Элементы сотовой телефонной сети

Существует шесть основных элементов системы сотовой телефонии: электронный центр коммутации, контроллер базовой станции, радиоприемопередатчики, линии передачи, мобильные телефонные аппараты и общий протокол обмена данными.

Электронный центр коммутации – сердце сотовой телефонной системы, это цифровая телефонная станция, которая располагается на центральном узле. Электронный центр коммутации – коммутатор, который выполняет две основных функции:

1) управляет коммутацией между проводной телефонной сетью общего пользования и базовыми станциями, обслуживая вызовы от стационарного телефонного аппарата к мобильному, от мобильного к стационарному, а также между мобильными аппаратами;

2) обрабатывает данные, полученные от контроллеров базовых станций – информацию о состоянии мобильных аппаратов, диагностические данные и информацию тарификации.

Электронные коммутаторы взаимодействуют с контроллерами базовых станций, используя протокол канала передачи данных (например, Х.25) на скорости передачи 9,6 кбит/с или выше.

Контроллер базовой станции управляет всеми радиоканалами данной соты, контролирует вызовы, включает и выключает радиоприемник и радиопередатчик, помещает данные в речевые каналы и каналы управления, а также выполняет диагностические тесты оборудования на узле. Контроллер базовой станции является одной из частей подсистемы базовой станции. Вторая часть –приемопередатчик базовой станции (BTS - Base Transceiver Station).

Радиоприемопередатчики сотовых телефонных систем могут использовать узкополосную частотную модуляцию (в случае аналоговых систем), а также фазовую манипуляцию ФМ или квадратурную амплитудную модуляцию КАМ (в случае цифровых систем с эффективной полосой пропускания тональной частоты, сравнимой полосой частот стандартного телефонного канала – примерно от 300 до 3000 Гц). Каналы управления используют частотную или фазовую манипуляцию (ЧМ или ФМ). Максимальная выходная мощность передатчика зависит от типа сотовой системы. Базовая станция каждой соты обычно имеет один радиопередатчик и два радиоприемника, настроенные на один и тот же канал (частоту). При этом выбирается тот радиоприемник, который детектирует более сильный сигнал. Такую схему называют разнесением приемников. Радиоприемопередатчики базовых станций имеют антенны (как передающие, так и приемные).

Для соединения центров коммутации с базовыми станциями и телефонной сетью общего пользования обычно применяются четырехпроводные выделенные (арендованные) линии связи. Для каждого речевого канала соты выделяется одна четырехпроводная межстанционная соединительная линия. Кроме того, необходимо иметь хотя бы по одной четырехпроводной соединительной линии от центра коммутации до каждого контроллера базовой станции дляпередачи сигналов управления.

Мобильный и портативныйтелефонныеаппараты идентичны. Единственное отличие состоит в том, что портативные аппараты имеют меньшую выходную мощность и менее эффективную антенну и работают только от аккумуляторов.

Структурная схема сотового телефона представлена на рисунке 6.16. Каждый мобильный телефонный аппарат содержит блок управления (микроконтроллер), многочастотный (т. е. многоканальный) радиоприемопередатчик, мобильную антенну, жидкокристаллический индикатор ЖКИ, клавиатуру.

Блок управления поддерживает все пользовательские интерфейсы, включая встроенную микротелефонную трубку. Микроконтроллер также коммутирует периферийные устройства, которые подключаются к трубке с помощью специального соединительного кабеля или посредством инфракрасного или другого порта, например, Bluetooth.

Приемопередатчик с помощью синтезатора частоты может настроиться на частоту любого выделенного ему канала сотовой системы.

Канальный кодек предназначен для формирования кодирующего сигнала по протоколу канала.

Трубка имеет несколько видов памяти — статическое ОЗУ (SRAM), ПЗУ и флэш-память.

Последний компонент сотовой телефонной системы – протокол обмена данными, управляющий процедурами установления и прерывания телефонных соединений. В системах сотовой телефонии используются протоколы нескольких уровней, и эти протоколы отличаются в различных сотовых сетях. Выбор протокола зависит от того, являются ли речевые каналы и каналы управления аналоговыми или цифровыми, а также от метода доступа абонентов к сети. Примерами про­токолов обмена данными в системах сотовой связи являются протоколы IS-54, IS-136.2 и IS-95.

Для организации телефонного соединения в сотовой сети требуется одновременное использование двух полнодуплексных радиоканалов – абонентского канала и канала управления. Абонентский канал – это тот речевой канал, по которому мобильные абоненты соединяются через базовую станцию с другими абонентами мобильной или проводной связи. Канал управления используется дляпередачи контрольной и диагностической информации между мобильными абонентами и центром коммутации сотовой связи через базовую станцию. Базовые станции пе­редают информацию по прямому каналу управления и прямому речевому каналу, а принимают – по обратному каналу управления и обратному речевому каналу. Мобильные аппараты передают информацию по обратному каналу управления обратному речевому каналу, а принимают – по прямому каналу управления и прямому речевому каналу.

 

Рисунок 6.16 – Структурная схема сотового телефона

 

Установление соединения в сотовой телефонной системе аналогично тому, как это происходит в проводной телефонной сети общего пользования. После включения мобильного аппарата он выполняет набор стандартных процедур, а затем оценивает уровень сигналов, принимаемых из всех абонентских каналов. Мобильный аппарат автоматически настраивается на канал управления с наибольшим уровнем принимаемого сигнала и синхронизируется по управляющей информации, поступающей от контроллера базовой станции. Мобильный аппарат интерпретирует эти данные и продолжает выполнять мониторинг каналов управления, периодически сканируя их, чтобы убедиться, что используется наилучший канал управления.

В настоящее время наиболее популярен стандарт GSM. Стандарт GSM - Global System of Mobile communication - всемирная система мобильной связи (иногда эту аббревиатуру расшифровывают как Group Special Mobile - группа разработчиков стандарта GSM).

Основные технические характеристики стандарта представлены в таблице 6.1.

 

Таблица 6.1

Характеристики	Значения
диапазон частот	450,4...457,6 МГц/460,4...467,6 МГц (GSM -450)
478,8...486 МГц/488,8...496 МГц (GSM -480)
890...915 МГц/935...960 МГц (GSM -900)
1710...1785 МГц/1805...1880 МГц (GSM -1800)
разнос между несущими частотами	200 кГц
количество речевых каналов на несущей частоте	8 (16 — для GSM -1800)
вид модуляции	0,3 GMSK
скорость преобразования речевого сигнала	13 (6,5) Кбит/с
алгоритм преобразования речевого сигнала	RPE-LTP
скорость передачи информации	270 Кбит/с
радиус соты	0,5...35 км

 

Встречающееся обозначение GSM -400 представляет собой обобщение обо­значений GSM -450 и GSM -480. В России его пока не используют, однако в Европе он проходит испытания, и вскоре начнут выпускать трехдиапазонные сотовые телефоны стандартов GSM -400/900/1800. GSM -400 призван заменить стандарт NMT -450/ NMT -450 i. В технической литературе иногда GSM -1800 обозначают как DCS -1800. Эту систему сотовой связи разработали и впервые использовали в Великобритании, где она получила наименование Digital Cellular System — система цифровой сотовой связи диапазона 1800 МГц. Она практически не отличается от системы GSM, если не принимать во внимание некоторые не столь существенные детали.

В США система сотовой связи стандарта GSM работает в диапазоне 1900 МГц и имеет обозначение PCS -1900 (Personnel Communication Devices), кроме этого, используется и привычное для нас обозначение — GSM -1900. Американский стандарт GSM -1900 функционирует по технологии CDMA (кодовое разделение каналов с множественным доступом), в отличие от европейских стандартов GSM, использующих технологию TDMA (временное разделение каналов с множественным доступом). Полосы частот, указанные в характеристиках стандарта, записываются в виде дроби: в числителе указывается диапазон передачи от сотового телефона к базовой станции, а в знаменателе — диапазон передачи от базовой станции к сотовому телефону.

Как следует из характеристик стандарта, ширина каждой из частотных полос составляет 25 МГц, что обеспечивает 124 канала связи (124 пары частот) с разносом между несущими в 200 кГц. Разнос между частотами передачи и приема каждого канала составляет 45 МГц. Любая базовая станция сотовой связи может обеспечить работу на одной или нескольких несущих частотах, число которых зависит от плотности сети сотовой связи в зоне работы станции.

При этом реализуется принцип множественного доступа с частотным разделением каналов — FDMA. Использовать же два соседних канала в одной ячейке невозможно. Каждой базовой станции назначают одну или более несущих частот, используя принцип множественного доступа с временным разделением каналов.

При использовании восьми слотов «оцифрованная речь» в каждом канале передается короткими пачками (пакетами) импульсов, а терминал GSM передает только 1/8 часть от каждого сообщения (рисунок 6.17).

Рисунок 6.17 – Принцип образования канала связи в системе сотовой связи GSM

При использовании восьмислотового кадра TDMA и 248 физических полудуплексных каналов (это 2x124 канала) теоретически обеспечивается передача 8x248 = 1984 логических полудуплексных каналов на каждую ячейку. Каналы называют полудуплексными потому, что при соединении двух абонентов их разговор передается поочередно (один говорит - другой слушает). На самом деле обеспечивается передача только 283 (из расчета 1984/7) логических полудуплексных каналов на ячейку. Это обусловлено тем, что в каждой ячейке можно использовать только семь пар из общего количества частот (рисунок 6.18).

Рисунок 6.18 – Распределение частот физических каналов между ячейками:

r – радиус ячейки, d – защитный интервал

Каждый из частотных каналов разделен на 8 временных слотов длиной 0,577 мс (15/26 мс). Эти слоты составляют TDMA -кадр длиной 4,615 мс (120/26 мс). Повторение отдельно взятого временного слота каждые 4,615 мс образует один основной канал (логический канал).

В системах связи стандарта GSM различают два вида каналов:

- каналы трафика TCH (Traffic Channels) для передачи информации пользователя (речь, данные);

- каналы управления, которые в сети резервируют для передачи сообщений при ее обслуживании. Считается, что для передачи речи достаточно скорости 13 Кбит/с.

Системы GSM используют «медленную скачкообразную перестройку частоты», или SFH (Slow Frequency Hopping), когда мобильная и базовая станции каждый TDMA -кадр передают на новой фиксированной частоте с сохранением постоянного разноса в 45 МГц между каналами приема и передачи. Время для перестройки частоты составляет около 1 мс. Последовательность переключения частот в процессе установления связи для каждого сотового телефона индивидуальна. Именно принцип SFH успешно решает проблему качества связи, которое при многолучевом распространении сигнала может ухудшаться с изменением значения несущей частоты.