Як все починалося
Перша мережа стандарту AMPS (Advanced Mobile Phone System) заробила в Чикаго 13 жовтня 1983 року. Думаю, її можна вважати "родоначальницею" всіх сучасних стільникових систем, оскільки існували раніше технології мобільного зв'язку слід швидше відносити до транкові, ніж до стільникового типу. Основним мотивом розбиття території на осередки (cells) послужило прагнення ефективно використовувати радіохвильової ресурс - адже досить віддалені один від одного стільники можуть працювати на одних і тих же частотах!
До теперішнього моменту AMPS є домінуючим стандартом в США і Канаді, крім того, мережі, побудовані за цією технологією, можна знайти на Близькому Сході, в Європі ... У Москві стільниковий зв'язок стандарту AMPS розвивається і підтримується московським оператором Білайн.
Розгляд принципів функціонування системи мобільного зв'язку AMPS доречно почати з поділу частот.
Частотні канали.
В AMPS використовується метод FDMA (Frequency Division Multiple Access - розрахований на багато користувачів доступ з частотним поділом). Цікаво, що при розробці стандарту на кожній географічній території передбачалося присутність двох провайдерів (мабуть, з антимонопольних міркувань) - так званого wireline (проводового) оператора (зазвичай їм ставала компанія, яка займалася провідний телефонним зв'язком на даній території) і non-wireline оператора ( їм могла стати будь-яка компанія або група інвесторів, яка задовольняє вимоги FCC - Федеральної комісії з телекомунікацій). Частотний ресурс ділився між двома компаніями порівну, діапазон non-wireline оператора отримав назву А-діапазону, а wireline - По-діапазону.
В А-діапазоні телефон передає на частотах 824-834 МГц і 845-846.5 МГц, а приймає на 869-880 МГц і 890-891.5 МГц. В В-діапазоні передача здійснюється на 835-845 МГц і 846.5-849 МГц, а прийом - на 880-890 МГц і 891.5-894 МГц. Частотні смуги "нарізаються" на канали (один канал займає 30 КГц) - кожен діапазон складається з 21 каналу управління і 312 каналів передачі мови. Загальна ж кількість каналів в AMPS одно "диявольському" числа 666 (624 голосових і 42 керуючих).
Уже після введення мереж AMPS в експлуатацію Федеральна комісія з телекомунікацій виділила 156 додаткових частотних каналів, довівши, таким чином, загальне число каналів до 832. Щоб у власників старих (розрахованих на більш вузький спектр) телефонів не виникало технічних проблем, тип мобільного пристрою визначається мережею по чотиризначний SCM (Station Class Mark - покажчик класу апарату) - якщо в першому бите записаний 0, значить телефон старий, а якщо 1 - його користувачеві доступні всі 832 каналу (інші три біта SCM служать для визначення класу мобільного телефону і потужності його передавача).
В AMPS прийнята така класифікація існуючих каналів:
- канал для передачі голосу До телефону ВІД системи FOVC (FOrward Voice Channel - прямий голосовий канал)
- канал для передача голосу ВІД телефону До системи REVC (REverse Voice Channel - зворотний голосовий канал).
- канал для передачі службової інформації До телефону ВІД системи FOCC (FOrward Control Channel - прямий службовий канал)
- канал для передачі службової інформації ВІД телефону До системи RECC (REverse Control Channel - зворотний службовий канал, іноді його називають REVCC)
Зазвичай прямий і зворотний голосові канали об'єднуються в пари. Наприклад, 207 канал А-діапазону складається з прямого каналу на частоті 876.210 МГц і зворотного 831.210 МГЦ.
У кожній соте прямий службовий канал FOCC свій, і він постійно передає інформацію. Це необхідно для того, щоб при реєстрації (про це трохи нижче) телефон отримав необхідні дані про мережі, а також для визначення (за рівнем сигналу) кордону осередки. У загальному випадку відомості, що передаються по FOCC можна умовно розділити на три типи:
- Overhead Messages: повідомлення, що містять дані про систему (так званий SID - System Identification Number - ідентифікаційний номер мережі), про каналах виклику; інформацію, необхідну для реєстрації тощо.
- Mobile Control Messages: повідомлення, що направляються якогось певного телефону (це можуть бути сигнали виклику, дані про голосових каналах, рівень потужності та інша інформація, що має на увазі відповідь з боку мобільної станції).
- Control Filler Messages: сигнал заповнення - передається в паузах між повідомленнями двох перших типів. Сигнал заповнення містить, наприклад, відомості про рівень потужності, на якій телефон повинен передавати дані по зворотному службовому каналу RECC.
Перш, ніж перейти до розгляду алгоритмів реєстрації телефону в мережі, а також організації вхідних та вихідних дзвінків, мені б хотілося сказати кілька слів про загальну архітектурі мережі AMPS. Ми не будемо обговорювати це питання детально, так як схема мережі, в общем-то, аналогічна такій для системи GSM (яка вже детально описана ). В AMPS не прийнято розділяти комутаційний центр і бази даних про абонентів і телефонах - зазвичай мережу представляють як симбіоз базових станцій і "мозку" системи MTSO (Mobile Telecommunication Switching Office - центр комутації мобільних телекомунікацій), що зберігає інформацію і виконує необхідні для функціонування мережі операції.
Реєстрація.
Кожен мобільний телефон AMPS при виробництві отримує унікальний 32-бітний серійний номер - ESN (Electronic Serial Number), який поміщений а ROM-пам'ять. Крім цього, в кожному AMPS-телефоні існує жорсткий диск - так званий NAM (Number Assignment Module - модуль для запису номера), в який оператор при укладанні контракту з абонентом записує п'ятизначний SID своєї мережі і десятизначний MIN (Mobile Identification Number - ідентифікаційний номер телефону ), що визначає телефонний номер абонента.
При включенні апарат починає "слухати ефір", а точніше сканувати його, перебираючи всі прямі службові канали (нагадаю, у кожного оператора двадцять один FOCC). Якщо телефон налаштований на використання в А-діапазоні, то сканування починається вниз з 333 каналу, а якщо в У-діапазоні - то вгору з 334 каналу (для випадку, коли загальна кількість каналів дорівнює 666). Після знаходження самого сильного службового каналу телефон "чіпляється" за нього і отримує від мережі SID (що є, нагадаю, ідентифікатором мережі - саме по SID телефон визначає "свою" або "чужу" мережу), а також інформацію про те, які службові канали йому треба переглядати в подальшому. Якщо при скануванні не знайдено жодного службового каналу, то на дисплеї з'являється напис "No service". Після визначення найсильнішого FOCC за відповідним йому зворотному каналу RECC (якщо він вільний) починається передача власних SID, MIN і ESN, збережених в телефоні. Система порівнює ці дані зі своїми і, якщо все в порядку, реєструє апарат у мережі - з цього моменту телефон може працювати з викликами.
Треба сказати, що в AMPS перереєстрація відбувається набагато частіше, ніж в GSM - кожні 10-15 хвилин (порівняйте з 6 годинами в GSM). Крім того, будь-яка дія з телефоном (вихідний виклик, значні переміщення щодо мережі і так далі) ініціалізують перереєстрацію.
Одним з найсерйозніших недоліків аналогових систем взагалі і AMSP зокрема є слабкий захист від несанкціонованого доступу. Саме на перехопленні ESN і MIN під час процесу реєстрації та перереєстрації заснований процес "клонування" стільникових телефонів. Зараз не будемо обговорювати ці теми - зацікавлені можуть без зусиль знайти в internet сторінки, присвячені створенню "двійників".
Вихідні дзвінки.
Для виключення взаємного впливу голосових каналів з однаковими частотами, що використовуються різними сотами, в AMPS існує система спеціальних сигналів SAT (Supervisory Audio Tone - контрольний звуковий сигнал). Іноді їх ще називають "код кольору" (color code). SAT це звичайний аудіотон, постійно який подається із промовою в обох напрямках (користувач не чує SAT завдяки системі фільтрації). Кожен кластер мережі (рис.1) має певний SAT (всього їх три: SAT1-5970 Гц, SAT2-6000 Гц і SAT3-6030 Гц).
Після набору номера і натискання кнопки SEND на мобільному телефоні відбувається повторна реєстрація в мережі з вибором найбільш сильного FOCC. У систему передаються дані про апарат (SID, MIN і ESN), а також викликається телефонний номер. Система проводить перевірку переданої інформації і виділяє для розмови прямий голосовий канал FOVC і SAT. Дані про FOVC і SAT передаються по FOCC за допомогою IVCDM (Initial Voice Channel Designation Message - інформаційне повідомлення про голосовому каналі). Одночасно включається передача SAT за обраним FOVC.
Прийнявши IVCDM, мобільний телефон включає прийом виділеного для розмови FOVC, розпізнає SAT і, якщо все правильно, включає передачу за відповідним REVC. Звертаю увагу читача на те, що телефон також починає безперервно (!) Передавати SAT по REVC. Під час розмови і стільникова система, і мобільний телефон постійно перевіряють правильність прийнятого SAT (точніше, його частоти) - в разі, якщо SAT пропав або його частота не збігається із заздалегідь визначеною, з'єднання розривається (не відразу, а через п'ять секунд - за це час система намагається виявити правильний сигнал).
У разі, якщо SAT вірний, телефон робить чутним для абонента звук, що передаються по FOVC (система, отримавши від телефону правильний SAT, в свою чергу починає передавати в FOVC сигнали від абонента). Цікаво, що передача службової інформації (наприклад, в разі необхідності перемикання на іншу пару FOVC-RECC) під час розмови здійснюється по голосовим каналах, а щоб користувач не чув в динаміці телефону сторонні звуки, він (динамік) на мить вимикається. Зроблено це, знову ж таки, за допомогою SAT - при передачі службової інформації передача SAT від системи на мить зупиняється, що і служить для телефону сигналом до вимикання динаміка. Все це, зрозуміло, відбувається за частки секунди і абсолютно непомітно для користувача.
Для завершення з'єднання мобільний абонент натискає кнопку NO на своєму апараті. Після цього телефон по REVC передає спеціальний ST (Signaling Tone - сигнальний тон) тривалістю 1.8 секунди і частотою 10кГц, а потім переходить в режим очікування. Отримавши ST, система завершує з'єднання. Якщо першим "повісив трубку" співрозмовник мобільного абонента, то по FOVC стільникова система посилає абонентського пристрою сигнал закінчення з'єднання, прийнявши яке телефон також генерує ST по REVC з параметрами, описаними вище, і переходить в режим очікування.
Інформація про з'єднання записується в CDR (Call Detail Record - запис про параметри з'єднання) і в подальшому використовується в тому числі і для формування рахунку за послуги зв'язку.
SAT необхідний також і для моніторингу якості зв'язку. У міру віддалення мобільного телефону від базової станції, з якої встановлено зв'язок, в розмовному тракті збільшується частка шуму. Погіршується і якість SAT, про що базова станція інформує комутатор MTSO. За командою комутатора шість найближчих до мобільного телефону базових станцій починають слухати ефір, оцінюючи рівень переданого телефоном SAT. Порівнюючи отримані результати, комутатор по можливості вибирає найкращий і передає право взаємодії з мобільним телефоном нової базової станції, - відбувається так званий handover, перемикання каналу (стосовно AMPS цю процедуру прийнято називати handoff). Якщо нова базова станція відноситься до кластеру з іншим SAT, телефон починає генерувати новий SAT. Все це відбувається за миті (а, точніше, за 250 мс) і абсолютно непомітно для користувача.
Вхідні дзвінки.
У разі надходження вхідного дзвінка абонентові мобільного системи комутатор MTSO дає сигнал оповіщення по всіх каналах для передачі службової інформації FOCC всіх сот (хоча теоретично існує можливість налаштувати систему таким чином, щоб сигнал виклику подавався спочатку тільки в тому місці, де телефон був зареєстрований останній раз) .
Прийнявши повідомлення і розпізнавши в ньому свій MIN, телефон шукає найсильніший службовий канал FOCC (іншими словами, заново виконує реєстрацію в системі) і, якщо відповідний RECC вільний, посилає по ньому повідомлення про свою готовність. Отримавши цю інформацію, система виділяє вільну пару FOVC-REVC для розмови, починає передавати SAT і відправляє по FOCC спеціальне повідомлення, при прийомі якого телефон абонента починає дзвонити. Одночасно з дзвінком, мобільний апарат починає передавати системі по REVC SAT і ST. Зверніть увагу - поки телефон дзвонить, в лінію видається ST. Як тільки користувач "підняттям трубки" відповів на виклик, генерація ST припиняється - саме по цій події мережа розпізнає момент відповіді на виклик, виконує комутацію і робить запис в CDR.
висновок
Основний, на мій погляд, недолік аналогових стільникових мереж став очевидний їх творцям дуже швидко. Подібні системи не витримують активного зростання абонентської бази, так як число одночасного говоріння користувачів в аналоговій системі за сучасними мірками мало - адже при розмові абонент займає канал цілком. Очевидним кроком вперед стало побудова систем на основі комбінації FDMA з TDMA (не тільки частотне, але і тимчасове розділення каналів), одним з найяскравіших прикладів яких є мережі GSM .
Частково завдання збільшення числа абонентів в уже існуючих мережах AMPS була вирішена за допомогою технології, запропонованої компанією Motorola і отримала назву NAMPS (Narrow-band AMPS - вузькосмуговий AMPS). Це в деякому роді екстенсивний шлях - кожен канал був розбитий на три (шириною 10кГц), а їх загальне число, таким чином, зросла до 2412.
Однак більш відомо (в тому числі і в нашій країні) інше дітище AMPS - а саме цифрові мережі DAMPS (Digital AMPS - цифровий AMPS). Це вже зовсім інший рівень і якість зв'язку - DAMPS швидше близький до GSM, ніж до AMPS (хоча б по частотно-тимчасового поділу каналів). Так вийшло, що в момент переходу всього світу на цифрові системи зв'язку американці не виділили нові частоти для своїх стільникових мереж другого покоління. Таким чином, цифрові системи були змушені будується на основі існуючих аналогових, що, однак, призвело не тільки до збільшення технічних проблем на перехідному етапі, але і до зменшення витрат на зміну поколінь мобільного зв'язку. Так що системи AMPS є хорошим рішенням для регіонів з малим числом потенційних абонентів - спочатку можна розгорнути відносно дешеву аналогову систему, а потім, у міру накопичення грошових коштів і збільшення абонентської бази плавно перейти на цифровий спосіб передачі мови. Цьому сприяють і виробники абонентського обладнання - більшість сучасних телефонів підтримують два режими - AMPS і DAMPS (на відміну від телефонів GSM, які прийнято називати "дводіапазонними" (dualband), апарати AMPS / DAMPS називають "двухмодовимі" (dualmode)).
У нашій же країні мережі AMPS / DAMPS недавно опинилися поза законом - федеральним стандартом визнаний GSM, а всі інші існуючі системи будуть діяти лише до 2007-2010 року.