•  

 

У 80-х роках в Європі, Північній Америці та Японії приступили до інтенсивного вивчення принципів побудови перспективних цифрових стільникових систем зв'язку.  Зараз  розроблено 3 основних стандарти таких систем із макростільниковою топологією мереж і радіусом до 35 км: загальноєвропейський стандарт GSМ, прийнятий Європейським інститутом стандартів в області зв'язку (ЕТSI); американський стандарт ADC (D-AMPS), розроблений Промисловою асоціацією в області зв'язку (ТIА); японський стандарт JDC, прийнятий Міністерством пошт і зв'язку Японії.

Загальноєвропейський стандарт GSМ - перший у світі стандарт на цифрові мережі рухомого зв’язку, що передбачає їх функціонування в діапазоні 900 МГц і є основою стандарту DCS1800 (діапазон 1800 МГц) з мікростільниковою структурою. Стандарт GSM реалізовується в наш час і в Північній Америці в діапазоні 1900 МГц (РСS-1900). В Росії стандарт GSM прийнятий як федеральний.

Зазначені стандарти відрізняються за своїми характеристиками, але побудовані на єдиних принципах і використовують часове розділення каналів ТDМA, що відповідає вимогам сучасних інформаційних технологій (табл. 7.2).

В наш час популярність стандарту GSM настільки велика, що тепер він є глобальною системою рухомого зв'язку. GSM і його варіанти, - DCS-1800 (Digital Cellular Systems 1800) і РСS-1900 (Personal Communication Servise), прийняті і розвиваються в Європі, Азії, Африці, Австралії і Північній Америці. З огляду на цю обставину, абревіатура GSМ спочатку утворена з перших літер назви спеціальної групи (Group Special Mobile), у наш час розшифровується як Global System for Mobile Communications (глобальна система для рухомого зв'язку).

В 1997 р. UМС розгорнула також в нашій країні мережу в цифровому стандарті GSМ-900. Послугами цієї мережі користуються понад 50000 абонентів у всіх великих містах України. На відміну від NMT-450i, що крім України та Росії використовується тільки в деяких країнах Східної Європи і Скандинавії, послугами мереж GSM-900 користуються близько 70 млн. абонентів у 110 країнах світу.

 

Таблиця 7.2 - Характеристики цифрових стандартів стільникового  зв’язку

 

Характеристики стандарту

GSM (DCS1800, PCS1900)

ADC

(D-AMPS)

JDC

Метод доступу

 

TDMA

TDMA

TDMA

Рознесення частоти, кГц

200

30

25

Число мовних каналів на одну носійну

8 (16)

3

3 (6)

Швидкість перетворення мови, Кбіт/с

13 (6,5)

8

11,2 (5,6)

Алгоритм перетворення мови

RPE-LTP

VSELP

VSLP

Загальна швидкість передавання, Кбіт/с

270

48

42

Еквівалентна смуга частот каналу, кГц

25 (12,5)

10

8,3 (4,15)

Необхідне відношення сигнал/шум, дБ

9

16

13

Радіус чарунки, км

 

0,5-35

0,5-20

0,5-20

Робочий діапазон частот, МГц

935-960

890-915

 

1710-1785

1805-1880

824-840

869-894

810-825

940-956

 

1429-1441

1447-1489

 

1453-1465

1501-1513

 

Стандарт GSM-900 дуже широко поширений у Західній Європі. Практично вся її територія вже покрита стільниковим зв'язком даного стандарту. Фірма UMC має угоди про автоматичний роуминг з 20 країнами Західної Європи: Великобританією, Німеччиною, Францією, Нідерландами, Угорщиною, Швейцарією й ін. В цих країнах абонент UMC може користуватися своїм телефоном без обмежень. GSM-900 також поданий більше, ніж у 50 містах Росії.

Стосовно інших цифрових стандартів GSМ забезпечує кращі енергетичні та якісні характеристики зв'язку, а також характеристики безпеки та конфіденційності зв'язку. Цей стандарт передбачає роботу передавачів у двох діапазонах частот: 890-915 МГц (для передавачів рухомих станцій), 935-960 МГц (для передавачів базових станцій). У цьому стандарті використовується вузькосмуговий багатостанційний доступ з часовим розділенням каналів (NВ ТDМA), що дозволяє організувати 8 фізичних каналів на кожній із 124 несучих частот.

Підвищення ефективності рухомих станцій досягається  перемиканням робочих частот (SFН) у процесі сеансу зв'язку зі швидкістю 217 стрибків на секунду. Для боротьби з інтерференційними завмираннями прийнятих сигналів, викликаними багатопроменевим поширенням радіохвиль в умовах міста, в апаратурі зв'язку використовуються еквалайзери, що забезпечують вирівнювання імпульсних сигналів із середньоквадратичним часом затримки до 16 мкс.

Система синхронізації розрахована на компенсацію абсолютного часу затримки сигналів до 233 мкс, що відповідає максимальній дальності зв'язку або максимальному радіусу чарунки 35 км. В стандарті GSM використовується гаусова частотна маніпуляція з мінімальним частотним зміщенням (GMSK). В системі забезпечується вмикання передавача тільки при наявності мовного сигналу та відключення передавача в паузах і наприкінці розмови. Загальна швидкість перетворення мовного сигналу - 13 Кбіт/с. За даними фірми Ericsson, якість прийнятих мовних повідомлень забезпечується в GSM при відношенні сигнал/шум на вході приймача 9 дБ, для американського стандарту D-АМРS це відношення складає вже 16 дБ. У реальних каналах зв'язку при завмираннях сигналів енергетичні витрати в D-AМРS вище на 6-10 дБ, ніж в GSМ. Крім того, стандарт GSМ надає ряд послуг, що не реалізовані в інших стандартах стільникового зв'язку. До них відносяться:

- використання інтелектуальних SIМ-карт для доступу до каналу і послуг зв'язку;

- закритий для прослуховування радіоінтерфейс;

- шифрування переданих повідомлень;

-аутентифікація абонента й ідентифікація абонентського устаткування згідно з криптографічними алгоритмами;

- використання служб коротких повідомлень;

- автоматичний роуминг абонентів різних мереж GSМ;

- міжмережевий роуминг абонентів GSМ з абонентами мереж DСS1800, РСS1900, DЕСТ, а також із супутниковими мережами наземного рухомого зв'язку (Irdium, GlobalStar, Inmarsat-P).

Перше покоління стільникових систем було орієнтовано на надання абонентам радіодоступу в телефонній мережі загального користування  (РSТN). В наш час вони швидко еволюціонують у напрямку створення цифрових мереж з інтеграцією служб (ISDN) і пакетним передаванням даних (РDN). Тому однією з основних вимог до другого покоління стільникових систем стало надання абонентам якомога більшого числа послуг ISDN і РDN. Це ускладнило структурну схему стільникових систем стандарту GSM/DCS.

Система GSM поділяється на підсистему мережі і підсистему базових станцій (рис.7.7). Підсистема мережі складається з центру комутації рухомого зв'язку (МSС), регістра візитних абонентів (VLR), регістра постійно приписаних абонентів (VLR), центру аутентифікації (HLR) та регістра ідентифікації устаткування (AUC). Підсистема базових станцій складається з приймально-передавального обладнання (BTS) та контролерів базових станцій (ВSС).


Рисунок 7.7 - Основні елементи мережі GSM

Базові станції з'єднуються з мобільними станціями (МS)  радіоканалами через стандартний інтерфейс Um. Підсистема базових станцій через стандартний інтерфейс А під’єднується до підсистеми мережі. Остання має виходи на стаціонарні мережі загального користування (РSТМ, ISDN, PDN) через МSС, який обладнано міжмережевими переходами (GМSС). Обидві підсистеми зв'язані з центром технічного обслуговування (ОМС).

Рухомі станції поділяються на три категорії:

- возимі, що монтуються на рухомому об'єкті із зовнішньою антеною;

- портативні, що можна установити на рухомому об'єкті, вставивши термінал в автомобільний адаптер;

- ручні, які мають невелику масу та розміри, що дозволяє абонентам мати їх при собі в будь-якій обстановці.

Кожна МS містить модуль ідентифікації абонента (SIМ-картку), що являє собою вмонтований у пластикову оболонку мікрочіп. В одному чіпі містяться запам’ятовуючий пристрій та мікропроцесор, який дозволяє зберігати та відтворювати всі дані, використовувані МS у процесі встановлення з'єднання. SIM-картки виготовляються або у вигляді модуля розмірами з кредитну картку, яку абонент може вставити в МS, або у вигляді невеликого модуля розмірами з поштову марку, який встановлюється в спеціально обладнаному місці МS.

У SIМ-картці зберігаються:

- дані про абонента (міжнародний ідентифікаційний номер рухомого абонента (IМSI), ключ аутентифікації абонента (Ki) та клас керування доступом);

- тимчасові дані про мережу (ідентифікатор місця розташування (LАI), ключ шифрування (Ке), дані, що заборонені для доступу в рухомих мережах);

- додаткові дані, що характеризують якість обслуговування (краща мова спілкування, повідомлення про оплату і перелік заявлених послуг).

Одна з основних задач SIМ-картки полягає в забезпеченні захисту від несанкціонованого використання рухомої станції. На рівні абонентського інтерфейсу в SIМ-картці записується персональний ідентифікаційний номер (РIМ-номер) довжиною від 4 до 8 розрядів, котрий мікропроцесор SIМ-картки після вмикання станції звіряє з номером, що набирається користувачем за допомогою клавіатури. Якщо три рази підряд набрано помилковий РIМ-номер, то  використання SIМ-картки блокується доти, поки абонент не введе 8-розрядний персональний ключ розблокування (РUК). Якщо помилковий РUК вводиться 10 разів підряд, використання SIМ-картки повністю блокується й абонент  змушений буде звернутися до оператора мережі. Крім того, завдяки SIМ-карткам є можливість дзвонити не тільки зі свого стільникового телефону, але і з будь-якого іншого GSМ-телефону. Досить лиш вставити SIМ-картку в апарат і набрати особистий ідентифікаційний РIМ-номер.

Центр комутації рухомого зв'язку виконує функції комутації і управління певної географічної зони (наприклад, Москва й область). MSС керує процедурами установлення виклику і маршрутизації, формує дані, необхідні для виписки рахунків за надані послуги, накопичує дані з розмов, що відбулися, підтримує процедури безпеки та інше. Центр комутації здійснює постійне додавання за рухомими станціями, використовуючи регістри HLR i VLR.

Регістр постійно приписаних абонентів є базою даних, за допомогою якої можна простежити траєкторію переміщення рухомого абонента для посилання йому виклику. Крім цього, він містить інформацію про надання кожному абоненту мережі GSМ додаткових послуг. При переміщенні абонента мережею GSM абонентська станція через MSС буде передавати повідомлення регістру НLR про своє розташування, забезпечуючи його поточною інформацією, що дозволяє вхідний виклик МS передавати  найкоротшим маршрутом. Регістр НLR може спільно використовуватися декількома операторами.

Регістр візитних абонентів є базою даних, що містить інформацію обслуговування MSС. Як тільки МС виявляється в зоні, що обслуговується іншими МSС, регістр VLR запитує дані про МS у регістра НLR, до якого вона приписана. У той же час НLR буде інформований про нове положення МS. Якщо з MS буде надіслано вихідний виклик, то VLR матиме всю необхідну інформацію для встановлення з'єднання без звернення до НLR. Таким чином, кожний VLR можна розглядати як частину розподіленого регістра НLR, що має більш точну інформацію про  розташування MS. Центр аутентифікації зв'язку з НLR постачає його необхідною інформацією для надання законної сили кожному абоненту, що зробив виклик в мережі GSM, а також постачає МS ключами шифрування.

Регістр ідентифікації устаткування є необов'язковою частиною мережі GSM. Його задача - забезпечувати підвищений рівень її безпеки. При встановленні виклику кожний термінал повідомляє по радіоканалу свій серійний номер, що зберігається в RОМ-пам’яті. Якщо цей номер відсутній в ЕIR, то стільниковий телефон дозволяє доступ до мережі.

Базова станція є інтерфейсом між рухомою та стаціонарною частинами GSM. Число приймально-передавальних блоків на кожній ВS дорівнює числу частотних каналів, виділених цій станції. Область обслуговування ВТS, тобто розмір і конфігурація стільника, залежить від вихідної потужності її передавача, типу та висоти підвішення антени. Контролер керує роботою ВТS. Число базових станцій, що можуть бути під’єднанні до одного ВSС, залежить від конкретного виробника устаткування і може змінюватися від декількох десятків до декількох сотень.

Центр технічного обслуговування виконує функції експлуатації, адміністрування та відновлення роботоздатності різних елементів мережі GSM.

Подальшим розвитком і доповненням GSM-900 є стандарт         GSM-1800. Послуги зв'язку в цьому стандарті надає в Україні Golden Telecom. Кількість абонентів поки не дуже велика, і усі вони зосереджені в Києві. Можливий автоматичний роуминг з Росією, а також Словаччиною, Швейцарією, Данією та Великобританією. Даний стандарт працює на більш високій частоті, ніж GSM-900 і, що важливо, у діапазоні, не зайнятому іншими радіозасобами. Справа в тому, що перед розгортанням мереж стільникового зв'язку GSM-900 необхідно було провести деякі підготовчі організаційні заходи, пов'язані з тим, що діапазон 900 МГц  давно використовувався в СНД у системах авіаційної радіонавігації, вторинної радіолокації та керування повітряним рухом. Стандарт GSM-1800 передбачається надалі застосовувати в системах глобального мобільного персонального зв'язку, що організовується за допомогою групи низькоорбітальних супутників "Іридіум" або проекту “Global Star", що об'єднають послуги стільникового зв'язку GSM-1800, бездротового телефону стандарту DЕСТ та мобільного супутникового зв'язку.

Безсумнівною перевагою мережі GSM-1800 є те, що вона здатна обслужити значно більше користувачів, ніж GSM-900, що особливо актуально для перевантаженої абонентами Європи. Розмір чарунки в GSM-1800 менший, і для розгортання мережі потрібно в 3-4 рази більше базових станцій, ніж у GSM-900. Зате позитивним моментом є найменша серед всіх інших стандартів потужність випромінювання телефонів, що дуже важливо з погляду безпеки для здоров'я користувачів.

Стандарт GSM-1800 сумісний із GSM-900 і з GSM-1900 - американським варіантом GSM. Це означає, що SIM-картка апарата GSM-1800 також може використуватися й у телефонах інших GSM-стандартів. Крім того, випускаються стільникові телефони, наприклад Nokia 8110, що працюють у двох стандартах GSM-900 та GSM-1800.

Компанія DСС надає послуги стільникового зв'язку в стандарті DАМРS для більш, ніж 10 тисяч абонентів у Києві, Дніпропетровську і Донбасі (Донецьк, Маріуполь, Макіївка, Горлівка), Харкові й Одесі. Користувачі DСС можуть стати абонентами радіотелефонної мережі СНД "Білайн" і працювати в більш, ніж 50 містах Росії, Грузії, Казахстану, Узбекистану, Киргизії. Крім СНД стандарт DАМРS поширений тільки в США, де він був створений. У Західній Європі даний стандарт взагалі відсутній, що є його серйозним недоліком. Інший недолік DАМРS полягає в тому, що через особливості організації керування мережею в ньому немає можливості забезпечити автоматичний роуминг. Після прибуття в інше місто абонент повинен зареєструватися в мережі гостьового оператора. Однак у деяких випадках в цьому можуть бути і свої плюси. Наприклад, коли абонент знаходиться в іншому місті і веде розмову з таким же абонентом, то вартість розмови в DАМРS виявляється меншою, тому що при цьому немає необхідності завантажувати міжміські лінії зв'язку. Стандарт DАМРS несумісний з іншими цифровими стандартами. Тому перед від'їздом у країну, де цього стандарту немає, абонент повинен орендувати на час поїздки у свого оператора апарат іншого стандарту, що створює відповідні труднощі.