Теперь подробнее обсудим радиоинтерфейс. Во всем мире GSM работает на нескольких радиочастотах, включая 900, 1800 и 1900 МГц. Диапазон GSM шире, чем у AMPS, что позволяет обслуживать куда большее число пользователей. GSM — полнодуплексная система сотовой связи с частотным разделением каналов, как и AMPS. То есть все телефоны передают данные на одной частоте, а принимают — на другой, более высокой (на 55 МГц для GSM и на 80 МГц для AMPS). Однако, в отличие от AMPS, отдельные пары частот в GSM делятся с помощью TDM на временные слоты. Таким образом, ее могут использовать несколько мобильных телефонов.
Для обеспечения звонков нескольких мобильных телефонов каналы GSM намного шире, чем каналы AMPS (200 кГц вместо 30 кГц). На илл. 2.41 показан отдельный 200-килогерцный канал. Работающая в диапазоне 900 МГц GSM насчитывает 124 пары симплексных каналов (каждый шириной 200 кГц) и поддерживает восемь отдельных соединений, используя TDM. Каждому активному в текущий момент устройству выделяется свой временной слот на одной паре каналов. Теоретически каждая сота может поддерживать 992 канала, но многие из них недоступны во избежание конфликтов частот с соседними сотами. На илл. 2.41 все восемь заштрихованных временных слотов выделены для одного соединения, по четыре в каждом направлении. Передача и прием сигналов разнесены по разным временным слотам, поскольку GSM-радиостанции не способны передавать и принимать одновременно, а переключение с одного режима на другой занимает определенное время. Если мобильное устройство привязано к диапазону 890,4/935,4 МГц и требует временного слота 2 для передачи сигнала на базовую станцию, то оно воспользуется четырьмя нижними заштрихованными слотами (и следующими за ними по времени), передавая в каждый слот какие-либо данные, пока не будет отправлена вся информация.
Илл. 2.41. 124 частотных канала GSM, каждый из которых использует восьмислотовую TDM-систему
Слоты TDM на илл. 2.41 — часть сложной иерархии фреймов. Каждый слот TDM имеет особую структуру, так же как и группы слотов, образующие суперфреймы. Упрощенная версия этой иерархии приведена на илл. 2.42. Каждый слот TDM состоит из 148-битного фрейма данных, занимающего канал на 577 мкс (включая защитный интервал времени в 30 мкс после каждого слота). Каждый фрейм начинается и завершается тремя битами 0 в целях разграничения фреймов. Он также содержит два 57-битных поля Информация; в каждом — контрольный бит, указывающий, для чего предназначено это поле (для голоса или данных). Между полями Информация располагается 26-битное поле Синхронизация, с помощью которого приемник производит синхронизацию по границам фреймов отправителя.
Фрейм данных передается за 547 мкс, но передатчик может отправлять лишь по одному фрейму каждые 4,615 мс, поскольку делит канал еще с семью другими устройствами. Общая скорость каждого канала, составляющая 270 833 бит/с, делится между восемью пользователями. Впрочем, как и в AMPS, служебные данные «съедают» значительную часть полосы пропускания, оставляя в конечном итоге 24,7 Кбит/с для полезных данных в расчете на каждого пользователя (до коррекции ошибок). После коррекции на голосовые данные остается 13 Кбит/с. И хотя это существенно меньше, чем 64 Кбит/с при PCM для несжатых голосовых сигналов в стационарных телефонных сетях, благодаря сжатию на стороне мобильного устройства можно достичь этого уровня без особой потери качества.
Как видно из илл. 2.42, один фрейм TDM состоит из восьми фреймов данных, а один 120-мс суперфрейм состоит из 26 фреймов TDM. Из них слот 12 используется для управления, а слот 25 зарезервирован для использования в будущем, так что для пользовательского трафика доступно только 24 фрейма.
Впрочем, помимо показанного на илл. 2.42 суперфрейма на 26 слота, используется также (не представленный) суперфрейм на 51 слот: часть из них используется для каналов управления системой. Широковещательный канал управления (broadcast control channel) представляет собой непрерывный поток
Илл. 2.42. Фрагмент структуры фреймов GSM
выходных сигналов базовой станции, содержащих ее идентификатор и данные о состоянии канала. Все мобильные устройства непрерывно отслеживают мощность сигнала, чтобы узнать о переходе в новую соту.
Выделенный канал управления (dedicated control channel) используется для обновления данных о местоположении, регистрации и подготовке звонков. В частности, у каждого BSC есть база данных мобильных устройств, относящихся к нему в данный момент (VLR). Необходимая для обновления VLR информация передается по выделенному каналу управления.
В системе также есть общий канал управления (common control channel), разбитый на три логических подканала. Первый из них — пейджинговый канал (paging channel), используемый базовыми станциями для оповещения о входящих звонках. Все мобильные устройства непосредственно следят за ним в ожидании звонков, на которые необходимо ответить. Второй — канал произвольного доступа (random access channel), через который пользователь может запросить слот в выделенном канале управления. В случае конфликта двух таких запросов они искажаются и их приходится повторить позднее. С помощью выделенного канала управления станция может установить соединение. Оповещение относительно выделенного слота происходит по третьему подканалу — каналу предоставления доступа (access grant channel).
Наконец, GSM отличается от AMPS способом передачи обслуживания. В AMPS MSC производит его без какой-либо помощи со стороны мобильных устройств. При использовании временных слотов GSM телефон большую часть времени ничего не посылает и не принимает. Неиспользуемые слоты дают мобильному устройству возможность измерять качество сигнала от расположенных поблизости базовых станций и отправлять полученную информацию BSC. На основе этой информации BSC определяет, когда мобильный телефон покидает одну соту и переходит в другую, для своевременной передачи обслуживания. Эта архитектура называется передачей обслуживания при содействии мобильных устройств (Mobile Assisted HandOff, MAHO).
2.6.5. Технология 3G: цифровая передача голоса и данных
Первое поколение мобильных телефонов предназначалось для аналоговой передачи голоса, а второе — для цифровой. Третье поколение, 3G, служит для цифровой передачи голоса и данных. К широкому распространению этой технологии привело несколько факторов. Во-первых, когда появился 3G, объем передаваемых данных в стационарных сетях начал превышать объем голосового трафика; аналогичная тенденция наблюдалась и для мобильных устройств. Во-вторых, наметилась тенденция объединения телефонных, интернет- и видеосервисов. Появление смартфонов, начиная с выпущенного в 2007 году iPhone компании Apple, ускорило переход к мобильному интернету. С ростом популярности iPhone неуклонно росли и объемы данных. Изначально iPhone использовал сеть 2.5G (по сути, немного усовершенствованную сеть 2G), пропускная способность которой была явно недостаточной, чтобы удовлетворить растущие потребности пользователей. Это обусловило переход на технологию 3G, поддерживающую более высокие скорости передачи. Годом позднее компания Apple выпустила обновленную версию iPhone с поддержкой сетей 3G.
Операторы с самого начала пытались продвигаться в направлении 3G путем перехода на технологии, иногда называемые 2.5G. Одна из таких систем — EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution — «усовершенствованный GSM с улучшенной скоростью передачи данных»). По сути, это GSM с большим количеством битов на символ, что автоматически ведет к увеличению числа ошибок на символ. Поэтому в EDGE насчитывается девять схем модуляции и коррекции ошибок, возникающих из-за более высокой скорости. Эти схемы различаются задействованной долей полосы пропускания. EDGE — лишь один шаг на пути эволюции от GSM к технологиям 3G, представленным далее.
