оператора и даже номер, не поменяв аппарат) и относительно большие размеры аппаратов. Оператором стандарта NMT-450i является МСС (Мос­ковская сотовая связь, член федеральной сотовой сети COTEJI).

D-AMPS (digital advanced mobile phone service) — стандарт, который действует в 20 городах России. В Европе им не пользу­ются.

Стандарт CDMA пока мало распространен.

Технические характеристики мобильных телефонов. Важнейши­ми параметрами мобильных телефонов являются: мощность пере­датчика, чувствительность приемника, продолжительность заряд­ки батарей, качество звука, масса, эргономичность, безвредность.

Мощность радиопередатчика определяет дальность связи. В то же время с увеличением мощности сокращается время пользова­ния трубкой и усиливается воздействие электромагнитных излу­чений на организм человека. Мощность передатчиков в трубках не может быть более 2 Вт. Для минимизации межканальных помех и уменьшения энергопотребления мобильные телефоны и базовые станции функционируют на уровне наименьшей мощности, дос­таточном для требуемого качества сигнала. Для снижения потреб­ления энергии в мобильной связи предусмотрен ряд технологи­ческих тонкостей.

Так, выяснено, что в обычном разговоре людей около 60 % времени занимают паузы. Для снижения потребления энергии пе­редатчик отключается на время молчания абонента. Другой спо­соб экономии энергии аккумуляторов состоит в реализации мо­бильным телефоном прерывистого приема. В моменты времени между фразами мобильный телефон переключается в «спящий» режим, практически не потребляя энергии. Кроме того, мобиль­ный телефон измеряет мощность сигнала и передает информа­цию контроллеру базовой станции, который решает, следует ли изменить уровень мощности.

Чувствительность — основной критерий качества аппарата: хороший аппарат сможет уловить сигнал оператора даже там, где он очень слаб. Сотовые телефоны имеют меньшую мощность пе­редачи, чем радиостанции (максимум 2 Вт), однако их чувстви­тельность в десятки раз превышает чувствительность большинства радиостанций. В результате сотовые телефоны имеют сопостави­мый с радиостанциями радиус действия. Помимо основной функ­ции (передачи речи) сотовый телефон может передавать корот­кие цифровые сообщения и изображения.

Избирательность важна для извлечения желаемого сигнала из всех сигналов, наведенных в антенне. Радиоволны отражаются от всевозможных объектов — зданий, холмов, автомобилей, самоле­тов и т. д. Поэтому антенна принимает большое число отраженных сигналов с различными фазовыми смещениями. Чем выше изби­рательность, тем чище звук.

Эргономичность обусловливается удобством для руки, дизай­ном кнопок, размером цифр и знаков, подсветкой экрана, четко­стью символов и наличием сервисных функций.

Сервисные функции мобильных телефонов. Система коротких сообщений — это система, позволяющая принимать и передавать короткие текстовые сообщения (до 160 байт). Эта система (напо­минает пейджер) используется в случае, когда необходимо сроч­но что-либо сообщить, а телефон абонента либо постоянно за­нят, либо вообще не отвечает. Посланное сообщение абонент по­лучит вне зависимости от того, разговаривает он по телефону или нет, и даже в случае, если аппарат выключен или находится вне зоны действия ретрансляторов (сообщение хранится оператором и будет передано при первой возможности).

Предоставление одного аппарата для двух номеров означает, что на одной SIM-карте записываются идентификаторы, соответ­ствующие сразу двум телефонным номерам. Каждый номер может иметь свой набор услуг и обслуживаться по своему тарифному плану, на каждый из номеров будут выставляться отдельные счета. Это удобно для использования одного номера в деловых целях, с оплатой за счет компании, а другого — в личных, с оплатой са­мим абонентом.

Переадресация звонка удобна в том случае, если абонент нахо­дится дома или в офисе и ему нет никакой необходимости тратить деньги на разговоры по сотовому телефону, когда под рукой обыч­ная городская сеть. В этом случае задается команда переадресации звонков на введенный номер, и все поступающие звонки автома­тически пересылаются на него.

Удержание вызова позволяет прервать текущий разговор и при этом оставить собеседника на линии связи. Такая ситуация может понадобиться при необходимости приема второго поступившего звонка или для собственного звонка другому абоненту с возмож­ностью потом вернуться к прерванному разговору.

Автоматическая оплата услуг возможна при предварительной оплате определенного объема услуг. Информация об этом факте вносится в память SIM-карты и в процессе разговоров с внесен­ной суммы постепенно «списываются» деньги, естественно, по текущему тарифу. На некоторых телефонах текущие расходы на переговоры и остаток суммы на счете отражаются на дисплее.

Представление номера — функция, которая позволяет узнать, кто звонил в отсутствие хозяина.

Голосовой набор. Владельцу телефона достаточно произнести имя для того, чтобы начал набираться номер.

Инфракрасный порт позволяет обмениваться данными без про­водов, например с компьютером.

Классификация и ассортимент мобильных телефонов. Существует пять классов мобильных телефонов, соответствующих пикам мощ­ности их передатчиков: 20; 8; 5; 2 и 0,8 Вт.

Почти все мобильные телефоны двухдиапазонные — они ра­ботают одновременно в двух диапазонах волн, например 900 и 1800 МГц, но могут быть и трехдиапазонные. Третий диапазон — 1900 МГц — актуален для Северной Америки, Чили и некоторых азиатских стран.

Ниже приведены примеры мобильных телефонов низшей, сред­ней и высшей ценовых категорий.

Сотовый телефон Siemens А40

Стандарт: GSM 900/1800. Продолжительность работы от встроенного никель-металл-гидридного аккумулятора в режиме разговора/ожидания — до 4/150 ч. Дисплей: жидкокристаллический с подсветкой; 2 строки тек­ста по 16 символов, строка пиктограмм. На экране дисплея высвечива­ются часы с датой. Это один из телефонов в категории простых аппара­тов, оснащенных вибросигналом. Модель рассчитана на пользователей, которым нужно главным образом звонить и отправлять SMS.

Габаритные размеры 46 х 118 х 27 мм. Масса (с аккумулятором) 122 г.

Сотовый телефон Ericsson SH 868

Стандарт: GSM 900/1800. Мощность: 20 мВт... 2 Вт.

Аккумулятор (стандартный): slim Ni-MH; емкость 800 мА-ч. Продолжи­тельность работы от встроенного аккумулятора в режиме разговора/ожи­дания до 4,5/80 ч. Дисплей: жидкокристаллический с подсветкой; три строки текста по 12 символов. На экране дисплея высвечиваются показа­тели уровня принимаемого сигнала, состояния аккумулятора, время. Меню русифицировано. Имеется память на 10 звонков, оставшихся без ответа; 99 ячеек памяти (плюс память на SIM-карте). Для обеспечения конфиденциальности предусмотрены блокировка клавиатуры, SIM-кар- ты, PIN-кода, имеется пароль на включение. Для сигнала можно ис­пользовать 15 мелодий, можно записать собственную мелодию.

Габаритные размеры 49 х 130 х 22 мм. Масса (с аккумулятором) 194 г.

Сервисные функции: вызов номеров, записанных в ячейках 1...10, нажатием одной кнопки; быстрый доступ к записной книжке и голосо­вой почте; автоматический повторный набор; таймер; режим экономии питания; возможность просмотра стоимости разговора и остатка на сче­те; услуга коротких сообщений; исключение нежелательных звонков; пересылка и переадресация вызова; удержание вызова; предоставление одного аппарата для двух номеров; разрешение/запрет автоматического определения номера; закрытая группа пользователей. При несчастных случаях можно позвонить по номеру 112 (междугородный телефон спа­сения).

Складной сотовый телефон Motorola V3688 имеет дисплей в крышке аппарата.

Аппарат имеет все функции, рассмотренные в предыдущем примере.

Аккумулятор (стандартный): Li-ION; емкость 600 мА-ч. Продолжи­тельность работы в режиме разговор/ожидание до 3,5/115 ч.

Дисплей: высококонтрастный, 4 строки текста и 1. строка графичес­ких рисунков. Индикатор роуминга. Наличие крышки, защищающей кла­виатуру, а также встроенного виброзвонка.

Услуги сети: передача данных и факсов.

Габаритные размеры (в сложенном состоянии) 83 х 44 х 25 мм. Масса (с аккумулятором) 83 г.