Общие принципы сотовой связи

Стандарт GSM, кроме того, предоставляет  своим пользователям ряд услуг, которые не реализованы (или реализованы не полностью) в других стандартах сотовой связи. К ним относятся:

- Использование интеллектуальных SIM-карт для обеспечения доступа  к каналу и услугам связи

- Шифрование передаваемых  сообщений

- Закрытый от прослушивания радиоинтерфейс

- Аутентификация абонента  и идентификация абонентского  оборудования по криптографическим  алгоритмам

- Использование служб  коротких сообщений, передаваемых  по каналам сигнализации

- Автоматический роуминг  абонентов GSM в национальном и  международном масштабах

- Межсетевой роуминг абонентов  GSM с абонентами сетей стандартов DCS1800, PCS1900, DECT, а также со спутниковыми  сетями персональной радиосвязи (Globalstar, Inmarsat-P, Iridium)

В соответствии с Рекомендацией  СЕРТ 1980 г., касающейся использования  частот подвижной связи в диапазоне 862—960 МГц, стандарт GSM цифровой общеевропейской сотовой системы наземной подвижной связи предусматривает работу передатчиков в двух диапазонах частот. Диапазон частот 890—915 МГц используется для передачи сообщений с подвижной станции на базовую, а диапазон 935—960 МГц — для передачи сообщений с базовой станции на подвижную. Причем при переключении каналов во время сеанса связи разность между этими частотами постоянна и равна 45 МГц.

Разнос частот между соседними  каналами связи составляет 200 кГц. Таким  образом, в отведенной для приема/передачи полосе частот шириной 25 МГц размещаются 124 канала связи.

В стандарте GSM используется многостанционный доступ с временным  разделением (уплотнением каналов — ТОМА), что позволяет на одной несущей частоте разместить 8 речевых каналов одновременно. В качестве речепреобразую-щего устройства используется речевой кодек RPE-LTP с регулярным импульсным возбуждением и скоростью преобразования речи 13 Кбит/с.

Обработка речи в данном стандарте осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи DTX (Discontinuous Transmission), которая обеспечивает включение передатчика только тогда, когда пользователь начинает разговор и отключает его в паузах и в конце разговора (рис. 2.38). Система DTX управляет детектором активности речи VAD, который обеспечивает обнаружение и выделение интервалов речи с шумом и шума без речи даже в тех случаях, когда уровень шума соизмерим с уровнем речи.

Для защиты от ошибок, возникающих  в радиоканалах, применяется блочное  и сверточное кодирование с перемежением. Повышение эффективности кодирования и перемежения при малой скорости перемещения подвижных станций достигается медленным переключением рабочих частот в процессе сеанса связи (со скоростью 217 скачков в секунду).

Для борьбы с интерференционными замираниями принимаемых сигналов, вызванными многолучевым распространением радиоволн в условиях города, в аппаратуре связи используются эквалайзеры, обеспечивающие выравнивание импульсных сигналов со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16 мкс. Система синхронизации оборудования рассчитана на компенсацию (до 233 мкс) абсолютного времени задержки сигналов. Это соответствует максимальной дальности связи 35 км (максимальный размер соты). Для модуляции радиосигнала применяется спектрально-эффективная гауссовкая частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Манипуляция называется так потому, что последовательность информационных битов до модулятора проходит через фильтр нижних частот с гауссовской амплитудно-частотной характеристикой, что дает значительное уменьшение ширины полосы частот излучаемого сигнала. Формирование GMSK-сигнала происходит таким образом, что на интервале, соответствующем одному биту, фаза несущей частоты изменяется на 90°. Это наименьшее изменение фазы, которое может быть обнаружено при данном типе манипуляции. Выходной сигнал с непрерывным изменением фазы аналогичен сигналу, полученному в результате частотной модуляции с дискретным изменением частоты. Принцип формирования GMSK-сигнала представлен на рис. 2.39.

В стандарте GSM используется модуляция с нормированной полосой  ВТ = 0,3, где В — ширина полосы фильтра по уровню -3 дБ; Т — длительность передачи одного бита.

Основой формирователя GMSK-сигнала  является I/Q-модулятор, который состоит  из двух умножителей и одного сумматора.

Модуляцию GMSK характеризуют  следующие свойства:

- Постоянная по уровню  огибающая, позволяющая использовать  передающие устройства с усилителями  мощности класса С

- Узкий спектр на выходе  усилителя мощности передающего  устройства, обеспечивающий низкий уровень внеполосного излучения

- Хорошая помехоустойчивость  канала связи

Каждый подвижный абонент  на время пользования системой GSM сотовой связи получает стандартный модуль подлинности абонента — SIM-карту, которая содержит: международный идентификационный номер абонанта (IMSI), индивидуальный ключ аутентификации (К/), алгоритм аутентификации (A3). С помощью этой информации, в результате взаимного обмена данными между подвижной станцией и сетью, осуществляется полный цикл аутентификации и разрешается доступ абонента к сети.

SIM-карта (Subscriber Identification Module) представляет собой пластиковую смарт-карту с чипом, на котором содержится информация, которая идентифицирует уникального абонента в сотовой сети. Кроме того, Ha SIM-карте находится различная информация, например, записная книжка с телефонами (количество зависит от конкретного оператора и карты; обычно это — 100 номеров). Без SIM-карты телефон можно использовать только для экстренных звонков — таких, как вызов милиции и скорой помощи. Размеры карты 25x15 мм, толщина 1 мм. Карта программируется сотовым оператором и имеет свой номер, который для пользователя не представляет почти никакого интереса. Важны только те коды, которые даются с SIM-картой: PIN-код и PUK-код.

PIN-код (Personal Identity Number) — персональный идентификационный номер. После того как SIM-карта вставлена в телефон и включено питание, на дисплее любого телефона появится сообщение: «Введите пин—код». После этого у пользователя есть три попытки для правильного ввода идентификационного номера. Если этот номер не введен с трех попыток, то SIM-карта телефона будет заблокирована. Разблокировать SIM-карту можно, лишь зная PUK-код. PIN-код рекомендуется выучить наизусть!

PUK-код (Personal Unlock Key) — персональный ключ разблокировки. При блокировке SIM-карты телефона ее можно разблокировать только вводом PUK-кода, на это у пользователя есть десять попыток, после чего, если код все время вводился неправильно, SIM-карта блокируется полностью. Чтобы разблокировать ее после этого, придется обратиться к оператору сотовой сети.

Процедура проверки подлинности  абонента реализуется следующим  образом. Сеть передает на подвижную  станцию некоторое случайное  число (RAND). В аппаратуре сотового радиотелефона  с помощью индивидуального ключа К/и алгоритма A3 производится преобразование полученного числа (путем математических вычислений) и вычисляется результат (SRES), т. е. новое число. Это число подвижная станция посылает обратно в сеть, которая сравнивает его с числом, определенным непосредственно сетью. Если оба числа совпадают — то подвижная станция получает доступ к сети. В противном случае связь прерывается, и индикатор подвижной станции показывает, что идентификация (опознавание абонента) не состоялось. Для обеспечения секретности вычисление отклика происходит скрытно (SIM-картой).

Центр управления и обслуживания (ОМС) обеспечивает распределение функций и организацию взаимодействия между центром коммуникации (MSC) и подсистемой базовых станций (BSS). Его функции совпадают с функциями центра управления и обслуживания в обычных сетях связи. Различие заключается лишь в том, что в сетях стандарта GSM центр ОМС обеспечивает управление работой радио-подсистемы.

Характеристики стандарта GSM, принятая функциональная схема сетей  связи и совокупность интерфейсов  обеспечивают высокое качество связи, совместимость с существующими и перспективными информационными сетями и предоставление абонентам широкого спектра услуг.

В результате анализа различных вариантов построения цифровых сотовых систем подвижной связи в стандарте GSM принят многостанционный доступ с временным разделением каналов — TDMA (Time Division Multiple Access).

В общем виде процесс передачи сигнала выглядит следующим образом. Сначала осуществляется преобразование аналогового речевого сигнала в цифровую последовательность, которая подвергается шифрованию и кодированию, что необходимо для защиты информации от ошибок в процессе передачи и приема. Для этого используются:

- Блочное кодирование  — для быстрого обнаружения  ошибок при приеме

- Сверточное кодирование  — для исправления одиночных  ошибок

- Перемежение — для  преобразования пакетов ошибок  в одиночные ошибки 

 

3 Функциональные  возможности сотовых телефонов

3.1 Технология  доступа WAP

В середине 1997 года компании Motorola, Nokia, Ericsson и Phone.com объединили свои усилия для разработки и внедрения технологий доступа WAP, пытаясь создать средства доставки информации из Internet на мобильные устройства. Что удивительно, это им удалось! WAP (Wireless Application Protocol) — протокол беспроводных приложений — является одной из наиболее обсуждаемых технологий в мире мобильной связи, поскольку эта технология является первым практическим шагом на пути объединения сотовой связи и глобальных компьютерных сетей, первой попыткой создать открытый стандарт для беспроводной передачи данных вне зависимости от поставщика как телефона, так и услуг и способа связи.

WAP предназначен для беспроводного  (через сотовый телефон) доступа,  как правило, к специальным  WAP-сайтам в Internet. Проще говоря, WAP — это стандартизованный способ связи мобильного радиотелефона и сервера. Все компании, трудящиеся в сфере информационных технологий, в обязательном порядке создали WAP-отделы в силу следующих веских причин:

- WAP обеспечивает связь  Internet и мобильных сетей, двух  самых быстрорастущих отраслей связи во всем мире;

- основателями WAP являются  крупнейшие поставщики мобильных  устройств (такие, как Nokia, Ericsson и Motorola);

- в WAP-форум входят более  120 компаний-участников;

- все предшествующие попытки  создания мобильных информационных  систем не увенчались успехом, у технологии WAP есть реальная возможность исправить эту ситуацию.

В отличие от иных способов доступа, когда сотовый телефон  является лишь посредником между компьютером того или иного поколения, данный протокол разрабатывался прежде всего для доступа с самого мобильного телефона посредством встроенного (в программное обеспечение телефона или SIM-карту) броузера (browser).

Особенность данного стандарта  в его открытости и в том, что  он учитывает (в отличие от традиционных протоколов типа HTTP) особенности устройства сотовых телефонов и PDA, а также беспроводного доступа, то есть:

- малый объем памяти  устройства;

- малый размер экрана  дисплея телефона, а также ограниченность  его клавиатуры;

- низкую скорость процессора;

- низкую пропускную способность  канала связи;

- возможные большие паузы.

По большому счету, работа сотового WAP-телефона в Internet принципиально  ничем не отличается от работы простого броузера с простым сервером, лишь дополнительно к стандартной  связи по ТСP/IP-протоколу добавляется маршрутизатор WAP-Gateway, задачей которого является перевод запросов WAP-телефона в стандартную HTTP-форму.

К сожалению, технология WAP имеет  и ряд недостатков:

- очень непросто настроить  WAP-телефон: необходимо сконфигурировать  около 20 параметров для того, чтобы  были доступны все WAP-услуги;

- пока этот протокол  поддерживает очень небольшое  количество мобильных аппаратов;

- WAP не оптимизирован для работы с предыдущими надстройками GSM (такими, как, например, SMS);

- сам стандарт еще не  полностью завершен;

- на данный момент существует  очень небольшое количество WAP-ресурсов, в особенности на русском языке;

LJ пока использование  WAP очень дорого: без специального  изменения тарифов для использования WAP размер оплаты за эту услугу может очень неприятно удивлять пользователей. О   скорость передачи информации явно недостаточна.

Для того чтобы воспользоваться WAP, необходимо заказать у оператора  услугу передачи данных и соответствующим  образом настроить телефон. При  этом вы платите за время занятия  линии, а соединение происходит на скорости не больше 9,6 Кбит/с, что ограничивает возможности мобильного Internet. WAP проинформирует вас о расписании самолетов и поездов, пробках на дорогах, курсах валют, погоде, сообщит последние новости бизнеса, политики, культуры, спорта и даже программу телепередач центральных и спутниковых каналов. Такие сведения есть на серверах операторов сотовой связи и на серверах крупных Internet-порталов.

Интернет-информация на экране дисплея мобильного телефона чем-то напоминает телетекст на экране миниатюрного телевизора, однако возможность вводить информацию (заполнять простые текстовые формы) заметно расширяет сферу его применения.

Размер экрана мобильного телефона значительно меньше стандартного 15-дюймового экрана монитора, поэтому обычная HTML-страница, как это ни печально, не помещается на нем. Для того чтобы прочесть текст (графику WAP-телефон не отображает), придется прокручивать страницу, например, на 15 экранов влево, что очень неудобно. Существуют, правда в небольшом количестве, специальные страницы для пользователей WAP-терминалов, написанные на языке WML (WAP Markup Language). Этот специальный язык разметки страниц для беспроводных устройств представляет собой специализированный тип документа XML.

К сожалению, язык WML полностью  не решает проблему. Страница документа для четырех строчного экрана, например, должна быть написана иначе, чем для трехстрочного, поэтому разработчикам WAP-страниц приходится оптимизировать их под различные типы сотовых телефонов.

Почти все разработчики WML) сталкиваются с одной и той  же проблемой: довольно серьезные различия броузеров WAR, встроенных в различные модели мобильных телефонов. Некоторые из этих различий могут даже создать ситуацию, когда выбранная страница отображается какой-то конкретной моделью телефона, хотя другие модели позволяют это сделать.