Особенности сотовой связи.

IT News

🕛 10.01.2007, 13:43

Подобно тем читателям, которые предпочитают просматривать журнал с конца, забежим вперед и скажем о главном: сегодня нет такого вида электросвязи, который развивался бы столь быстро, как беспроводная радиотелефония, и особенно сотовая связь, обслуживающая подвижных пользователей. Число таких пользователей ежегодно увеличивается где-то на 40% и недавно уверенно перешагнуло 350-миллионный рубеж. Следует заметить, что отдельные разновидности сотовых сетей подвижной связи показывают еще более впечатляющие темпы роста. В мире ежегодный прирост абонентов сетей GSM составляет примерно 70%, а у сетей cdmaOne, известных у нас как SDMA/IS-95, за последний год он достиг почти 160%! Ожидается, что число абонентов сотовой связи достигнет 1 млрд где-то в 2002-2003 годах.
Хотя с момента, когда сотовые сети вышли из стадии научно-технических разработок на коммерческий рынок (рубеж 70-80-х годов), прошло не так уж много времени, сотовый телефон ныне перестал быть символом престижа и стал инструментом, позволяющим более эффективно использовать рабочее время, оперативно управлять технологическими, экономическими и другими процессами. Сотовые сети при этом не только растут вширь, но и неуклонно наращивают количество предоставляемых дополнительных услуг.
Если взять плотность сотовых сетей, которой достигли многие развитые страны, то бесспорным лидером среди них является Финляндия, где около 70% населения имеют сотовые телефоны. Немного отстают от нее соседи по Скандинавии (от 50 до 60%), между которыми вклинился кусочек КНР (бывший Гонконг). Ещё шесть стран, включая Австралию и Японию, перешагнули 30%-ный рубеж, а целая группа стран, в том числе Великобритания и США, вплотную к нему приблизилась. Примерно 20%-ные показатели имеют Германия, Франция, Испания, Канада и ряд других стран. Впрочем, можно еще долго перечислять успехи подвижной связи, но и уже приведенной информации достаточно, чтобы сделать некоторые выводы.
Все сказанное выше свидетельствует о том, что в большинстве этих стран плотность радиотелефонных линий уже достигла уровня плотности линий традиционной телефонии (примерно 50-60%) или составила весьма обширные территории, либо очень многочисленные население, либо и то, и другое одновременно. Поэтому даже 5% в Бразилии и 3% в КНР без учета Гонконга (какая маленькая цифра и одновременно чудовищно большое число пользователей) оказывается весомее, чем, например, 27% где-нибудь в Голландии. В общем, сотовая связь уже стала продуктом массового потребления и продолжает наращивать темпы роста.
Впечатляют даже самые ближайшие прогнозы (2003 г.): в части охвата вплотную приблизится к 90%, а бывший Гонконг (ныне особый административный район КНР) станет первой территорией, где этот показатель достигнет 95%! Почти два десятка стран по показателю плотности будут находится в интервале 60…95%. Однако даже очень развитые страны, имеющие относительно большие территории, продвинутся не так далеко: США - 53%, Германия - 47%, Канада - 30%, Бразилия - 22%, КНР - 8%. Интересно, что первопроходцы мобильной связи в лице Великобритании и США окажутся позади таких стран, как Австралия, Ирландия и Греция.
Возможно, через несколько лет мы станем свидетелями того, как группы пользователей традиционными и сотовыми телефонами практически сравняется по численности. Кстати, сегодня 1 млрд проводных телефонных линий. Поскольку уже есть достаточно оснований сомневаться в привычном первенстве проводной телефонной связи, зарубежные аналитики начинают рассматривать сотовую связь как услугу, равную проводной, а некоторые даже отдают ей первенство.
Бурно развивающийся мировой рынок услуг сотовой связи привлекает внимание многих компаний. Например, только в России в этот бизнес вовлечено около двухсот компаний - операторов. Все убыстряющиеся темпы развития общества настоятельно требуют получения более персональных услуг, а именно: возможности телефонного разговора (и не только) с любым абонентом, в любом месте и в любое время. Заметим, что последняя фраза воистину стала в наши дни девизом сотовой связи. И не только её.
Теперь более подробно остановимся на компонентах рынка сотовой связи и на некоторых исторических этапах как технического, так и организованного её становления. Но сначала - небольшое лирическое вступление.

О началах.
Затрагивая большую тему, полезно начинать с терминологии, дабы немного упорядочить знания, которые читатели успели получить ранее из других источников, а также очертить границы повествования.
В связи со сказанным, прежде всего отметим, что сотовая связь - это разновидность высокоподвижной радиосвязи, отличающаяся прежде всего массовостью обслуживания абонентов на ограниченной территории. При этом исторически сложилось так, что сотовая связь постепенно расширяла сферу обслуживания телефонной сети общего пользования (ТфОП). Вообще-то, сам термин "сотовая связь - это общепринятое сокращенное наименование услуги, получаемой с помощью развернутых сотовых сетей подвижной связи, выполненных на базе соответствующих систем. Таким образом, этот термин характеризует именно подвижную связь. Такие длинные рассуждения необходимы, ибо первая означает способ осуществления радиопокрытия определенной территории (соответственно связи), а вторая - услугу в виде передачи и приема информации исключительно между подвижными абонентами сотовой сети. Причем сегодня это может быть не только речь, но также данные, разумеется, и Интернет.
Следует помнить, что любая система радиосвязи, работающая с абонентским радиотерминалом, обладающим ненаправленной антенной, является в той или иной степени подвижной (и лишь при жесткой фиксации антенны передвижение абонента невозможно), потому что пользователь может перемещаться в пределах зоны действия базовой станции (БС) и при этом обслуживается ею. Поэтому подобные системы связи можно подразделить на те, которые обслуживаются малоподвижных абонентов, имеющих возможность перемещаться во время сеанса связи только в пределах зоны обслуживания одной БС (эти системы скорее можно назвать фиксированными), и на те, которые позволяют высокоподвижному абоненту осуществлять непрерывный сеанс связи при перемещении (в том числе весьма быстрым, даже со скоростью 100 км/ч и более) из зоны обслуживания одной БС в зону другой БС и даже в пределах всей территории, охваченной сетью. Вот это и есть настоящая сотовая связь.
Из всего выше сказанного можно сделать вывод, что понятие "фиксированная связь" здесь часто применяется неправильно, и если система радиосвязи состоит только из одной базовой станции с большим радиусом действия, то она, как правило, может обеспечивать подвижную радиосвязь в своей зоне обслуживания. Если базовую станцию расположить на спутнике, то мы сделаем важный шаг на пути к созданию сети глобальной (планетарной) спутниковой связи. Но спустимся на землю и займемся теперь "сотами".
Свое название сотовые сети получили в соответствии с сотовым принципом организации связи, который заключается в следующем. В зоне обслуживания сотовой сети устанавливается необходимое количество уже упомянутых базовых приемопередающих станций (БС), каждая из которых имеет свою относительно небольшую зону радиопокрытия, несколько перекрывающую зону обслуживания соседних БС (для обеспечения сплошного радиопокрытия территории). Отвечая на возникающий у читателя логичный вопрос: "Зачем это нужно?", - многие авторы работ по сотовой связи часто приводят примерно такие аргументы: "для обеспечения абонентам возможности перемещаться", "для осуществления электромагнитной совместимости соседних сот" или "для улучшения качества связи". Все это, конечно, верно, но, во первых, в хорошем радиопокрытии заинтересованы и операторы связи и, во-вторых, объективно любой оператор сотовой сети всегда заинтересован, чтобы его сеть содержала поменьше сот. А еще лучше, одной соты, потому что это наиболее просто и дешево.
Другое дело, что практически осуществить обычно это не удается и при попытке одновременного обслуживания значительного числа абонентов, сгруппированных на относительно небольшой территории, неизбежно возникает необходимость наличия соответствующего количества радиоканалов связи. А радиоспектр - это, как известно, эксплуатируемый многими пользователями природный ресурс, которого всегда всем не хватает. В том числе и тем, кто организует множество радиоинтерфейсов между базовыми станциями и абонентскими терминалами (сотовыми телефонами).
Таким образом, главная задача, которую решает любая сотовая сеть, - это экономное многократное использование одного и того же радиочастотного ресурса, выделенного оператору сети для охвата как можно большего числа абонентов. Такой подход позволяет не серьезном коммерческом уровне решать задачу действительно массового обслуживания абонентов.

О пользе пчел.
Теперь пару слов о самих сотах или, как их еще называют, ячейках. Почему, кстати, соты? Да потому, что хона радиопокрытия вокруг БС в общем случае представляет собой окружность. А из равносторонних фигур, вписанных в окружность (треугольники и квадраты не в счет), только шестиугольники могут без разрывов покрыть какую-либо поверхность. Поэтому они используются в качестве математической модели сотовой сети. Понятно также, что в свое время гораздо раньше радистов об этом догадались пчелы. Размер сот/ячеек сотовой радиотелефонной сети на практике может составлять от десятков метров до десятков километров, однако самые малые их разновидности, организуемые в местах особого скопления абонентов (например, бизнес-центры), часто называются сообразно их размерам: пико- или микросоты. С целью повышения абонентской емкости соты могут выполняться в многосекторном исполнении (обычно с тремя или шестью секторами), что эквивалентно экономической организации вместо одной соты соответственно трех или шести. В этом случае БС представляет собой блок из нескольких приемопередатчиков, каждый из которых со своей направленной антенной обслуживает соответствующий сектор соты. Остается добавить, что одну ячейку сотовой сети вместе с установленной в ней БС зарубежные специалисты называют обычно "cell site".
Очень важная задача, стоящая перед операторам многих сотовых сетей любого назначения, - это радиочастотное планирование сот. Действительно, если технология радиоинтерфейса сотовой сети предусматривает разделение радиоканалов по частоте, то соседние соты могут работать на одних и тех же радиочастотах, и повторно использовать можно, только отступив на определенное расстояние, зависящее от технических характеристик БС. Ситуация эта весьма обычна, но и весьма неприятна для оператора, ибо необходимость организации новой соты влечет за собой необходимость частотного перепланирования обширных сетевых фрагментов. Однако такие проблемы тревожат не всех. Об этом расскажем несколько позже.

В погоню за абонентом.
Следующее очень важное и, скажем даже, определяющее понятие в сотовой связи - это так называемая эстафетная передача управления между сотами при перемещении абонента из одной соты в другую. Именно эта способность и отличает сотовую связь от беспроводной связи вообще. Это управление обеспечивается не БС, а специализированным центром коммуникации, который является ядром сети и к которому подключены все БС. Одновременно этот центр, представляющий собой в общем случае специализированную АТС, включенную в ТфОП. Переключение управления связано с организацией нового канала связи и переводом на него конкретного телефонного соединения. Оно может производится разным способами, называемыми "жесткими" или "мягкими", которые зависят от применяемых в сети технологий и будут рассмотрены ниже. Мы же пока остановимся только на названии.
Исторически сложилось так, что в Европе указанный процесс переключения чаще называют "hand-over", а в Северной Америке - "hand-off". Поэтому, встретив подобные разночтения, не следует удивляться. Рассматривая hand-off (мы остановимся на более коротком названии), нельзя обойти вниманием тот случай, когда абонент перемещается из зоны обслуживания одной сотовой сет в зону обслуживания другой. Но у разных сетей - разные хозяева-операторы. Процесс (а так же возможность) осуществления передачи управления между сотами/сетями разных владельцев не только получил за рубежом название "roaming" (бродяга), но и прочно обосновался в русскоязычном написании как "роуминг".
Конечно, с одной стороны, и hand-off - это ни что иное, как роуминг между соседними сотами, однако связисты подразумевают под роумингом гораздо больше, а именно - межоператорское взаимодействие, для которого, разумеется, не только должны совпадать технические характеристики и стандарты сетей, но и должны быть заключены соответствующие соглашения по тарифной политике, взаимным расчетам и пр. К тому же сотовые сети могут и не граничить друг с другом, что говорить о том, что роуминг - это вообще способность получать услуги в сетях других операторов (с которыми заключены договоры на обслуживание) с помощью одного и того же сотового телефона. Остается добавить, что роуминг может быть автоматическим, когда процесс перехода от одного оператора к другому абонент заметит только лишь по соответствующей индикации на абонентском терминале, да по полученному счету. Неавтоматический роуминг подразумевает предварительное уведомление оператора абонентом о возможности поездки за пределы сети со всеми сопутствующими неудобствами, степень которых зависит от расторопности и возможностей оператора. Ну а самый универсальный и ненавязчивый, но и самый неудобный роуминг - это просто смена сотового телефона при выезде за пределы действия "своей" сети. Впрочем, если мы не можем использовать свой абонентский терминал, то это уже и не роуминг вовсе (хотя некоторые операторы предлагают именно такой вид роуминга!).

Технология радиоинтерфейса.
Сотовая связь характеризуется возможностью мультидоступа, что подразумевает одновременную передачу информации через одно устройство многими пользователями в общем канале связи. При этом разделение общего канала может производится по частоте (FDMA - Frequency Division Multiple Access), времени (TDMA - Time Division Multiple Access) и коду (Code Division Multiple Access). Особенности этих технологий наглядно показаны на рисунке.
При частотном разделении спектр передачи делится на участки, выделяемые для различных пользователей. Только этот метод может быть использован при аналоговой сотовой связи. Поэтому на нем основаны все известные аналоговые стандарты сотовой связи: NMT, AMPS, TACS и др. Недостатки аналоговых систем сейчас очевидны: плохая помехозащищенность и связанное с ней невысокое качество передачи речи, неэффективное использование дефицитного радиоспектра, отсутствие защиты от прослушивания и т. д. Следует также сказать, что пик своего развития аналоговые системы прошли еще в 1993 году, после которого наблюдается устойчивое снижение числа абонентов, а через несколько лет они должны вообще уйти с рынка связи по причине потери интереса со стороны операторов и абонентов. Самым же распространенным аналоговым стандартом в мире был и пока еще остается AMPS.
Два других метода используются при цифровой технологии и, как правило, в комбинации с частотным разделением.
В случае мультидоступа с временным разделением каналов многочисленные абоненты передают свои сообщения на одной и той же радиочастоте, но в разное время, что позволяет увеличить объем речевого трафика и получить ряд других преимуществ, характерных для цифровых систем связи. На этом методе основаны такие известные узкополосные цифровые стандарты сотовой связи, как GSM и его разновидность DCS, а также D-AMPS, который стал логическим развитием (совершенствованием) стандарта AMPS. Существуют еще японские стандарты, но сфера их применения ограничена исключительно национальной территорией.
Принцип, используемый в системах мультидоступа CDMA, заключается в расширении сигнала (в нашем случае речевого) с помощью специального сигнала с огибающей уникальной формы, которая и является своеобразным кодом. Как видно, в данном случае все абоненты работают на одних и тех же радиочастотах, в результате чего сотовой сети CDMA нет необходимости тратить много усилий на осуществление частотного планирования. В приемнике полученный на другой стороне сигнал обрывается с помощью идентичного кода, в результате чего восстанавливается исходный сигнал. В то же самое время сигналы остальных пользователей для данного приемника продолжают оставаться расширенными и воспринимаются им как "белый шум", который является наиболее "мягкой" помехой, в наименьшей степени мешающей нормальной работе приемника. Разумеется, к этому мы еще вернемся. А чтобы популярно пояснить принцип работы такой системы, сошлемся на одну очень удачную аллегорию "для экспертов и не очень", которую, объясняя основы технологии CDMA, обычно предлагает компания Motorola. Представьте комнату, в которой одновременно разговаривает друг с другом много пар людей, причем на разных языках. Каждый из них хорошо понимает своего собеседника, а все посторонние разговоры воспринимаются как некий фон, который не особенно мешает разговору. Вот, собственно, и весь принцип. Дело за техникой.