Введение. История GSM

Характерная черта современного мира — широкое использование подвижной связи. В настоящее время в большинстве стран количество абонентов подвижной связи начинает превосходить количество абонентов стационарной сети. Уже появилось мнение, что в скором времени многие абоненты от стационарной связи откажутся. Пока же она имеет некоторые преимущества по надежности и качеству услуг, в основном в части широкополосной сети и возможностей мультимедиа.

Надежность сотовой связи и ее качество в настоящее время зависит от местности, погодных и радиоэлектромагнитных условий. Абонент не всегда может быть уверен, что связь будет предоставлена в любом месте и в любое время.

Услуги мультимедиа, предоставляемые сетями подвижной связи, в ближайшее время должны быть дополнены доступом в Интернет и приемом подвижных изображений с качеством не хуже, чем предоставляемые в xDSL. Поэтому исследования в этих направлениях составляют основу современной науки и практики развития мобильных систем.

Рассмотрим принятые в настоящее время направления технологий реализации сетей и систем сотовой связи. Представлены основные системы и, следовательно, основные направления реализации. Это оборудование, протоколы и процессы цифровых систем на базе стандартов GSM, набора стандартов, связанных с технологией CDMA, CDMA 2000, UMTS и очень перспективная в настоящее время система WiMAX (стандарт IEEE 802.16e).

GSM не требует представления и пока является самой распространенной системой в Европе. В США имеется модификация этой системы. Ее сторонники подчеркивают хорошее качество речи, наличие службы коротких сообщений (SMS), работу в сложных метеоусловиях, в условиях многолучевого распространения и минимального отношения сигнал-помеха.

Конкурентом GSM в борьбе за потребителя является система с кодовым разделением каналов (CDMA).

Эта система построена на очень интересных принципах, отличающихся от традиционных теоретических (функции Уолша, псевдослучайные последовательности).

Сторонники этой технологии приводят следующие преимущества: максимальное использование частотного диапазона, экономный расход мощности батареи терминала и, следовательно, более долгий срок службы, максимальная для подвижных систем конфиденциальность и скрытность информации, устойчивость к многолучевым замираниям и индустриальным помехам. К недостаткам системы относится необходимость сложного и точного механизма регулирования мощности.

Наиболее широкие исследования предприняты в рамках программы IMT-2000, рассмотренной в части 3. Основные задачи этого направления упрощенно можно сформулировать как достижение рабочего диапазона 2 Мбит/c, т. е. диапазона, характерного для сетей интегрального обслуживания ISDN, и соответственно — предоставление аналогичных услуг.

На базе этого проекта разработано множество подпроектов (CDMA-2000, UWC-136 и другие). Наиболее подробно рассмотрен общеевропейский проект UMTS. В концепции этого проекта основное внимание уделяется организации взаимодействия с системами стандарта GSM и их последующими модификациями (GPRS, EDGE).

Основные задачи этих систем можно концентрированно выразить в следующих положениях:

· глобальный роуминг, благодаря всеобщей стандартизации или согласованности протоколов;

· совмещение услуг передачи речи со скоростной передачей данных;

· двусторонняя работа со спутниковыми системами.

Указанные задачи не были полностью решены, и внедрению этих систем реально угрожает конкуренция с новой системой внутригородской связи WiMAX, базирующейся на стандарте IEEE.802.16e. Этот стандарт является результатом большой работы над сетями радиодоступа.

Поставленные задачи весьма сложны, если принять во внимание предоставляемый абоненту частотный диапазон 1–5 МГц и обеспечение качественной связи в условиях отсутствия прямой видимости 3 км. Перспектива, которую ставят перед собой разработчики широкополосной системы мобильной связи, — передача данных со скоростью 134 Мбит/с и дальность обмена 50 км (без прямой видимости). Указанные данные порождают массу прикладных задач, которые достаточно усложняют процессы передачи вызова (хэндовера) и перехода между сетями (роуминга).

Эти задачи подкрепляются новыми или существенно доработанными решениями. В частности, это наращиваемый ортогональный многочастотный доступ с применением быстрых преобразований Фурье, применение многоэлементных антенн (MIMO), с пространственно-временным кодированием, а также адаптивная модуляция, дифференцированное качество обслуживания и т. п.

Перечисленные выше решения — это серьезные и объемные теоретические вопросы, решаемые с помощью современных математических методов (например, коды Аламоути). Их рассмотрение позволяет проследить возможные пути развития данной области техники и проанализировать возможные практические пути реализации новых технологий.

Следует отметить, что развитие сетей мобильной связи не остановилось на перечисленных выше системах. В настоящее время уже проводятся исследования в области программно ориентированных средств радиопередачи (SDR — Software Defined Radio).

Функции такой системы в основном определяются программным обеспечением, что позволяет легко адаптировать систему к различным приложениям.

В начале 1980-х в Европе, особенно в Скандинавии и Великобритании, а также и во Франции и Германии наблюдался быстрый рост мобильной телефонной связи. Каждая страна разработала свою собственную систему, которая была несовместима со всеми другими в части оборудования и функционирования. Такая ситуация была нежелательна, потому что подвижная аппаратура не только была ограничена функционированием в пределах национальных границ, которых в объединенной Европе было все больше и больше, но очень ограничивало рынок для каждого типа оборудования. Страдали и сбыт, и окупаемость расходов на мобильную связь.

В 1982 г. Конференция европейских почт и телекоммуникаций (CEPT — Conference of European Post and Telecommunication) сформировала группу GSM (Group Special Mobile) для изучения и разработки европейской мобильной наземной системы. Предложенная система должна была соответствовать некоторым критериям:

· хорошее субъективное качество речи;

· низкая стоимость оконечных устройств и обслуживания;

· поддержка международной подвижной связи;

· способность обслуживать малогабаритные терминалы;

· обеспечение диапазона новых услуг и средств;

· эффективное использование радиодиапазона;

· совместимость с ISDN.

В 1989 г. ответственность за разработку GSM была передана Европейскому институту стандартов в области телекоммуникаций (ETSI — European Telecommunication Standards Institute). Первые спецификации GSM были изданы в 1990 г. Коммерческая эксплуатация была начата в середине 1991 г., и к 1993 г. существовало 36 сетей GSM в 22 странах.

Хотя GSM стандартизировано в Европе, это не только европейский стандарт. Сегодня работают более чем 200 сетей GSM (включая DCS-1800 и PCS-1900) в 110 странах во всем мире. В начале 1994 г. во всем мире было 1,3 миллиона абонентов. Сегодня эта цифра выросла до 70 миллионов. Северная Америка имеет разновидность GSM, названную PCS-1900.

Системы GSM существуют теперь на каждом континенте, и сокращение "GSM" (Global System for Mobile Communications) теперь обозначает "Глобальная система для мобильной связи".

Создатели GSM выбрали не опробованную (в то время) цифровую систему, в противоположность применявшимся тогда аналоговым сотовым системам, подобным усовершенствованной системе мобильной связи в Соединенных Штатах (AMPS — Advances Mobile Phone System) и системе с полным доступом (TACS — Total Access Communications System) в Великобритании.

Разработчики верили, что усовершенствованные алгоритмы сжатия информации и применение цифровых сигнальных процессоров позволят выполнить поставленные выше задачи и непрерывно совершенствовать систему в смысле качества и стоимости. Более чем 8000 страниц рекомендаций GSM дали возможность построить гибкую и конкурентоспособную систему и обеспечить достаточную стандартизацию, чтобы гарантировать надлежащее межсетевое взаимодействие между компонентами системы, — для этого были созданы описания интерфейсов каждого из функциональных объектов, определенных в системе.