Бурхливий розвиток нових телекомунікаційних технологій у 80 - 90-ті роки пов'язано з активним використанням досягнень науки і техніки в галузях електрозв'язку, інформаційних технологій та електроніки. До однієї з пріоритетних технологій відноситься стільниковий зв'язок, яка завойовує все більшу популярність у населення і розвивається дуже швидкими темпами.
"Не відвертайся від можливого майбутнього, поки ти не впевнений, що там немає нічого, чого ти зміг би навчитися".
Річард Бах "Ілюзії"
Світова першість
Подібно тим читачам, які воліють переглядати журнал з кінця, забіжимо далеко вперед і скажемо про головне: сьогодні немає такого виду електрозв'язку, який розвивався настільки швидко, як бездротова радіотелефонія, і особливо стільниковий зв'язок, що обслуговує рухомих користувачів. Число таких користувачів щорічно збільшується десь на 40 % і нещодавно впевнено переступила 350-мільйонний рубіж. Слід зауважити, що окремі різновиди стільникових мереж рухомого зв'язку показують ще більш вражаючі темпи зростання. В світі щорічний приріст абонентів мереж GSM, складає приблизно 70 % (http://www.gsmworld.com), а у мереж cdmaOne, відомих у нас як CDMA/IS-95, за останній рік він досяг майже 160 % (http://www.cdg.org)! Очікується, що число абонентів стільникового зв'язку досягне 1 млрд десь у 2002-2003 роках.
Хоча з моменту, коли стільникові мережі вийшли із стадії науково-технічних розробок на комерційний ринок (рубіж 70-80-х років), пройшло не так вже багато часу, стільниковий телефон нині перестав бути символом престижу і став інструментом, дозволяє більш ефективно використовувати робочий час, оперативно керувати технологічними, економічними та іншими процесами. Стільникові мережі при цьому не тільки ростуть вшир, але і неухильно нарощують кількість наданих додатково послуг.
Якщо взяти щільність стільникових мереж, якої досягли багато розвинені країни (дані British Telecom Engineering), то безперечним лідером серед них є Фінляндія, де близько 70 % населення мають стільникові телефони. Трохи відстають від неї сусіди по Скандинавії (від 50 до 60 %), між якими вклинився шматочок КНР (колишній Гонконг). Ще шість країн, включаючи Австралію і Японію, переступили 30%-ний рубіж, а ціла група країн, у тому числі Великобританія і США, впритул до нього наблизилася. Приблизно 20 %-ві показники мають Німеччина, Франція, Іспанія, Канада і низка інших країн. Втім, можна ще довго перераховувати успіхи рухомого зв'язку, а й вже наведеної інформації достатньо, щоб зробити деякі висновки.
Все сказане вище свідчить про те, що в більшості цих країн щільність радіотелефонних ліній вже досягла рівня щільності ліній традиційної телефонії (приблизно 50 - 60 %) або склала від нього хоча б половину. Багато з названих країн мають або дуже великі території, або дуже численне населення, або і те, і інше одночасно. Тому навіть 5 % в Бразилії і 3 % КНР без урахування Гонконгу (яка маленька цифра і одночасно жахливо велика кількість користувачів) виявляються вагомішими, ніж, наприклад, 27 % де-небудь в Голландії. Загалом, стільниковий зв'язок вже стала продуктом масового споживання і продовжує нарощувати темпи зростання.
Вражають навіть найближчі прогнози (2003 року): у частині охоплення населення ціла група країн впритул наблизиться до 90 %. а колишній Гонконг (нині особливий адміністративний район КНР) стане першою територією, де цей показник досягне 95 %! Майже два десятки країн за показником щільності знаходитимуться в інтервалі 60...95 %. Проте навіть дуже розвинені країни, що мають відносно великі території, просунуться не так далеко: США - 53 %, Німеччина - 47 %, Канада - 30 %, Бразилія - 22 %, КНР - 8 %. Цікаво, що першопрохідці мобільного зв'язку в особі Великобританії і США виявляться позаду таких країн, як Австрія, Ірландія і Греція.
Можливо, через кілька років ми станемо свідками того, як групи користувачів традиційними і стільниковими телефонами практично зрівняються за чисельності. До речі, сьогодні у всьому світі налічується близько 1 млрд дротових телефонних ліній. Оскільки вже є достатньо підстав сумніватися в звичному першості дротового телефонного зв'язку, закордонні аналітики починають розглядати стільниковий зв'язок як послугу, рівну провідний, а деякі навіть віддають їй першість.
бурхливо розвивається світовий ринок послуг стільникового зв'язку привертає увагу багатьох компаній. Наприклад, тільки в Росії в цей бізнес залучено близько двохсот компаній-операторів. Всі убыстряющиеся темпи розвитку суспільства настійно вимагають отримання більш персоналізованих послуг, а саме: можливості телефонної розмови (і не тільки) з будь-яким абонентом в будь-якому місці і в будь-який час. Зауважимо, що остання фраза дійсно стала в наші дні девізом стільникового зв'язку. І не тільки її.
Тепер більш докладно зупинимося на компонентах ринку стільникового зв'язку та на деяких історичних етапах як технічного, так і організаційного її становлення. Але спочатку - невеликий ліричний відступ.
Про засадах
Торкаючись велику тему, корисно починати з термінології, щоб трохи упорядкувати знання, які читачі встигли отримати раніше з інших джерел, а також окреслити межі оповіді.
У зв'язку зі сказаним, перш за все відзначимо, що мобільний зв'язок - це різновид высокоподвижной радіозв'язку, відрізняється насамперед масовістю обслуговування абонентів на обмеженій території. При цьому історично склалося так, що стільниковий зв'язок поступово розширила сферу обслуговування телефонної мережі загального користування (ТфОП). Взагалі, сам термін "стільниковий зв'язок" - це загальноприйняте скорочене найменування послуги, одержуваної з допомогою розгорнутих стільникових мереж рухомого зв'язку, виконаних на базі відповідних систем. Таким чином, цей термін характеризує саме рухому зв'язок. Такі довгі міркування необхідні, щоб не плутати стільникову мережу і стільниковий зв'язок, бо перша означає спосіб здійснення певної території радіопокриття (відповідно може використовуватися для надання послуг як рухомого, так і фіксованого зв'язку), а друга - послугу у вигляді передачі і прийому інформації виключно між рухомими абонентами стільникової мережі. Причому сьогодні це може бути не тільки мова, але також дані, зрозуміло, і Інтернет.
Слід пам'ятати, що будь-яка система радіозв'язку, що працює з абонентським радіотерміналом, що володіє ненаправленою антеною, є в тій чи іншій ступеня рухомого (і лише при твердій фіксації антени пересування абонента неможливо), тому що користувач може переміщатися в межах зони дії базової станції (БС) і при цьому обслуговуватися нею. Тому подібні системи зв'язку можна поділити на ті, які обслуговують малорухомих абонентів, що мають можливість переміщатися під час сеансу зв'язку в межах зони обслуговування однієї БС (ці системи швидше можна назвати фіксованими), і на ті, які дозволяють высокоподвижному абоненту здійснювати безперервний сеанс зв'язку при переміщенні (у тому числі досить швидкому, навіть зі швидкістю 100 км/год і більш) з зони обслуговування однієї БС в зону інший БС і далі в межах всієї території, охопленій мережею. Ось це і є справжня стільниковий зв'язок.
З усього вищесказаного можна зробити висновок, що поняття "фіксований зв'язок" тут часто застосовується неправильно, і якщо система складається тільки з радіозв'язку однієї базової станції з великим радіусом дії, то вона, як правило, може забезпечувати рухому радіозв'язок у своїй зоні обслуговування. Якщо базову станцію розташувати на супутнику, то ми зробимо важливий крок на шляху до створення мережі глобальної (планетарної) супутникового зв'язку. Але спустимося на землю і займемося тепер "сотами".
Свою назву стільникові мережі отримали відповідно до стільниковим принципом організації зв'язку, який полягає в наступному. В зоні покриття стільникової мережі встановлюється необхідна кількість вже згадуваних базових приймальнопередаючих станцій (БС), кожна з яких має свою відносно невелику зону радіопокриття, кілька перекриває зону обслуговування сусідніх БС (для забезпечення суцільного радіопокриття території). Відповідаючи на виникаючий у читача логічне запитання: "Навіщо це потрібно?", - багато хто автори робіт по стільникового зв'язку часто призводять приблизно такі аргументи: "для забезпечення абонентам можливості переміщатися", "для здійснення електромагнітної сумісності сусідніх сот "ними" для поліпшення якості зв'язку". Все це, звичайно, вірно, але, по-перше, в хорошому радиопокрытии зацікавлені і оператори мереж фіксованого зв'язку, і, по-друге, об'єктивно будь-оператор мережі завжди зацікавлений, щоб його мережа містила поменше сот. А ще краще, щоб мережа взагалі складалася лише з однієї стільники, тому що це найбільш просто і дешево.
Інша справа, що практично здійснити зазвичай це не вдається і при спробі одночасного обслуговування значного числа абонентів, згрупованих на відносно невеликій території, неминуче виникає необхідність наявності відповідної кількості радіоканалів зв'язку. А радиоспектр - це, як відомо, що експлуатується багатьма користувачами природний ресурс, якого завжди всім не вистачає. У тому числі і тим, хто організовує безліч радіоінтерфейсів між базовими станціями і абонентськими терміналами (стільниковими телефонами).
Таким чином, головна задача, яку вирішує будь-яка мережа, - це економне багаторазове використання одного і того ж радіочастотного ресурсу, виділеного оператору мережі для охоплення якомога більшої кількості абонентів. Такий підхід дозволяє на серйозному комерційному рівні вирішувати завдання дійсно масового обслуговування абонентів.
Про користь бджіл
Тепер пару слів про самих сотах або, як їх ще називають, осередках. Чому, до речі, стільники? Та тому, що зона радіопокриття навколо БС в загальному випадку являє собою коло. А з рівносторонніх постатей, вписаних у коло (трикутники і квадрати не в рахунок), тільки шестикутники можуть без розривів покрити яку-небудь поверхню. Тому вони використовуються в якості математичної моделі мережі. Зрозуміло також, що в свій час набагато раніше радистів про це здогадалися бджоли. Розмір сот/клітинок стільникового радіотелефонної мережі на практиці може складати від десятків метрів до десятків кілометрів, однак самі малі їх різновиди, які організовуються в місцях особливого скупчення абонентів (наприклад, бізнес-центри), часто називаються по їх розмірами: піко - або мікростільник. З метою підвищення абонентської ємності стільники можуть виконуватися в многосекторном виконанні (зазвичай з трьома або шістьма секторами), що еквівалентно економічній організації замість однієї стільники відповідно трьох чи шести. У цьому випадку БС являють собою блок з декількох приймачів, кожен з яких зі своєю спрямованої антеною обслуговує відповідний сектор стільники. Залишається додати, що одну клітинку мережі разом з встановленою в ній БС зарубіжні фахівці називають зазвичай "cell site".
Дуже важлива задача, що стоїть перед оператором багатьох стільникових мереж будь-якого призначення, - це радіочастотне планування сот. Дійсно, якщо технологія радіоінтерфейсу мережі передбачає поділ радіоканалів по частоті, то сусідні чарунки не можуть працювати на одних і тих же радіочастотах, і повторно використовувати їх можна, лише відступивши на певну відстань, залежить від технічних характеристик БС. Ця ситуація досить звичайна, але і вельми неприємна для оператора, бо необхідність організації нової стільники тягне за собою необхідність частотного перепланування великих мережевих фрагментів. Однак такі проблеми турбують не всіх. Про це розповімо дещо пізніше.
У погоню за абонентом
Наступне дуже важливе в. скажімо навіть, що визначає поняття стільникового зв'язку - це так звана естафетна передача управління між сотами при переміщенні абонента з однієї соти в іншу. Саме ця здатність і відрізняє стільниковий зв'язок від бездротового зв'язку взагалі. Це управління забезпечується не БС, а спеціалізованим центром комутації, який є ядром мережі і до якого підключені всі БС, Одночасно цей центр, що представляє собою в загальному випадку спеціалізовану АТС. включений в ТфОЛ. Перемикання управління пов'язане з організацією нового каналу зв'язку і переведенням на нього конкретного телефонного з'єднання. Воно може здійснюватися різними способами, званими "жорсткими" або "м'якими", які залежать від застосовуваних в мережі технологій і будуть розглянуті нижче. Ми ж поки що зупинимося тільки на назві.
Історично склалося так, що в Європі зазначений процес перемикання частіше називають "hand-over",а в Північній Америці - "hand-off". Тому, зустрівши подібні різночитання, не слід дивуватися. Розглядаючи hand-off (ми зупинимося на короткій назві), не можна обійти увагою той випадок, коли абонент переміщується з зони обслуговування однієї мережі в зону обслуговування іншої. Але у різних мереж - різні господарі-оператори. Процес (а також можливість здійснення передачі управління між сотами/мережами різних власників не тільки отримав за кордоном назва "roaming" (бродяга), але і міцно влаштувався в кириличному написанні як "роумінг".
Звичайно, з одного боку, і hand-off - це ні що інше, як роумінг між сусідніми сотами, однак зв'язківці мають на увазі під роумінгом набагато більше, а саме - межоператорское взаємодія, для якого, зрозуміло, не тільки повинні збігатися технічні характеристики і стандарти мереж, але і повинні бути укладено відповідні угоди щодо тарифної політики, взаємними розрахунками і пр. До того ж стільникові мережі можуть і не межувати один з одним, що говорить про те, що роумінг - це взагалі здатність отримувати послуги в мережах інших операторів (з якими укладені договори на обслуговування) з допомогою одного і того ж стільникового телефону. Залишається додати, що роумінг може бути автоматичним, коли процес переходу від одного оператора до іншого абонент помітить лише за відповідної індикації на абонентському терміналі, та за отриманим рахунком. Неавтоматичний роумінг передбачає попереднє повідомлення абонентом оператора про можливість поїздки за межі мережі з усіма супутніми незручностями, ступінь яких залежить від моторності і можливостей оператора. Ну а самий універсальний і ненав'язливий, але і самий незручний роумінг - це просто зміна стільникового телефону при виїзді за межі дії своєї мережі. Втім, якщо ми не можемо використовувати свій абонентський термінал, то це вже і не роумінг зовсім (хоча деякі оператори пропонують саме такий вид роумінгу!).
Технології радіоінтерфейсу
Стільниковий зв'язок характеризується можливістю мультидоступа, що передбачає одночасну передачу інформації через один пристрій багатьма користувачами загальному каналі зв'язку При цьому поділ спільного каналу може проводитися за частоті (FDMA - Frequency Division Multiple Access), часу (ТDМА - Time Division Multiple Access) і кодом (CDMA - Code Division Multiple Access). Особливості цих технологій наочно показані на малюнку.
При частотному розділенні спектр передачі ділиться на ділянки, що виділяються для різних користувачів. Тільки цей метод може бути використаний при аналоговій стільникового зв'язку. Тому на ньому засновані всі відомі аналогові стандарти стільникового зв'язку: NMT, AMPS, TACS та ін. Недоліки аналогових систем зараз очевидні: погана перешкодозахищеність і пов'язане з нею невисока якість передачі мови" неефективне використання дефіцитного радиоспектра, відсутність захисту від прослуховування і т. д. Слід також сказати, що пік свого розвитку аналогові системи пройшли ще в 1993 р., після якого спостерігається стійке зниження кількості абонентів, а через кілька років вони повинні взагалі піти з ринку згідно з причини втрати інтересу з боку операторів і абонентів. Самим ж поширеним аналоговим стандартом у світі був і поки що залишається AMPS.
Два інших методи використовуються при цифровій технології і, як правило, в комбінації з частотним поділом.
У разі мультидоступа з тимчасовим поділом каналів численні абоненти передають свої повідомлення на одній і тій же радіочастоті, але в різний час, що дозволяє збільшити обсяг голосового трафіку і отримати ряд інших переваг, характерних для цифрових систем зв'язку. На цьому методі засновано такі відомі вузькосмугові цифрові стандарти стільникового зв'язку, як GSM і його різновид DCS, а також D-AMPS, який став логічним розвитком (удосконаленням) стандарту AMPS. Існують ще японські стандарти, але сфера їх застосування обмежена виключно національною територією.
Принцип, що використовується в системах мультидоступа CDMA, полягає в розширенні спектру вихідного інформаційного сигналу (у нашому випадку-мовного) з допомогою спеціального сигналу з огинаючої унікальної форми, яка і є своєрідним кодом. Як видно, в даному випадку всі абоненти працюють на одних і тих же радіочастотах, у результаті чого мережі CDMA немає необхідності витрачати багато зусиль на здійснення частотного планування. У приймачі отриманий на іншій стороні сигнал обробляється з допомогою ідентичного коду, внаслідок чого відновлюється вихідний інформаційний сигнал. У той же самий час сигнали інших користувачів для даного приймача продовжують залишатися розширеними і сприймаються ним лише як "білий шум", який є найбільш "м'якою" перешкодою, найменшою мірою заважає нормальній роботі приймача. Зрозуміло. до цього ми ще повернемося. А щоб популярно пояснити принцип роботи такої системи, пошлемося на одну дуже вдалу алегорію "для експертів і не дуже", яку, пояснюючи основи технології CDMA, зазвичай пропонує компанія Motorola. Уявіть кімнату, в якій одночасно розмовляє одне з одним багато пар людей, причому на різних мовах. Кожен з них добре розуміє свого співрозмовника, а всі сторонні розмови сприймаються як певний фон, який не особливо заважає розмові. Ось, власне, і весь принцип. Справа за технікою.
Автор: А. Голышко, р. Москва