Цифровые стандарты сотовой связи

В 1991 г. он был утвержден цифровой стандарт сотовой связи. Табл. 7.2.2.

Табл. 7.2.2

Характеристики Стандарта	GSM (Западная Европа)	ADC (США)	JDC (Япония)	CDMA (США)
Год ввода в эксплуатацию	1992	1992	1991	1994
Рабочий диапазон частот, МГц	935-965 890-915	824-840 869-894	810-826 910-956	824-840 869-894
Метод доступа	Временное разделение каналов	Временное разделение каналов	Временное разделение каналов	Кодовое разделение каналов
Разнос каналов, кГц	200	30	25	1250
Количество речевых каналов на несущую	8	3	3(6)	32
Эквивалентная полоса на речевой канал, Гц	25	10	8,3 (4,15)
Вид модуляции	GMSK	тс /4 DQPSK	тс/4 DQPSK	QPSK
Возможный радиус соты, км	0,5-35	0,5-20	0,5-20	0,5-25

 

Структура сотовой системы

Сотовая связь коренным образом отличается от традиционной радиосвязи (Рис. 7.2.3.). В ней не предусматривается создание отдельных, требующих больших затрат энергии, каналов связи между каждой парой абонентов. Вместо этого обслуживаемая территория делится на относительно небольшие ячейки (соты). Станции, расположенные в каждой ячейке, имеют небольшую мощность, полностью автоматизированы, и каждая из них соединена с центральной сотовой станцией. Абоненты связываются не непосредственно с центральной, а только с ближайшей станцией. Таким образом, на большом пространстве может быть создана сеть из множества взаимосвязанных радиостанций.

Рис. 7.2.3. Структура сотовой сети.

Принципиальным является то, что ячейки делаются небольшими: – радиус действия каждой станции не превышает нескольких километров. В условиях ограниченного диапазона частот тот же самый частотный канал можно использовать снова, но, правда, не в соседней ячейке. Таким способом можно, не расширяя полосу занимаемых частот, обеспечить сотовой связью весь земной шар. Небольшая мощность передатчиков позволяет делать аппаратуру весьма компактной и недорогой.

В Соединенных Штатах для сотовой связи выделен диапазон частот, в котором можно разместить 666 телефонных каналов. Оборудование каждой ячейки обеспечивает 45 двусторонних телефонных разговоров одновременно. Каждая дуплексная связь ведется на двух частотах, следовательно, в каждой ячейке используются 90 из 666 выделенных каналов. В соседних ячейках используются другие каналы. В более удаленных ячейках, те же самые каналы могут использоваться снова.

Рис. 7.2.4. Распределение каналов между ячейками.

Предположим (Рис. 7.2.4.), что в центральной ячейке области 1 используются каналы с 1 по 90. Ни в одной из соседних с ней ячеек на этих каналах вести переговоры уже нельзя из-за возможных взаимных помех, поэтому в соседних ячейках будут использоваться другие из 666 частотных каналов. Часть ячеек области 2 уже достаточно удалена, поэтому в них снова можно использовать те же частоты, что и в области 1. Центральная сотовая станция принимает сигналы от каждой из ячеек своей области и направляет их в ОАТС.

Когда абонент сотовой связи "снимает трубку" своего телефона, ближайшая станция принимает передаваемые телефоном сигналы и выделяет два свободных канала, по которым и осуществляется связь. Выбор каналов полностью автоматизирован, – абонент не имеет отношения к этой процедуре. После установки дуплексной связи центральная сотовая станция передает обработку вызова обычной телефонной станции. После подключения к телефонной линии вы услышите сигнал готовности.

Поскольку мобильный телефон перемещается в пространстве, уровень принимаемого сигнала постоянно изменяется. Когда абонент приближается к границе ячейки, центральная сотовая станция определяет, какая из соседних ячеек оказывается в "лучшем положении". После этого связь с абонентом передается аппаратуре следующей ячейки; такая процедура называется перебросом вызова. Процесс переброса незаметен для абонента, его разговор не прерывается.

У сотовой системы есть еще одно преимущество. Если различные территории обслуживаются разными компаниями, они могут вступить в соглашение и создать единую сеть. Многие компании так и поступили, договорившись о взаимном обслуживании клиентов. Всякий раз, когда вы выезжаете за пределы "своего" района, другая сотовая сеть автоматически примет переброс вызова и продолжит вас обслуживать. Там, где две местности, обслуживаемые различными компаниями, соседствуют одна с другой, сотовая сеть может быть непрерывной.

Сотовая сеть расширяема как вширь, так и "вглубь". Можно не только добавить новые ячейки к существующей сети, но и разделить существующие на более мелкие, что позволит обслуживать большее количество абонентов.

Сотовые телефоны

Несомненно, сотовый телефон является наиболее совершенным и эффективным из доступных для рядового потребителя средством связи. Условно схему сотового телефона можно разделить на три модуля (Рис. 7.2.5.): радиочастотный модуль, низкочастотный модуль и модуль управления.

Радиочастотный модуль

Радиочастотный модуль, показанный на Рис. 7.2.6, обрабатывает все радиосигналы, принимаемые или передаваемые сотовым телефоном. Антенна подключается к входному устройству (обычно это ферритовый вентиль, дополненный селективными фильтрами), которое предотвращает попадание сигналов передатчика на вход приемной схемы. Эффективность его такова, что вход приемника не перегружается даже при мощности передатчика сотового телефона в несколько ватт – это необходимо для обеспечения дуплексной связи.

Рис. 7.2.5. Устройство сотового телефона.

Принимаемые сигналы РЧ фильтруются и преобразуются в ПЧ схемой приемника. Выходной сигнал ПЧ с радиочастотного модуля поступает на низкочастотный модуль. Однако если в обыкновенных радиоприемниках используется ручная настройка для установки частоты приема, то в сотовом телефоне используется синтезатор частот, с помощью которого можно выбрать любой из 666 выделенных каналов сотовой связи. Частоты канала, выбранного в каждый конкретный момент времени, определяются модулем управления. Когда сотовый телефон перемещается в пространстве от ячейки к ячейке, частоты приема и передачи переключаются таким образом, чтобы соответствовать доступным каналам связи в новой ячейке. Инструкции, предписывающие, на какую частоту переключиться, поступают на телефон вместе с другими сигналами управления со станции сотовой связи и декодируются модемом, входящим в состав модуля управления телефона.

Рис. 7.2.6. Радиочастотный модуль сотового телефона.

Речевые сигналы и служебные коды с низкочастотного модуля поступают на схему передатчика, где ими модулируется несущая частота. Усиленный модулированный РЧ сигнал подается на антенну. Несущая частота передатчика устанавливается синтезатором и определяется управляющим кодом, переданным на телефон приемопередатчиком той ячейки, в которой вы находитесь.

Синтезатор частот обычно строится на основе систем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и включает в себя опорные генераторы (обычно два), частоты которых стабилизируются кварцевыми резонаторами, и два генератора, управляемых напряжением (ГУН), вырабатывающих сигнал гетеродина приемника и несущую передатчика. Сигналы обоих ГУН смешиваются в отдельных смесителях с сигналом одного из опорных генераторов, в результате чего на выходах смесителей выделяются сигналы разностных частот (между опорной частоты и частотами ГУН). Частота сигнала второго опорного генератора делится в определенное число раз двумя – один для несущей, другой для гетеродина – делителями с переменными коэффициентами деления (ДПКД). Коэффициент деления каждого ДПКД определяется управляющим кодом, передаваемым сотовой станцией. Схема ФАПЧ сравнивает разностные частоты на выходах смесителей с частотами на выходах ДПКД и подстраивает оба ГУН таким образом, чтобы вышеуказанные частоты оказались равны. Таким образом, частоты сигналов гетеродина и генератора несущей определяются, с одной стороны, образцовыми частотами двух опорных генераторов, а с другой – управляющими кодами сотовой станции, что гарантирует их высокую стабильность.

Рис. 7.2.7. Низкочастотный модуль сотового телефона.

Низкочастотный модуль

В низкочастотном модуле (Рис. 7.2.7.) происходит преобразование сигналов ПЧ, поступающих с радиочастотного модуля, в звуковые сигналы, которые можно услышать в громкоговорителе сотового телефона. Довольно часто в сотовых телефонах устанавливается второй звукоизлучатель, он используется для подачи сигнала "звонка". Тональные DTMF-сигналы набора и речевой сигнал от микрофона проходят через фильтры, усилители, суммируются и подаются на радиочастотный модуль (вместе с сигналами из модуля управления), где ими модулируется несущая частота передатчика. Часть передаваемого речевого сигнала возвращается в громкоговоритель для получения местного эффекта. Работа приемника и передатчика звуковых сигналов координируется модулем управления.

Модуль управления

Модуль управления (Рис. 7.2.8.) координирует работу всех узлов сотового телефона. По своей архитектуре он похож персональный компьютер. Функционирование микропроцессора (МП) осуществляется на основе инструкций (программ), хранящихся в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) используется для временного хранения данных, например, номера текущего канала связи, установленной мощности передатчика и т.д., а также результатов логических или математических операций, которые производятся при выполнении программы.

Рис. 7.2.8. Модуль управления сотового телефона.

В ре-программируемом постоянном запоминающем устройстве (РПЗУ) хранится информация, специфическая для каждого конкретного телефона: например, назначенный сотовый телефонный номер. Радиочастотный и низкочастотный модули и DTMF-генератор управляются сигналами, поступающими непосредственно с МП.

Поскольку сотовые телефоны являются активными элементами сети, они должны находиться с ней в постоянном контакте. Помимо речевых сигналов и тональных DTMF-сигналов набора номера, сотовые телефоны должны передавать и принимать данные от приемопередатчика текущей ячейки (т.е., в конечном счете, от центральной сотовой станции). Для "подмешивания" данных в передаваемый телефоном радиосигнал, а также для выделения и декодирования команд и данных, получаемых из сети, используется ИС модема.

МП управляет работой контроллера сотового телефона, который представляет специализированную ИС, через которую осуществляется взаимодействие с клавиатурой и индикатором сотового телефона. Он используется также при установке необходимых частот синтезатора в радиочастотном модуле.

В сотовом телефоне обычно устанавливается дисплей, на котором индицируется набираемый номер и режим работы сети и телефона (например, "Выбор", "Включен", "В работе", "Поиск", "Занято" и т.д.). Для снижения потребляемой мощности и увеличения срока службы в качестве дисплея обычно используется жидкокристаллический индикатор (ЖКИ).

Недостатки сотовой связи

Как и беспроводные, сотовые телефоны имеют ряд недостатков, о которых вам необходимо знать. Они не связаны с неисправностями или изъянами конструкции сотового телефона, а являются следствием самих принципов радиотелефонии. Наиболее слабым местом считается радиочастотный канал связи между телефоном и приемопередатчиком ячейки. Проблемы, возникающие при пользовании сотовой связью, можно разделить на четыре основные группы: замирания сигнала, мертвые зоны, источники питания и конфиденциальность.

Замирания сигнала

Отличительной особенностью радиоволн в диапазоне от 800 до 900 МГц (диапазон сотовой связи) является то, что они излучаются (и принимаются) только в определенных направлениях относительно антенны, т.е. ее диаграмма

направленности имеет явно выраженные минимумы и максимумы. Кроме того, сигналы этих частот сильно поглощаются во влажной атмосфере, отражаются от стен и прочих поверхностей (например, от воды), а крупное препятствие, например, высотное здание или холм, и вовсе не позволит им распространиться дальше.

При перемещении вашего сотового телефона уровень принимаемого сигнала может иногда снижаться настолько, что это будет приводить к кратковременной потере слышимости. Может прерываться и сигнал вашего телефона, передаваемый на сотовую станцию. В зависимости от обстоятельств, эти паузы могут быть эпизодическими, а могу следовать одна за другой, совершенно расстраивая разговор.

Другой причиной замираний сигнала может быть приближение к периферии обслуживаемой территории, где нет других ячеек, на которые можно перебросить ваш вызов. Снижение уровня сигнала приведет к появлению кратковременных прерываний, частота которых будет быстро увеличиваться до тех пор, пока вас полностью не отсоединят.

Оборудование сотового центра обычно конструируется таким образом, что не реагирует на кратковременные замирания и не разъединяет ваш разговор. Однако слишком частые или длительные замирания могут привести к тому, что сотовый центр вас отсоединит. Пользуясь сотовым телефоном, вы довольно скоро выясните, где в вашем районе находятся зоны с плохой связью.

Мертвые зоны

В принципе, мертвые зоны возникают по тем же причинам, что и замирания сигнала, только такие участки занимают намного большее пространство. Перерывы в прохождении сигналов могут быть настолько длительными, что сотовый центр воспринимает потерю сигнала как отбой, и освобождает занятые каналы, переключая их на обслуживание других вызовов.

Мертвые зоны часто возникают из-за поглощения и отражений сигналов в холмистой или гористой местности, в районах с плотной городской застройкой. От мертвых зон иногда можно избавиться, изменив расположение приемопередатчика сотовой ячейки или добавив новые ячейки для обслуживания "неудобной" территории.

Источники питания

В качестве источников питания в сотовых телефонах используются никель-кадмиевые аккумуляторы, которые имеют ряд достоинств и недостатки.

Аккумуляторы ПБ не заряжаются. Ток заряда поступает в ПБ через специальную пару контактов. Когда выключенный ПБ находится в предназначенном для него гнезде, контакты СБ соприкасаются с соответствующими контактами ПБ. Для того чтобы судить о наличии зарядного тока, на СБ. часто устанавливается светодиодный индикатор.

В качестве аккумуляторов используют никель-кадмиевые аккумуляторы, которые имеют ограниченный срок службы.

Конфиденциальность

Все сказанное в предыдущей главе о конфиденциальности беспроводных телефонов, относится и к сотовой связи. С одной стороны, в данном случае ситуация для абонента усугубляется тем, что радиус действия сотовых телефонов составляет несколько километров, поэтому подслушивающий находится в более выгодном положении. С другой стороны, поскольку ваш телефон находится в движении, сотовая система переключает каналы при перебросах между ячейками. Подслушивающий должен следовать за вами и иметь возможность подключаться к каждому из 666 каналов, доступных для вашего сотового телефона, что даже для самого опытного профессионала – довольно непростая задача. Для борьбы с радио-подслушиванием в новых моделях беспроводных телефонов используется цифровое кодирование передаваемых сигналов. В состав СБ и ПБ включаются взаимно совместимые шифраторы-дешифраторы с одинаковой (но уникальной) таблицей кодов (их называют по-английски скремблеры). Любой приемник, в котором не установлен соответствующий декодер, будет воспроизводить полную какофонию. Применение практически полностью решает все проблемы с секретностью.