Стандарты сотовой связи второго поколения 2G (GSM)

Недостатки аналоговых сетей первого поколения 1G, связанные с низкой пропускной способностью сети и слабой конфиденциальностью разговоров, подтолкнули разработчиков к созданию сетей второго поколения 2G, основанных на цифровых стандартах. По мере роста популярности мобильной связи разработчики всерьез занялись увеличением пропускной емкости стандартов и тотальной стандартизацией по всему миру. Унификация мобильных терминалов позволяет клиентам спокойно путешествовать по всей планете и всегда оставаться на связи благодаря автоматическому роумингу. К началу 90-х годов стало очевидно, что только цифровые способы передачи речи и управления мобильной связью позволят решить эти две задачи. Работы по созданию общемирового цифрового стандарта сотовой связи велись в Европе и в Америке.

Существуют четыре основных вида сетей второго поколения с возможностью организации сот радиусом до 20-30 км. Это американские сети D-AMPS и CDMA, японский стандарт JDC (Japan Digital Cell) и глобальный общеевропейский стандарт GSM. Таким первопроходцам рынка, как например D-AMPS, сегодня приходится очень тяжело. Чтобы выдерживать конкуренцию, им приходится снижать тарифы и предлагать услуги, которых первоначально данный стандарт не предполагал: автодозвон, автоматическое определение номера, конференцсвязь, голосовая почта, передача данных, а также доступ в сеть Internet.

Сохранив прежний размер сот и базовую инфраструктуру, новый стандарт CDMA (Code Division Multiple Access) увеличил количество одновременно звонящих абонентов в соте до 1000, а также уменьшил себестоимость телефонов, улучшил конфиденциальность разговоров и полностью устранил проблему двойников. Каждый телефон CDMA имеет свой идентификационный номер и для замены аппарата требуется обязательное участие сотового оператора. Список телефонных номеров и личный органайзер пользователя хранятся в памяти телефона, и при замене аппарата приходится перезаписывать всю информацию. Для повышения конфиденциальности разговоров в цифровых системах кодирование речи происходит путем сжатия информационного потока. Телефоны стандарта CDMA имеют небольшие размеры и низкий расход энергии. На сегодняшний день стандарт, получивший наибольшее распространение в Северной Америке и Корее, предлагает абонентам хорошее качество звука и наибольшую скорость передачи данных (14,4 кбит/с). Существуют операторы этого стандарта и в России, однако их количество невелико, из-за чего роуминг сильно ограничен.

Сотовые сети стандарта GSM (Global System for Mobile Communications) сегодня наиболее популярны. Этот цифровой стандарт мобильной связи был создан в Европе в 1991 году и очень быстро распространился по всему миру. Стандарт учитывает многолетний опыт эксплуатации сотовых сетей, рассчитан на массовое применение и допускает модификацию без нарушения базовых функций. Радиус соты сети GSM может достигать 35 км, а количество одновременных звонков – до 1000. Максимальная мощность мобильных телефонов находится в пределах 1 Вт, а в стационарных и автомобильных модификациях телефонов достигает 20 Вт. Мобильные терминалы GSM наиболее миниатюрны и имеют наибольший ресурс работы без подзарядки.

Для цифровых стандартов сотовой связи 2G характерно чистое звучание без помех, которое лишь немного искажает тембр и интонационный оттенок речи. При слабом сигнале или неустойчивой связи возможно незначительное «проглатывание» фрагментов слов. В моменты, когда абонент слушает собеседника, цифровые системы полностью отключают передатчик, чтобы не засорять эфир и экономить заряд аккумулятора. В это же время говорящий слышит в динамике искусственный "комфортный шум", чтобы не создавалось ощущение отсутствия связи. Подслушать разговоры в эфире GSM практически невозможно, так как используются сложные и закрытые алгоритмы шифрования, которые часто меняются и каждое соединение имеет свой ключ.

Существенно увеличило пропускную способность введение стандарта GSM 1800, который расширил диапазон используемых частот, а соты сделал более мелкими. Опыт эксплуатации сетей GSM 1800 в крупнейших городах показал, что стандарт позволяет избежать перегрузок сети даже при тотальном использовании мобильной связи. GSM использует частоты 900 МГц и 1800 МГц во всем мире, а вот в США Федеральная комиссия по радиосвязи предоставила операторам небольшой диапазон в районе 1900 МГц, создав, таким образом, американский стандарт GSM 1900. В этом же диапазоне могут работать также операторы сетей CDMA и D-AMPS. Выпускаемые в настоящее время мобильные телефоны способны работать во всех трех GSM диапазонах.

В дальнейшем возникла острая потребность в создании нового стандарта мобильной связи, который смог бы обеспечить существенно большую скорость передачи информации и комфортную работу в Интернет. Задача была решена в виде GPRS-технологии, реализованной в форме надстройки над стандартом GSM и позволяющей достигать на прием скорости 40,2 кбит/с.

В телефонах стандарта GSM используется сменная SIM-карта (Subscribe Identity Module), позволяющая оператору однозначно идентифицировать абонента, а также хранить в своей памяти 255 номеров абонентов. При перестановке SIM-карты из одного аппарата в другой автоматически переносится собственный телефонный номер и телефонная книжка.

Операторы сетей GSM предоставляют широкий спектр услуг:

голосовые соединения;
текстовые сообщения SMS (Short Message Service);
выход в Internet непосредственно с телефона при помощи WAP-браузера;
передача информации и факсов (скорость 9,6 кбит/с или до 384 кбит/сек при поддержке технологии EDGE);
конференцсвязь;
переадресация звонков;
информационные услуги (погода, цены, адреса, телефоны);
формирование групп пользователей и др.

Мобильные сети GSM состоят из системы коммутации – Network Switching System (NSS), системы базовых станций - Base Station System (BSS) и телефонов абонентов (MS).

Структура сотовой связи второго поколения 2G (GSM)

Система NSS служит для обслуживания вызовов и коммутации соединений, а также предоставление услуг абоненту. Система BSS выполняет все функции радиоинтерфейса.

NSS состоит из:

центра коммутации мобильной связи (MSC);
домашнего регистра местоположения (HLR);
визитного регистра местоположения (VLR);
центра аутентификации (AUC);
регистра идентификации абонентского оборудования (EIR).

BSS включает в себя функциональные блоки:

контроллер базовых станций (BSC);
базовую станцию (BTS).

Центр коммутации мобильной связи (MSC) является главным элементом сети GSM и осуществляет контроль за BTS и BSC в своей зоне обслуживания. MSC устанавливает соединения между абонентами сети, а также осуществляет соединения с другими мобильными и стационарными сетями.

Домашний регистр местоположения (HLR) хранит информацию об абонентах (перечень подключенных услуг, текущее состояние, местоположение и др.), которые относятся к данному MSC.

Визитный регистр местоположения (VLR) содержит информацию об активных абонентах в зоне обслуживания конкретного MSC. К ней относятся данные о домашних абонентах данного MSC и абонентах, для которых этот MSC является гостевым. Источником информации для VLR является HLR.

Центр аутентификации (AUC) служит для идентификации абонентов и предотвращения несанкционированного доступа в сеть. При включении телефона, совершении звонка, отправке SMS и т.п. MSC в обязательном порядке выполняет процедуру аутентификации на основании информации полученной из AUC и MS.

Регистр идентификации абонентского оборудования (EIR) представляет собой базу данных с информацией об идентификационных номерах мобильных терминалов GSM, которая может быть использована для блокировки украденных телефонов. EIR не является обязательным элементом и присутствует не во всех сетях.

Контроллер базовых станций (BSC) представляет собой коммутатор большой емкости, который предназначен для управления всеми функциями радиоканалов в сети GSM (хэндовер MS, назначение радиоканала и получение информации о конфигурации сот). Под управлением каждого MSC может находиться несколько BSC.

Базовая станция (BTS) управляет радиосвязью с телефоном абонента. BTS состоит из приемо-передатчиков и антенн, которые требуются для обслуживания каждой соты.

В сетях GSM с технологией пакетной передаче данных GPRS дополнительно используются блоки:

Узел обслуживания абонентов GPRS (SGSN), который представляет собой маршрутизатор с расширенными функциями установления сессии пакетной передачи данных, маршрутизации пакетов и начисления платы за предоставленные услуги. Стоит отметить, что пакетные данные передаются от подсистемы базовых станций в сторону SGSN, а не в сторону MSC.
Шлюзовой узел GPRS (GGSN) часто конструктивно объединяется в одном устройстве вместе с SGSN и представляет собой шлюз сети. Если пакеты данных направляются за пределы сети оператора, то именно GGSN выполняет эту функцию.

Автор: MC,
20.01.2013 г.