Для разделения каналов в AMPS используется FDM. Система включает 832 полнодуплексных канала, каждый из которых состоит из пары симплексных каналов. Такая схема называется дуплексной связью с частотным разделением каналов (Frequency Division Duplex, FDD). Для передачи данных с мобильного устройства на базовую станцию используется 832 симплексных канала в диапазоне 824–849 МГц; обратно данные передаются по 832 симплексным каналам в диапазоне 869–894 МГц. Ширина каждого симплексного канала — 30 кГц.
832 канала AMPS делятся на четыре категории. Поскольку повторно использовать одинаковые частоты в соседних сотах нельзя, а 21 канал в каждой соте резервируется для управления, фактически число доступных голосовых каналов в каждой соте намного меньше, чем 832 (обычно около 45).
Управление вызовами
В программируемой постоянной памяти каждого телефона в AMPS содержится уникальный 32-битный серийный номер и телефонный номер из 10 цифр. Телефонный номер во многих странах содержит 10-битный код области из 3 цифр и 24-битный номер пользователя из 7 цифр. При подключении телефона он сканирует заранее запрограммированный список из 21 канала управления в поисках наиболее мощного сигнала. Затем телефон транслирует свой 32-битный серийный номер и 34-битный телефонный номер. Как и вся управляющая информация в AMPS, этот пакет отправляется в цифровой форме, многократно, с использованием кода коррекции ошибок, несмотря на то что сами голосовые каналы — аналоговые.
Когда базовая станция получает оповещение, она передает информацию об этом MSC, который фиксирует появление нового абонента, а также сообщает домашнему MSC абонента о его текущем местоположении. В штатном режиме работы мобильный телефон регистрируется заново примерно каждые 15 минут.
Чтобы позвонить, пользователь включает телефон, набирает номер и нажимает кнопку вызова. Телефон передает вызываемый номер и его собственный идентификатор по каналу доступа. В случае конфликта попытка повторяется. Получив запрос, базовая станция сообщает о нем MSC. Если звонящий является абонентом компании данного MSC (или одного из ее партнеров), то MSC ищет свободный канал для звонка. Обнаружив канал, он отправляет его номер обратно по каналу управления. После этого мобильный телефон автоматически переключается на выбранный голосовой канал и ждет, пока вызываемый абонент не поднимет трубку.
Входящие звонки происходят иначе. Все телефоны в режиме ожидания непрерывно прослушивают пейджинговый канал на предмет предназначенных для них сообщений. При звонке на мобильный телефон (со стационарного или с другого мобильного телефона) домашний MSC вызываемого абонента получает пакет с запросом о его местонахождении. Затем пакет отправляется на базовую станцию текущей соты, которая транслирует по пейджинговому каналу запрос вида: «Устройство 14, вы здесь?». Телефон вызываемого абонента отвечает по каналу доступа «Да». После этого базовая станция сообщает ему нечто вроде: «Устройство 14, вам поступил вызов по каналу 3». Далее вызываемый телефон переключается на канал 3 и начинает звонить (или проигрывать мелодию, полученную владельцем телефона в качестве подарка на день рождения).
2.6.3. Технология 2G: цифровая передача голоса
Первое поколение мобильных телефонов было аналоговым, второе поколение — цифровое. У перехода на цифровые технологии есть несколько преимуществ. За счет оцифровки и сжатия голосовых сигналов повышается пропускная способность. Благодаря возможности шифрования голосовых и управляющих сигналов повышается безопасность. Это защищает от мошенничества и перехвата разговоров, как в случае преднамеренного сканирования диапазона, так и при случайном перехвате отголосков чужих звонков вследствие распространения радиоволн. Наконец, появляются новые сервисы, такие как обмен текстовыми сообщениями.
Международного стандарта для второго поколения мобильной связи не появилось, так же как и для первого. На основе 2G было разработано несколько систем, три из которых применялись весьма широко. Продвинутая цифровая система телефонной мобильной связи (Digital Advanced Mobile Phone System, D-AMPS) представляет собой цифровой вариант AMPS, способный сосуществовать с ней. Она использует TDM для нескольких одновременных звонков на одном частотном канале. D-AMPS описана в международном стандарте IS-54 и его преемнике IS-136. С тех пор преобладающей системой стала Глобальная система мобильной связи (Global System for Mobile communications, GSM). Несмотря на медленное распространение в США, сейчас она используется практически во всем мире. В основе GSM, как и D-AMPS, лежит сочетание FDM и TDM. Совершенно иной системой, не основанной ни на FDM, ни на TDM, является множественный доступ с кодовым разделением (Code Division Multiple Access, CDMA), описанный в международном стандарте IS-95. И хотя эта технология не стала главной системой 2G, она легла в основу 3G.
В литературе по маркетингу системы 2G (то есть цифровые) иногда называются сервисами персональной связи (Personal Communications Services, PCS). Изначально под этим понимались мобильные телефоны, использующие полосу 1900 МГц, но сегодня это разграничение роли не играет. Доминирующей системой 2G во всем мире сегодня является GSM, подробно описанная далее.
2.6.4. GSM: Глобальная система мобильной связи
GSM появилась в 1980-х как попытка создания единого европейского стандарта 2G. Эту задачу поручили комиссии по электросвязи, носившей французское название Groupe Specialé Mobile. Первые GSM-системы были развернуты в 1991 году и быстро обрели популярность. Скоро стало очевидно, что GSM ожидает успех не только на европейском рынке, но и в отдаленных уголках мира, даже в Австралии. Поэтому GSM переименовали — для большей привлекательности в мировых масштабах.
GSM и другие системы телефонной связи, которые будут представлены далее, унаследовали от систем первого поколения сотовую архитектуру, повторное использование частот и мобильность с передачей обслуживания при перемещении абонента. Различаются лишь нюансы. Мы кратко рассмотрим основные свойства GSM. Но учтите, что в напечатанном виде стандарт GSM занимает более 5000 (!) страниц. Немалая доля этих сведений относится к технической стороне системы, особенно к архитектуре приемников для многолучевого распространения сигнала и синхронизации передатчиков и приемников. Этих вопросов мы касаться не будем.
Архитектуры GSM и AMPS совпадают, как показано на илл. 2.40, хотя названия компонентов отличаются. Сам мобильный телефон теперь состоит из переносного телефонного аппарата и съемного чипа — так называемой SIM-карты (SIM card; Subscriber Identity Module — модуль идентификации абонента), содержащей информацию о пользователе и состоянии его счета. Именно SIM-карта активирует переносной телефонный аппарат и содержит всю секретную
Илл. 2.40. Архитектура мобильной сети GSM
информацию, с помощью которой телефон и сеть идентифицируют друг друга и шифруют разговоры. SIM-карту можно вытащить из одного аппарата и вставить в другой: он и станет вашим телефоном с точки зрения сети.
Мобильный телефон взаимодействует с сотовыми базовыми станциями через радиоинтерфейс (air interface), который мы опишем чуть позднее. Все сотовые базовые станции подключены к контроллерам базовых станций (Base Station Controller, BSC). Они управляют радиоресурсами сот и отвечают за передачу обслуживания. BSC подключаются к MSC (аналогично AMPS), который маршрутизирует звонки и соединяется с PSTN.
Для маршрутизации звонков MSC требуется информация о местоположении абонентов. Он поддерживает базу данных находящихся поблизости телефонов, подключенных к управляемой им соте, — регистр роуминговых абонентов (Visitor Location Register, VLR). В мобильной сети также есть база данных о последнем известном местонахождении всех телефонов — домашний регистр местоположения (Home Location Register, HLR). Эта база используется для маршрутизации входящих звонков в нужную точку. Важно поддерживать актуальность обеих баз данных, поскольку мобильные телефоны постоянно перемещаются из соты в соту.
