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

первого. На основе 2G было разработано несколько систем, три из которых применялись весьма широко. Продвинутая цифровая система телефонной мобильной связи (Digital Advanced Mobile Phone System, D-AMPS) представляет собой цифровой вариант AMPS, способный сосуществовать с ней. Она использует TDM для нескольких одновременных звонков на одном частотном канале. D-AMPS описана в международном стандарте IS-54 и его преемнике IS-136. С тех пор преобладающей системой стала Глобальная система мобильной связи (Global System for Mobile communications, GSM). Несмотря на медленное распространение в США, сейчас она используется практически во всем мире. В основе GSM, как и D-AMPS, лежит сочетание FDM и TDM. Совершенно иной системой, не основанной ни на FDM, ни на TDM, является множественный доступ с кодовым разделением (Code Division Multiple Access, CDMA), описанный в международном стандарте IS-95. И хотя эта технология не стала главной системой 2G, она легла в основу 3G.

В литературе по маркетингу системы 2G (то есть цифровые) иногда называются сервисами персональной связи (Personal Communications Services, PCS). Изначально под этим понимались мобильные телефоны, использующие полосу 1900 МГц, но сегодня это разграничение роли не играет. Доминирующей системой 2G во всем мире сегодня является GSM, подробно описанная далее.

2.6.4. GSM: Глобальная система мобильной связи

GSM появилась в 1980-х как попытка создания единого европейского стандарта 2G. Эту задачу поручили комиссии по электросвязи, носившей французское название Groupe Specialé Mobile. Первые GSM-системы были развернуты в 1991 году и быстро обрели популярность. Скоро стало очевидно, что GSM ожидает успех не только на европейском рынке, но и в отдаленных уголках мира, даже в Австралии. Поэтому GSM переименовали — для большей привлекательности в мировых масштабах.

GSM и другие системы телефонной связи, которые будут представлены далее, унаследовали от систем первого поколения сотовую архитектуру, повторное использование частот и мобильность с передачей обслуживания при перемещении абонента. Различаются лишь нюансы. Мы кратко рассмотрим основные свойства GSM. Но учтите, что в напечатанном виде стандарт GSM занимает более 5000 (!) страниц. Немалая доля этих сведений относится к технической стороне системы, особенно к архитектуре приемников для многолучевого распространения сигнала и синхронизации передатчиков и приемников. Этих вопросов мы касаться не будем.

Архитектуры GSM и AMPS совпадают, как показано на илл. 2.40, хотя названия компонентов отличаются. Сам мобильный телефон теперь состоит из переносного телефонного аппарата и съемного чипа — так называемой SIM-карты (SIM card; Subscriber Identity Module — модуль идентификации абонента), содержащей информацию о пользователе и состоянии его счета. Именно SIM-карта активирует переносной телефонный аппарат и содержит всю секретную

Илл. 2.40. Архитектура мобильной сети GSM

информацию, с помощью которой телефон и сеть идентифицируют друг друга и шифруют разговоры. SIM-карту можно вытащить из одного аппарата и вставить в другой: он и станет вашим телефоном с точки зрения сети.

Мобильный телефон взаимодействует с сотовыми базовыми станциями через радиоинтерфейс (air interface), который мы опишем чуть позднее. Все сотовые базовые станции подключены к контроллерам базовых станций (Base Station Controller, BSC). Они управляют радиоресурсами сот и отвечают за передачу обслуживания. BSC подключаются к MSC (аналогично AMPS), который маршрутизирует звонки и соединяется с PSTN.

Для маршрутизации звонков MSC требуется информация о местоположении абонентов. Он поддерживает базу данных находящихся поблизости телефонов, подключенных к управляемой им соте, — регистр роуминговых абонентов (Visitor Location Register, VLR). В мобильной сети также есть база данных о последнем известном местонахождении всех телефонов — домашний регистр местоположения (Home Location Register, HLR). Эта база используется для маршрутизации входящих звонков в нужную точку. Важно поддерживать актуальность обеих баз данных, поскольку мобильные телефоны постоянно перемещаются из соты в соту.

Теперь подробнее обсудим радиоинтерфейс. Во всем мире GSM работает на нескольких радиочастотах, включая 900, 1800 и 1900 МГц. Диапазон GSM шире, чем у AMPS, что позволяет обслуживать куда большее число пользователей. GSM — полнодуплексная система сотовой связи с частотным разделением каналов, как и AMPS. То есть все телефоны передают данные на одной частоте, а принимают — на другой, более высокой (на 55 МГц для GSM и на 80 МГц для AMPS). Однако, в отличие от AMPS, отдельные пары частот в GSM делятся с помощью TDM на временные слоты. Таким образом, ее могут использовать несколько мобильных телефонов.

Для обеспечения звонков нескольких мобильных телефонов каналы GSM намного шире, чем каналы AMPS (200 кГц вместо 30 кГц). На илл. 2.41 показан отдельный 200-килогерцный канал. Работающая в диапазоне 900 МГц GSM насчитывает 124 пары симплексных каналов (каждый шириной 200 кГц) и поддерживает восемь отдельных соединений, используя TDM. Каждому активному в текущий момент устройству выделяется свой временной слот на одной паре каналов. Теоретически каждая сота может поддерживать 992 канала, но многие из них недоступны во избежание конфликтов частот с соседними сотами. На илл. 2.41 все восемь заштрихованных временных слотов выделены для одного соединения, по четыре в каждом направлении. Передача и прием сигналов разнесены по разным временным слотам, поскольку GSM-радиостанции не способны передавать и принимать одновременно, а переключение с одного режима на другой занимает определенное время. Если мобильное устройство привязано к диапазону 890,4/935,4 МГц и требует временного слота 2 для передачи сигнала на базовую станцию, то оно воспользуется четырьмя нижними заштрихованными слотами (и следующими за ними по времени), передавая в каждый слот какие-либо данные, пока не будет отправлена вся информация.

Илл. 2.41. 124 частотных канала GSM, каждый из которых использует восьмислотовую TDM-систему

Слоты TDM на илл. 2.41 — часть сложной иерархии фреймов. Каждый слот TDM имеет особую структуру, так же как и группы слотов, образующие супер­фреймы. Упрощенная версия этой иерархии приведена на илл. 2.42. Каждый слот TDM состоит из 148-битного фрейма данных, занимающего канал на 577 мкс (включая защитный интервал времени в 30 мкс после каждого слота). Каждый фрейм начинается и завершается тремя битами 0 в целях разграничения фреймов. Он также содержит два 57-битных поля Информация; в каждом — контрольный бит, указывающий, для чего предназначено это поле (для голоса или данных). Между полями Информация располагается 26-битное поле Синхронизация, с помощью которого приемник производит синхронизацию по границам фреймов отправителя.

Фрейм данных передается за 547 мкс, но передатчик может отправлять лишь по одному фрейму каждые 4,615 мс, поскольку делит канал еще с семью другими устройствами. Общая скорость каждого канала, составляющая 270 833 бит/с, делится между восемью пользователями. Впрочем, как и в AMPS, служебные данные «съедают» значительную часть полосы