Сотовая телефонная связь - основные понятия (объяснение человеческим языком)

Принцип сотовой связи

Аналоговые стандарты сотовой связи

Цифровые стандарты сотовой связи

Очень наглядные сравнения

Принцип сотовой связи

Основой любой сотовой сети телефонной связи является собственно сота (ячейка), в центре которой находится базовая станция. Во время разговора сотовый телефон соединен с базовой станцией радиоканалом, по которому и передается разговор. Размеры "ячейки" сотовой сети определяются максимальной дальностью связи телефонного аппарата с базовой станцией, типом сети, мощностью базовой станции и рядом других факторов. Максимальная дальность - радиус соты - может быть в диапазоне от нескольких метров до многих десятков километров. Идея сотовой сети мобильной связи заключается в следующем: еще не выйдя из зоны действия одной базовой станции, телефон и его владелец попадают в зону действия следующей, и так вплоть до наружной границы всей зоны покрытия сети. Сотовая связь совсем не обязательно подразумевает мобильность: сегодня во всем мире все большее распространение получает так называемая "сотовая фиксированная связь". Такое решение часто оказывается экономически выгодным - отпадает необходимость в дорогостоящей прокладке телефонного кабеля, а одной мощной базовой станции вполне достаточно для телефонизации целого микрорайона. В этом случае абоненты обычно получают настольные телефонные аппараты, мало чем отличающиеся от привычных кнопочных стационарных телефонов.

Аналоговые стандарты сотовой связи

На начальном этапе развития сотовой связи важнее всего было обеспечить максимально возможную зону охвата при минимально возможном количестве базовых станций. С этой задачей успешно справлялись аналоговые системы стандарта AMPS (Advanced Mobile Phone Service), в которых каждому абоненту на время разговора выделялась определенная полоса частот. При небольшом числе абонентов свободных частот хватало на всех, а базовые станции аналоговых систем диапазона 450 Мгц можно было размещать на значительном (десятки километров) расстоянии друг от друга. Первые сотовые телефоны весили чуть ли не пять килограммов, имели форму небольшого чемодана и стоили целое состояние. В те времена за весьма относительную, по нынешним представлениям, мобильность такому телефону прощали все остальные неудобства. Однако по мере роста числа абонентов начали возникать проблемы перегрузки сети, так как ограниченного диапазона частот перестало хватать для всех одновременно разговаривающих.

Одной из основополагающих концепций любой сотовой системы связи является концепция "многостанционного (множественного) доступа", под которой понимается то, что система поддерживает одновременную работу в сети нескольких абонентов. Иными словами, значительное количество абонентов делят между собой ограниченное число радиоканалов. Любой абонент может получить доступ к любому радиоканалу. Канал в этой ситуации может рассматриваться как часть ограниченного частотного диапазона, выделенного для данной сети связи.

Интенсивный процесс развития новых технологий мобильной телефонной связи можно считать начавшимся с того момента, когда рост числа абонентов сотовых сетей связи натолкнулся на "шлагбаум" дефицита частот. Несмотря на значительные усовершенствования, стандарт аналоговой передачи AMPS был обречен, и начался переход на цифровые стандарты, позволяющие при прочих равных условиях кардинально увеличить количество одновременно разговаривающих абонентов.

В разных системах сотовой связи используются разные технологии множественного доступа. Традиционные аналоговые системы сотовой связи, основанные на стандартах AMPS и TACS (Total Access Communications System), используют технологию частотного разделения каналов. Например, системы стандарта AMPS делят частотный диапазон на участки шириной 30 КГц на канал. Узкополосные системы AMPS (NAMPS) используют 10 КГц участки спектра на каждый канал, а системы TACS - 25 КГц участки спектра.

Цифровые стандарты сотовой связи

Совсем другие технологии применяются в цифровых системах сотовой связи. Самая распространенная называется технологией многостанционного доступа с временным разделением каналов (TDMA - Time Division Multiple Access). В группу стандартов цифровой связи TDMA входят Североамериканская цифровая сотовая связь (известная также под именем используемого ею стандарта IS-54/IS-136), Глобальная система мобильной связи (GSM - Global System for Mobile Communications) и Персональная цифровая сотовая связь (PDC - Personal Digital Cellular). Стандарт IS-54, в настоящее время IS-136, разработан в 1990 году для стран Северной Америки. Он был впервые применен в 1992 году. Эта технология, которую еще называют D-AMPS (Цифровая AMPS), разрабатывалась для увеличения емкости существующих аналоговых сетей AMPS, для которых уже не хватало частот в условиях быстрого роста числа абонентов. Одновременно в США начала быстрыми темпами развиваться еще одна система сотовой цифровой связи, основанная на технологии кодового разделения каналов - стандарт CDMA. В этой системе все телефонные разговоры как бы "перемешаны" в общем широкополосном сигнале, из которого каждый телефонный аппарат выделяет предназначенную ему часть благодаря присвоенному уникальному коду.

< ! >

Особенность отечественных условий - параллельное развитие чуть ли не всех существующих в мире стандартов сотовой связи. Произошло это по многим причинам - здесь и трудности с диапазонами частот, и стоимость оборудования, и особенности географии, и конкуренция иностранных производителей аппаратуры связи на новом рынке. В результате, на сегодняшний день мы имеем: GSM (Kyivstar GSM, UMC, Golden Telecom GSM, WellCOM), NMT-450 (UMC) и D-AMPS (DCC).

Очень наглядные сравнения

Для того чтобы представить себе принципиальные различия между разными технологиями, вообразите большую комнату и несколько пар людей, которые в этой комнате ведут переговоры. В каждой паре собеседники хотят разговаривать только между собой, и их не интересует содержание разговора других пар. Для того чтобы такие переговоры могли состояться, необходимо создать определенные условия.

Прежде всего, попробуем применить эту аналогию к системе с частотным разделением каналов. Система может быть в этих условиях смоделирована путем строительства стен и разделения одной большой комнаты на несколько маленьких. Пары собеседников будут заходить каждая в свою отдельную комнатку и там переговариваться. По окончании разговора пара будет из комнатки выходить, и ее место сможет занять следующая пара собеседников. В этой модели (AMPS) количество одновременно разговаривающих собеседников ограничено количеством "комнаток" - выделенных каналов.

В модели TDMA маленьких комнат больше, кроме того, каждая из них сможет обеспечить проведение нескольких бесед одновременно. Например, в условиях моделирования системы IS-136 TDMA с тремя временными интервалами, каждая комната "вместит" одновременно три пары собеседников, причем каждая пара будет разговаривать строго по очереди. Представьте себе, что каждая пара имеет право разговаривать в течение 20 секунд из каждой минуты: причем пара А может пользоваться секундами с 01 по 20, пара Б - с 21 по 40, а пара В - с 41 по 60. Причем даже если в комнате находится меньше трех пар, все равно каждая из них может разговаривать только по 20 секунд из каждой минуты. Выигрыш в емкости сети - очевиден, а современная электроника позволяет организовать передачу сигнала так, что разделение канала во времени будет незаметно для каждой из пар собеседников.

Теперь, для того чтобы в рамках предложенной аналогии смоделировать систему CDMA, прежде всего избавимся от всех перегородок. Все пары собеседников будут располагаться в одной большой комнате. Однако, если каждая пара будет разговаривать на своем, одной ей понятном языке, все собеседники вполне смогут использовать один и тот же воздух в качестве среды передачи своей речи и при этом не создавать друг для друга помех, искажающих смысл слов. В данном примере воздух в комнате выполняет роль широкополосной "несущей", а разные языки обозначают разные "коды", присваиваемые абонентам системы CDMA. Можно увеличивать количество пар собеседников в комнате, при условии того, что каждая пара будет беседовать на своем языке (уникальность выделяемого системой кода), до тех пор, пока общий создаваемый шум (помехи от других абонентов) не начнет затруднять взаимное распознавание речи.

Опубликовано 17 августа 2000 г.

«««