Уже сегодня миллионы абонентов по всему миру пользуются стандартом сотовой связи GSM. Только в Беларуси их сейчас порядка пятисот тысяч. А как же начиналось это парадное шествие GSM по планете?

В начале 80-х годов мобильная телефонная связь базировалась, в основном, на аналоговых технологиях, которые, однако, уже становились сотовыми. В каждой стране была разработана своя собственная сеть (например, во Франции - Radiocom 2000), которая оставалась строго национальной, поскольку не обеспечивала никакой возможности общения с абонентами зарубежных сетей.

В настоящее время эти сети закрываются одна за другой, освобождая таким образом частотные диапазоны, которые могут быть использованы значительно эффективнее, обеспечивая более надежную связь. Вполне вероятно, что первоначально международное сотрудничество было обусловлено размахом предполагаемых инвестиций на исследования и развитие в данной области. Вначале оно было организовано под эгидой Европейской конференции административных работников почты и телекоммуникаций СЕРТ (Conference des administrations Europcennes des Postes et Telecommunications) как результат франко-немецкого исследования по вопросу будущего систем мобильной радиосвязи. В 1982 году этот институт объединял 26 европейских стран, а точнее, соответствующие административные учреждения почтовой, телефонной и телеграфной связи РТТ (Post, Telephone and Telegraph). Несмотря на то, что все данные учреждения были организованы в норме государственных монополий, их руководители все же смогли понять, что очевидная выгода от общеевропейского сотрудничества должна возобладать над национальными интересами.

Таким образом, Европейской конференцией и была создана "Специальная группа по разработке мобильной связи", аббревиатура которой (GSM) позднее стала расшифровываться как "Глобальная система мобильной связи" (Global System for Mobile communications). Целью данной группы стала разработка спецификаций общеевропейской сети, не зависящей от национальных границ и способной обслуживать уже миллионы, а не тысячи абонентов. Этот обширный проект, безусловно, сталкивался со всякого рода техническими и экономическими проблемами, а также сложностями в области программного обеспечения, однако все перечисленное несоизмеримо с достижениями, плодами которых мы пользуемся по сегодняшний день.

После признания системы GSM в 1984 году Европейской комиссией Франция, Италия и Германия подписали Соглашение о сотрудничестве от 1985 года. В 1986 году к данному соглашению присоединилась и Великобритания. Уже тогда стало ясно, что разрабатываемая система будет цифровой, идущей в дополнение к "Цифровой сети с интеграцией услуг" - RNIS (Reseau numerique a integration de services), и что она будет работать в полосе 900 МГц, где для нее были зарезервированы два диапазона по 25 МГц. Но на тот момент все еще не хватало готовности со стороны политических сил, которая могла бы вдохновить производителей.

Под давлением Франции и Германии совещание, состоявшееся в декабре 1986 года, приняло в итоге рекомендацию и указания, направленные на активное развертывание ограниченного спектра услуг системы GSM до 1991 года. В полном масштабе на территории Европы система начала действовать в канун 1993 года, реально введение зоны обслуживания продолжалось в течение 1995 года. Также в 1986 году GSM взяла на себя общую ответственность за координацию развития всего комплекса спецификаций. Оставалось подключить к работе потенциальных операторов, иными словами, будущих разработчиков и владельцев сетей. Этот вопрос решился в сентябре 1987 года, в момент подписания в Копенгагене операторами из 13 стран "Меморандума о взаимопонимании" MoU (Memorandum of Understanding), что соответствовало намерениям в пользу осуществления проекта. Тем временем во Франции началось тестирование восьми или девяти различных способов передачи радиосигнала, в результате чего неоспоримый выбор пал на метод многостанционного доступа с временным разделением каналов TDMA (Time Division Multiple Access), иными словами, временного уплотнения (мультиплексирования). Стоит отметить, что решающую роль в разработке данного метода сыграл исследовательский институт CNET, который впоследствии был преобразован во France Telecom.

К февралю 1988 года надежность системы была достаточно доказана, чтобы можно было официально пригласить всех операторов, подписавших "Меморандум о взаимопонимании" для участия в проекте. Но необходимо было довести до конца огромную работу по разработке и тестированию окончательных спецификаций, которые к 1997 году должны были достичь уже 6000 страниц. Очень скоро стало ясно, что этот титанический труд имеет такой размах и сложность, что дата введения системы в эксплуатацию, назначенная на 1 июля 1991 года, начала ставиться под очень большое сомнение со всеми вытекающими из этого катастрофическими последствиями. Принимая во внимание сложившуюся ситуацию, было решено разбить проект на две фазы, дающие возможность запустить систему поэтапно, с некоторым промежутком, хотя на первых порах и не в полном объеме, но вполне функционирующую.

Передача ответственности в 1989 году от группы GSM Европейскому институту стандартов по телекоммуникациям ETSI (European Telecommunications Standards Institute), созданному во Франции, активизировала деятельность, направленную на взаимодействие между административными органами, операторами и производителями, одновременно поставленными в равные условия. В результате "Фаза 1" спецификации GSM была опубликована в 1990 году и принята для разработанной в Великобритании системы DCS 1800 (диапазон 1800 МГц).

В дальнейшем эта система была переименована в GSM 1800. К сожалению, на выставке TELECOM 91, проходившей в Женеве, удалось представить только опытный образец сети. И лишь потому, что на рынке еще не было телефонов GSM из-за нерешенных вопросов совместимости и стандартизации. Надо отметить, что эти телефоны входили в число первого телекоммуникационного оснащения, которое прошло испытания на соответствие единому общеевропейскому стандарту, а не принималось по очереди в каждой стране. Но в 1991 году процедура согласования и стандартизации еще не была разработана. Наконец, в апреле 1992 года была установлена временная процедура типовых испытаний на соответствие стандарту, позволившая начать массовый выпуск первых сотовых телефонов, что мгновенно стимулировало деятельность операторов. Все встало на свои места, снежный ком завертелся, и более ничто не могло его остановить. В июне 1992 года было подписано первое соглашение по роумингy, давшее возможность английским абонентам пользоваться их сотовыми телефонами в Финляндии, а финским абонентам - в Англии. Общеевропейская сеть заработала. К концу 1993 года насчитывалось уже свыше миллиона абонентов. А после того, как австралийский оператор Telstra присоединился к остальным участникам Меморандума, система GSM вышла за границы Европы и завоевала весь мир. На сегодняшний день только во Франции уже более двадцати миллионов абонентов, которых обслуживают три оператора. Мобильные телефоны GSM могут использоваться более чем в сотне стран, разбросанных по всему миру, и даже спутниковые сотовые телефоны работают в соответствии со стандартом GSM.

Это - история, а что же получилось на самом деле?

По сравнению с другими, широко распространенными цифровыми стандартами, GSM обеспечивает лучшие энергетические характеристики, более высокое качество связи, ее безопасность и конфиденциальность. Приемлемое качество принимаемых речевых сообщений в стандарте GSM обеспечивается при отношении сигнал/шум на входе приемника 9 дБ (для стандарта D-AMPS, например, это отношение составляет около 16 дБ), а энергетические затраты в реальных каналах связи (при замирании сигналов) на 6-10 дБ ниже, по сравнению со стандартом D-AMPS.

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 различных сетей 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. Полоса частот 890-915 МГц используется для передачи сообщений с подвижной станции на базовую, а полоса частот 935-960 МГц - для передачи сообщений с базовой станции на подвижную (абоненту). 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 размещается 124 канала связи.

В стандарте GSM используется многостанционный доступ с временным разделением (уплотнением каналов - TDMA), что позволяет на одной несущей частоте разместить 8 речевых каналов одновременно. В качестве речепреобразующего 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. Система DTX управляет детектором активности речи VAD (Voice Activity Detector), 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 радиус соты).

Для модуляции радиосигнала применяется спектрально-эффективная гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Манипуляция называется так потому, что последовательность информационных бит до модулятора проходит через фильтр нижних частот с гауссовской амплитудно-частотной характеристикой, что дает значительное уменьшение ширины полосы частот излучаемого сигнала. Формирование GMSK-радио-сигнала происходит таким образом, что на интервале, соответствующем одному биту, фаза несущей 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.

В стандарте GSM используется модуляция с величиной нормированной полосы ВТ= 0,3, где В - ширина полосы фильтра по уровню -3 дБ; Т - длительность передачи одного бита. Основой формирователя GMSK-сигнала является квадратурный (I/O) 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.

Пожалуй, на сегодня хватит - много информации не всегда идет на пользу. Читайте в следующий раз про то, как строится и из чего состоит сеть GSM.

А для особо любознательных - более полную информацию можно найти в интернете, а также в книге В. Андрианова и А. Соколова "Средства мобильной связи".

Андриан ЯНУШКОВСКИЙ,
[email protected]