22 Также встречаются названия «локальный шлейф», «локальная кольцевая линия» и др. — Примеч. пер.
23 Она же решетчатое кодирование, или решетчатая кодированная модуляция. — Примеч. пер.
2.6. Сотовые сети
Даже если традиционная телефонная система когда-нибудь полностью перейдет на мультигигабитное оптоволокно, этого будет недостаточно. Современные пользователи хотят звонить, проверять электронную почту и просматривать веб-страницы где угодно: в самолетах, автомобилях, бассейнах и даже во время пробежек в парке. Это порождает невероятный интерес к беспроводной телефонии (а также инвестициям в нее).
Мобильные телефонные системы используются для глобальной голосовой связи и обмена данными. Уже насчитывается пять поколений мобильных телефонов (иногда называемых сотовыми): 1G, 2G, 3G, 4G и 5G. Первые два поколения предоставляли услуги аналоговой (1G) и цифровой (2G) передачи голоса; поколение 3G — цифровой передачи голоса и данных (интернет, электронная почта и т.д.). В технологии 4G добавились новые возможности, включая дополнительные методики передачи данных физического уровня (например, восходящую передачу OFDM), а также фемтосоты на основе IP (домашние сотовые узлы, подключенные к стационарной интернет-инфраструктуре). Поколение 4G не поддерживает телефонию с коммутацией каналов, в отличие от его предшественников; в его основе — исключительно коммутация пакетов. В настоящее время постепенно развертываются сети 5G, но пройдут годы, прежде чем они полностью заменят сети предыдущих поколений. Технология 5G позволяет передавать данные на скорости до 20 Гбит/с и отличается большей плотностью размещения сотовых вышек. Особое внимание направлено на снижение сетевой задержки, чтобы обеспечить работу более широкого круга приложений, например современных интерактивных игр.
2.6.1. Основные понятия: соты, передача обслуживания, пейджинг
Во всех мобильных телефонных системах географические области делятся на соты (cells), именно поэтому переносные телефонные аппараты иногда называют сотовыми телефонами. Смежные соты используют разные наборы частот. Главная идея, благодаря которой пропускная способность сотовых систем намного выше, чем у их предшественников, — использование относительно маленьких сот и повторное использование частот в близко расположенных (но не смежных) сотах. Чем меньше соты, тем выше пропускная способность системы и тем экономнее потребление электроэнергии. В итоге передатчики и переносные телефонные аппараты становятся компактнее и дешевле.
Соты позволяют многократно использовать частоты, как показано на илл. 2.39 (а). Соты имеют форму, близкую к окружности, но удобнее представить их в виде шестиугольников. На илл. 2.39 (а) изображены соты одного размера, сгруппированные по семь штук. Наборы частот обозначены буквами. Обратите внимание, что каждый набор окружен буфером в две соты толщиной, в котором используются другие частоты. Это обеспечивает эффективное разделение частот и низкий уровень помех.
Илл. 2.39. (а) Одинаковые частоты не используются в смежных сотах. (б) Чтобы повысить число пользователей, можно использовать меньшие соты
Слишком большое количество пользователей может вызвать перегрузку системы. Чтобы этого избежать, можно снизить мощность и разбить перегруженные соты на микросоты. Это повышает интенсивность повторного использования частот, как показано на илл. 2.39 (б). Иногда телефонные компании создают временные микросоты с помощью переносных вышек со спутниковыми каналами связи — на спортивных мероприятиях, рок-концертах и в других местах, где множество пользователей собирается на несколько часов.
В центре сот расположены базовые станции, на которые передаются данные со всех телефонов в соте. Базовая станция состоит из компьютера и передатчика/приемника, подключенных к антенне. В маленьких системах все базовые станции подключаются к одному устройству, которое называется центром мобильной коммутации (Mobile Switching Center, MSC), или коммутатором мобильной связи (Mobile Telephone Switching Office, MTSO). В больших системах могут понадобиться несколько MSC, подключенных к одному MSC второго уровня, и т.д. MSC, по сути, являются аналогами оконечных телефонных станций и фактически подключены по меньшей мере к одной такой станции. MSC обмениваются информацией с базовыми станциями, друг с другом и с коммутируемой телефонной сетью общего пользования (Public Switched Telephone Network, PSTN), используя коммутацию пакетов.
В любой момент времени мобильный телефон логически относится к конкретной соте и контролируется ее базовой станцией. Когда телефон покидает эту соту, базовая станция замечает ослабление сигнала и «спрашивает» ближайшие станции, насколько хорошо они его «слышат». Получив ответы, станция передает обслуживание этого телефона той соте, в пределах которой он теперь находится. После этого телефон оповещается о смене соты. Если это происходит во время разговора, он получает предложение о переключении на новый канал (поскольку старый не может использоваться в смежных сотах). Этот процесс, называемый передачей обслуживания (handoff), занимает около 300 мс. Распределением каналов занимается MSC — мозговой центр системы. Базовые станции представляют собой простые радиоретрансляторы.
Основная проблема — найти высокую точку для размещения базовых станций. Она заставила некоторых операторов мобильной связи заключить договор с Римско-католической церковью, которая владеет множеством подходящих для установки антенн возвышенностей по всему миру. Удобно и то, что они находятся под управлением одной организации.
В сотовых сетях обычно встречается четыре типа каналов. Каналы управления (control channels) — от базовой станции к мобильному устройству — используются для управления системой. Пейджинговые каналы (paging channels) — от базовой станции к мобильному устройству — оповещают пользователей мобильных устройств о входных звонках. Каналы доступа (access channels) — двунаправленные — используются для настроек звонков и распределения каналов. Наконец, каналы данных (data channels) — также двунаправленные — служат для передачи голоса, факсов или данных.
2.6.2. Технология 1G: аналоговая передача голоса
Теперь рассмотрим технологии сотовых сетей с самых первых систем. Мобильные радиотелефоны периодически использовались в морской и военной связи еще в начале XX века. В 1946 году в Сент-Луисе появилась первая система для автомобильных телефонов — с одним большим передатчиком на высотном здании и одним каналом для передачи и приема. Для разговора пользователям приходилось нажимать кнопку, включающую передатчик и отключающую приемник. Подобные системы «нажал — говори» (push-to-talk systems) устанавливались повсюду в начале 1950-х. Эта технология часто используется в такси и полицейских автомобилях.
В 1960-х начала внедряться усовершенствованная система мобильной связи (Improved Mobile Telephone System, IMTS). В ней также применялся мощный (200 Вт) передатчик, расположенный на возвышенности, но с двумя частотами — одна для передачи, вторая для приема, так что необходимость в переговорной кнопке отпала. А поскольку входящие и исходящие сигналы передавались по разным каналам, пользователи мобильной связи не могли слышать чужие разговоры (в отличие от систем «нажал — говори» в старых такси).
IMTS поддерживала 23 канала в диапазоне от 150 до 450 МГц. Из-за такого маленького числа каналов пользователям нередко приходилось долго ждать освобождения линии. Кроме того, из-за большой мощности расположенных на возвышенностях передатчиков смежные системы приходилось разносить на несколько сотен километров во избежание помех. Все эти ограничения делали систему непрактичной.
Пропускную способность сотовых сетей значительно увеличила аналоговая продвинутая система телефонной мобильной связи (Advanced Mobile Phone System, AMPS), созданная Bell Labs и впервые развернутая в США в 1983 году. Она также использовалась в Великобритании, где называлась TACS, затем в Японии — под названием MCS-L1. От AMPS официально отказались в 2008 году, но мы рассмотрим ее, чтобы лучше понять следующие за ней системы 2G и 3G. В AMPS размер сот варьируется от 10 до 20 км в поперечнике; в цифровых системах соты обычно меньше. В то время как в IMTS диаметром 100 км на каждой частоте мог выполняться лишь один звонок, в AMPS на ту же площадь приходится сто 10-километровых сот, благодаря чему она может обслуживать от 10 до 15 звонков на каждой частоте в удаленных друг от друга сотах.
