Книга Компьютерные сети. 6-е изд. - Эндрю Таненбаум

в смежных сотах). Этот процесс, называемый передачей обслуживания (handoff), занимает около 300 мс. Распределением каналов занимается MSC — мозговой центр ­системы. Базовые станции представляют собой простые радиоретрансляторы.

Основная проблема — найти высокую точку для размещения базовых станций. Она заставила некоторых операторов мобильной связи заключить договор с Римско-католической церковью, которая владеет множеством подходящих для установки антенн возвышенностей по всему миру. Удобно и то, что они находятся под управлением одной организации.

В сотовых сетях обычно встречается четыре типа каналов. Каналы управления (control channels) — от базовой станции к мобильному устройству — используются для управления системой. Пейджинговые каналы (paging channels) — от базовой станции к мобильному устройству — оповещают пользователей мобильных устройств о входных звонках. Каналы доступа (access channels) — двунаправленные — используются для настроек звонков и распределения каналов. Наконец, каналы данных (data channels) — также двунаправленные — служат для передачи голоса, факсов или данных.

2.6.2. Технология 1G: аналоговая передача голоса

Теперь рассмотрим технологии сотовых сетей с самых первых систем. Мобильные радиотелефоны периодически использовались в морской и военной связи еще в начале XX века. В 1946 году в Сент-Луисе появилась первая система для автомобильных телефонов — с одним большим передатчиком на высотном здании и одним каналом для передачи и приема. Для разговора пользователям приходилось нажимать кнопку, включающую передатчик и отключающую приемник. Подобные системы «нажал — говори» (push-to-talk systems) устанавливались повсюду в начале 1950-х. Эта технология часто используется в такси и полицейских автомобилях.

В 1960-х начала внедряться усовершенствованная система мобильной связи (Improved Mobile Telephone System, IMTS). В ней также применялся мощный (200 Вт) передатчик, расположенный на возвышенности, но с двумя частотами — одна для передачи, вторая для приема, так что необходимость в переговорной кнопке отпала. А поскольку входящие и исходящие сигналы передавались по разным каналам, пользователи мобильной связи не могли слышать чужие разговоры (в отличие от систем «нажал — говори» в старых такси).

IMTS поддерживала 23 канала в диапазоне от 150 до 450 МГц. Из-за такого маленького числа каналов пользователям нередко приходилось долго ждать освобождения линии. Кроме того, из-за большой мощности расположенных на возвышенностях передатчиков смежные системы приходилось разносить на несколько сотен километров во избежание помех. Все эти ограничения делали систему непрактичной.

Пропускную способность сотовых сетей значительно увеличила аналоговая продвинутая система телефонной мобильной связи (Advanced Mobile Phone System, AMPS), созданная Bell Labs и впервые развернутая в США в 1983 году. Она также использовалась в Великобритании, где называлась TACS, затем в Японии — под названием MCS-L1. От AMPS официально отказались в 2008 году, но мы рассмотрим ее, чтобы лучше понять следующие за ней системы 2G и 3G. В AMPS размер сот варьируется от 10 до 20 км в поперечнике; в цифровых системах соты обычно меньше. В то время как в IMTS диаметром 100 км на каждой частоте мог выполняться лишь один звонок, в AMPS на ту же площадь приходится сто 10-километровых сот, благодаря чему она может обслуживать от 10 до 15 звонков на каждой частоте в удаленных друг от друга сотах.

Для разделения каналов в AMPS используется FDM. Система включает 832 полнодуплексных канала, каждый из которых состоит из пары симплексных каналов. Такая схема называется дуплексной связью с частотным разделением каналов (Frequency Division Duplex, FDD). Для передачи данных с мобильного устройства на базовую станцию используется 832 симплексных канала в диапазоне 824–849 МГц; обратно данные передаются по 832 симплексным каналам в диапазоне 869–894 МГц. Ширина каждого симплексного канала — 30 кГц.

832 канала AMPS делятся на четыре категории. Поскольку повторно использовать одинаковые частоты в соседних сотах нельзя, а 21 канал в каждой соте резервируется для управления, фактически число доступных голосовых каналов в каждой соте намного меньше, чем 832 (обычно около 45).

Управление вызовами

В программируемой постоянной памяти каждого телефона в AMPS содержится уникальный 32-битный серийный номер и телефонный номер из 10 цифр. Телефонный номер во многих странах содержит 10-битный код области из 3 цифр и 24-битный номер пользователя из 7 цифр. При подключении телефона он сканирует заранее запрограммированный список из 21 канала управления в поисках наиболее мощного сигнала. Затем телефон транслирует свой 32-битный серийный номер и 34-битный телефонный номер. Как и вся управляющая информация в AMPS, этот пакет отправляется в цифровой форме, многократно, с использованием кода коррекции ошибок, несмотря на то что сами голосовые каналы — аналоговые.

Когда базовая станция получает оповещение, она передает информацию об этом MSC, который фиксирует появление нового абонента, а также сообщает домашнему MSC абонента о его текущем местоположении. В штатном режиме работы мобильный телефон регистрируется заново примерно каждые 15 минут.

Чтобы позвонить, пользователь включает телефон, набирает номер и нажимает кнопку вызова. Телефон передает вызываемый номер и его собственный идентификатор по каналу доступа. В случае конфликта попытка повторяется. Получив запрос, базовая станция сообщает о нем MSC. Если звонящий является абонентом компании данного MSC (или одного из ее партнеров), то MSC ищет свободный канал для звонка. Обнаружив канал, он отправляет его номер обратно по каналу управления. После этого мобильный телефон автоматически переключается на выбранный голосовой канал и ждет, пока вызываемый абонент не поднимет трубку.

Входящие звонки происходят иначе. Все телефоны в режиме ожидания непрерывно прослушивают пейджинговый канал на предмет предназначенных для них сообщений. При звонке на мобильный телефон (со стационарного или с другого мобильного телефона) домашний MSC вызываемого абонента получает пакет с запросом о его местонахождении. Затем пакет отправляется на базовую станцию текущей соты, которая транслирует по пейджинговому каналу запрос вида: «Устройство 14, вы здесь?». Телефон вызываемого абонента отвечает по каналу доступа «Да». После этого базовая станция сообщает ему нечто вроде: «Устройство 14, вам поступил вызов по каналу 3». Далее вызываемый телефон переключается на канал 3 и начинает звонить (или проигрывать мелодию, полученную владельцем телефона в качестве подарка на день рождения).

2.6.3. Технология 2G: цифровая передача голоса

Первое поколение мобильных телефонов было аналоговым, второе поколение — цифровое. У перехода на цифровые технологии есть несколько преимуществ. За счет оцифровки и сжатия голосовых сигналов повышается пропускная способность. Благодаря возможности шифрования голосовых и управляющих сигналов повышается безопасность. Это защищает от мошенничества и перехвата разговоров, как в случае преднамеренного сканирования диапазона, так и при случайном перехвате отголосков чужих звонков вследствие распространения радиоволн. Наконец, появляются новые сервисы, такие как обмен текстовыми сообщениями.

Международного стандарта для второго поколения мобильной связи не появилось, так же как и для