Telefonia komórkowa

Rozwój radiokomunikacji ruchomej jest związany z łącznością typu komórkowego, przeznaczoną do obsługi abonentów ruchomych i stacjonarnych zarówno w systemach analogowych – opartych na emisji analogowych sygnałów radiowych, jak i bardziej nowoczesnych systemach cyfrowych (cyfrowy przekaz głosu i danych). Wśród systemów komórkowych pierwszej generacji (czyli analogowych) najbardziej znanymi odsamego początku były: amerykański system AMPS (Advanced Mobile Phone System), jego europejska wersja TACS (Total Access Communication System), skandynawski system NMT (Nordic Mobile Telephony), francuski R2000 i niemiecki C-450. Systemy analogowe są zwykle wzajemnie niekompatybilne, nawet na obszarze tego samego kraju. Wprowadzenie znormalizowanych systemów cyfrowych drugiej generacji (GSM/DCS) o zasięgu globalnym usunęło szereg wad tych systemów dla abonenta, zmniejszając równocześnie zakres zajmowanego pasma częstotliwości. Systemy cyfrowe klasy GSM są oznaczane i normalizowane regionalnie: w Europie jako GSM 900 w pasmie 900 MHz oraz GSM 1800 (dawniej DCS 1800) w pasmie 1800 MHz, w Ameryce Północnej jako D-AMPS (Digital AMPS) oraz nowszy PCS 1900 (Personal Communication System), a w Japonii PDC (Personal Digital Communication).

Dwie istotne cechy odróżniają systemy telefonii komórkowej od innych bezprzewodowych systemów łączności radiowej:

• komórkowa struktura sieci. Sieć składa się z komórek radiowych, każda jest obsługiwana przez swoją stację bazową BS (Base Station). Komórki radiowe są różnej wielkości: małe komórki występują na obszarach o dużym skupieniu abonentów, a tam gdzie abonentów jest niewielu – komórki są duże. Wielkości komórek, ich rozmieszczenie, kształt i liczba na danym obszarze mogą ulegać zmianom;
• ciągła aktualizacja (bieżąca i okresowa) stanu aktywnych aparatów komórkowych znajdujących się w zasięgu stacji bazowej, mająca na celu lokalizację przemieszczających się abonentów obsługiwanych przez sieć. Lokalizacja następuje automatycznie przy inicjowaniu każdego połączenia lub okresowo, a podczas przemieszczania się abonenta z jednej komórki do drugiej (w tej samej sieci) zachodzi zdalne przestrajanie kanałów radiowych – bez utraty lub przerwania prowadzonej łączności.

Struktury komórkowe

Koncepcja komunikacji radiowej opiera się na podziale całego obszaru na komórki, o kształcie wieloboku heksagonalnego, w których jest centralnie umieszczona nieruchoma stacja bazowa do obsługi użytkowników ruchomych w obrębie komórki. W warunkach rzeczywistych heksagonalny kształt komórek jest daleki od idealnego, również rozkład pola w zasięgu stacji bazowych nie jest jednorodny i zależy od charakteru zabudowy, konfiguracji ulic, wysokości budynków i ukształtowania terenu. Dodatkowym czynnikiem pogarszającym jakość odbioru sygnałów jest wielodrogowość informacji, wynikająca z załamań i odbić sygnałów od płaszczyzn i ścian budynków na terenie zurbanizowanym.

W zależności od potrzeb obszary o szczególnie wysokim trafiku są umownie dzielone na 2–3 poziomy obejmujące:

• makrokomórki – obszary o promieniu od 1 do 20 km obejmujące tereny leżące poza miastami, o niewielkich skupiskach ludności, a także szybko przemieszczających się abonentów (ulice, drogi, autostrady);
• mikrokomórki – obszary o promieniu od 100 m o 1 km obejmujące głównie tereny miejskie, osiedla i duże skupiska ludności, przeznaczone dla pieszych lub prawie stacjonarnych użytkowników systemu, zwykle znajdujących się w terenie otwartym (tereny rekreacyjne, stadiony);
• pikokomórki – o promieniu poniżej 100 m stosowane głównie wewnątrz obiektów (budynki, biura, domy towarowe, dworce i lotniska) o szczególnym zagęszczeniu terminali aktywnych na tym obszarze
• nanokomórki o lokalnym zasięgu do 10 m.

Wykorzystując wieloparametrowe procedury lokalizacyjne system komórkowy automatycznie ocenia mobilność każdego aktywnego abonenta i przyporządkowuje go do właściwego, optymalnego obszaru komórkowego. W zaawansowanych systemach komórkowych (faza 2+), wielopoziomowe trasowanie połączeń dokonuje się z wykorzystaniem makrokomórek i mikrokomórek przyporządkowanych do różnych systemów. W celu uzyskania optymalnego zasięgu poprawnego odbioru, w sieci komórkowej stosuje się wiele metod korekcyjnych, przeciwdziałających szkodliwym działaniom interferencyjnym i anizotropowej propagacji pola radiowego. Podstawowym kryterium jest właściwy dobór częstotliwości nośnych poszczególnych stacji bazowych w bezpośrednim sąsiedztwie każdego obszaru komórkowego, tak aby interferencje międzykanałowe były minimalne. Powszechnie jest stosowana metoda otaczania każdej komórki jednym pierścieniem komórek lub wieloma pierścieniami o nie powtarzających się częstotliwościach kanałowych.

Kształtowanie pola radiowego

Zadowalającym sposbem w uzyskiwaniu anizotropowej charakterystyki jest stosowanie anteny kierunkowej. Kształtowanie pola radiowego w wielu kierunkach w zależności od potrzeb przez zespoły antenowe o charakterystyce sektorowej (jakkolwiek droższe od anten z charakterystyką dookólną), jest najlepszym rozwiązaniem dla polepszenia parametrów komunikacji radiowej. Zachowanie minimalnego poziomu zakłóceń w sąsiednich komórkach, uzyskuje się przez stosowanie w stacjach bazowych zespołu anten o charakterystyce adaptacyjnej, których zadaniem jest naprowadzenie głównej osi promieniowania na kierunek aktualnego położenia stacji ruchomej. Szybkie przeprowadzenie obliczeń korygujących oraz dyskretne sterowanie mocą (50 W – analogowy NMT, 320 W – cyfrowy GSM, 20W – cyfrowy DCS) wymagają stosowania procesorów sygnałowych o wydajności powyżej 100 milionów operacji na sekundę, podczas gdy dupleks czasowy ułatwia konstrukcję tych anten.

Lokalizacja abonentów

Identyfikacja i lokalizacja abonentów oraz taryfikacja prowadzonych przez nich rozmów wymagają rozbudowanych procedur sygnalizacji i utrzymania, sterowanych z centrum radiokomunikacji ruchomej MSC (Mobile Switching Center). W centrum tym są przechowywane aktualne rejestry: abonentów macierzystych HLR (Home Local Register), abonentów wizytujących (wędrujących) VLR (Visited Location Register), a także systemy uwierzytelniania AUC (Autentication Center) zgłaszających się użytkowników – w celu prowadzenia taryfikacji ich usług.

SYSTEMY ANALOGOWE

System AMPS

System AMPS (Advanced Mobile Phone System) jest systemem amerykańskiej analogowej telefonii komórkowej, zmodyfikowanej przez Motorolę w 1990 r. pod nazwą NAMPS (Narrow-band AMPS). W systemie tym przydzielono do transmisji dupleksowej dwa pasma, każde o szerokości 25 MHz w zakresie częstotliwości 800 MHz – obejmując łącznie 832 kanały radiowe. Sygnalizacja między stacją bazową a terminalami może przebiegać w sposób analogowy lub cyfrowy. Wiele adaptowanych wersji tego systemu zostało zainstalowanych na innych kontynentach: system TACS (Total Access Communication System) w Wielkiej Brytanii i Europie, gdzie w latach dziewięcdziesiątych obsługiwał ponad 40% rynku abonentów analogowej telefonii komórkowej oraz jako J/NTACS w Japonii i krajach dalekowschodnich.

System TACS

TACS (Total Access Communication System) stanowi adaptację amerykańskiego systemu analogowego AMPS do warunków europejskich, polegającą na zmianie zakresów wykorzystywanych częstotliwości (z 800 MHz na 900 MHz) i zmniejszeniu odstępu międzykanałowego z 30 kHz na 25 kHz, przyjętego powszechnie w Europie. Udoskonalany i modernizowany do obsługi 600 kanałów radiowych, nadal jest jeszcze stosowany głównie w Wielkiej Brytanii, kilku krajach europejskich oraz na Dalekim Wschodzie. Spełnia wymagania stawiane nowoczesnym sieciom komórkowym: dobra jakość przekazu mowy, przekazywanie (handover) połączeń, wydzielone kanały sygnalizacyjne, automatyczna regulacja mocy w kanale radiowym i hierarchiczna budowa struktur komórkowych zapewniająca elastyczne konfigurowanie pokrycia obszarowego. Rozszerzona wersja tego systemu, o nazwie ETACS (Extended TACS), o dwukrotnie większej liczbie kanałów (1240 kanałów) w porównaniu z systemem TACS, jest ogólnoświatowym, analogowym standardem ruchomej łączności komórkowej, drugim pod względem rozpowszechnienia wśród systemów analogowych.

System NMT

NMT (Nordic Mobile Telephony) to skandynawski standard analogowego systemu komórkowego, rozwijany w krajach europejskich od końca lat siedemdziesiątych. W pierwotnej wersji NMT 450 wykorzystano zakres częstotliwości 450 MHz, z liczbą kanałów ok. 200, co przy dużej popularności systemu było przyczyną jego niewydolności na obszarach o większej gęstości abonentów. Kolejne modernizacje spowodowały powstanie wielu niekompatybilnych wersji; ostatnia ujednolicona wersja NMT 900 pracuje w zakresie 900 MHz, z obsługą do 1000 kanałów podstawowych i 999 kanałów połówkowych (12,5 kHz). Standard NMT 450 (zmodernizowany jako NMT 450i) stał się popularny w krajach europejskich oraz został dopuszczony również do użytkowania w Polsce. W wyniku gwałtownej popularności systemów cyfrowych GSM, usługa analogowego transportu przez sieć komórkowa znajduje się w zaniku.

Telefonia analogowa NMT w Polsce

Realizowana w Polsce od 1991 r. sieć komórkowa, nazwana Centertel i oparta na skandynawskim NMT 450, obejmuje prawie 95% powierzchni kraju. Z usług pierwszej krajowej telefonii komórkowej Centertel, realizowanych za pomocą 4 central MTX zlokalizowanych w Warszawie, Gdańsku, Katowicach i Poznaniu, korzysta obecnie nieco ponad 200 tys. abonentów, a ich liczba stopniowo spada od ubiegłego (1998 r.) roku, kiedy to sieć osiągnęła swoje nasycenie pod względem liczby użytkowników. Mała liczba kanałów (16) w jednej komórce, przy maksymalnie trzech komórkach w stacji bazowej z anteną trójsektorową, nie zapewnia, niestety, potrzebnej liczby kanałów radiowych na terenach zurbanizowanych, a tym samym jakość połączeń w sieci ulega ciągłej degradacji. Ponieważ systemy NMT 900 o zwiększonej pojemności nie mogą być stosowane w Polsce ze względu na zarezerwowanie pasma 900 MHz na potrzeby telefonii cyfrowej GSM, dalszy wzrost liczby abonentów obsługiwanych przez telefonię analogową w centralnych systemach miejskich jest niemożliwy.

W wyniku szybkiej ekspansji telefonii cyfrowych GSM – o wyższych parametrach użytkowych, sieć analogowa NMT 450i Centertela ulegnie w Polsce likwidacji w ciągu najbliższego roku (prawdopodobnie do 2009 r.), mimo że jej możliwości techniczne wcale się nie wyczerpały. Zmodernizowana w 1997 r. wersja w standardzie NMT 450i została uzupełniona o niektóre nowsze cechy systemu NMT 900 (identyfikacja abonenta, modyfikacja protokołów sygnalizacji, polepszenie jakości mowy i inne) i zajmuje nieco inne pasma częstotliwości (452,5–457 MHz i 462,5–467 MHz), niż określa to standard NMT 450. Od 2007 r. z technologii NMT na 450 MHz korzysta około tysiąca osób (jako telefonia komórkowa) oraz około 180 tys. klientów TP, którzy nie mają możliwości korzystania z usług za pośrednictwem miedzianych kabli dostępowych. W momencie przejścia na technologię CDMA, sieć NMT zostanie zamknięta, a klienci Centertela będą mieli zapewnioną ofertę przejscia do cyfowej sieci Orange, natomiast klienci TP zostaną będąwyposażeni w nowe terminale pracujące w sieci GSM. Centertel ma pozwolenie na korzystanie z częstotliwości 450 MHz do 2016 r. i może je wykorzystywać zarówno w technologii NMT jak i CDMA.

TELEFONIA CYFROWA

Podstawowym kryterium wprowadzania telefonii cyfrowej było uzyskanie jednolitej łączności nie tylko na terenie jednego kraju objętego systemem komórkowym, ale użytkowania telefonu komórkowego na obszarach innych krajów objętych tym samym systemem. Realizacja tego celu wymaga zarówno lokalizacji położenia terminali, jak też identyfikacji abonenta i terminalu końcowego oraz właściwej taryfikacji za wykonywane usługi. Utrzymanie nie zakłóconej transmisji przez najlepsze, aktualnie dostępne kanały radiowe w obrębie stacji bazowej BS, a także korzystanie z sąsiednich komórek radiowych tej samej sieci są możliwe dzięki procedurze przełączania handover, funkcjonującej w zasięgu konkretnej sieci komórkowej. Łączność między sieciami komórkowymi innych operatorów, także poza obszarem obsługiwanym przez macierzystą sieć komórkową (rozmowy międzynarodowe), wymaga korzystania z usługi roamingu – uzgodnionej między operatorami różnych sieci. Poufność przekazów (karta SIM, szyfrowanie, identyfikacja) jest w pełni zapewniona tylko w systemach cyfrowych o znacznie większych możliwościach obsługi, lepszej jakości połączeń i szerszym zakresie usług dodatkowych.

Cechy systemów GSM i DCS

Nowe kryteria dotyczące systemu GSM, sformułowane przez ETSI, wyższe niż dla systemów analogowych, wymagały opracowania wielu nowych technologii i sposobów transmisji sygnałów w systemie telekomunikacyjnym. Do najbardziej istotnych cech systemu cyfrowego należy zaliczyć:

• zapewnienie ciągłości komunikacji w obrębie krajów europejskich, niezależnie od operatora sieci, lokalizacji abonenta i jego przemieszczania się;
• integrację głosu i danych w kanale komunikacyjnym;
• indywidualne rozliczanie abonentów niezależnie od miejsca ich pobytu;
• pełną identyfikację uprawnień abonenta, łącznie z jego kodem prywatnym PIN (Personal Identification Number), za pomocą karty identyfikacyjnej SIM (Subscriber Identity Module);
• wyższą wierność transmisji bez możliwości podsłuchu;
• bardziej efektywne wykorzystanie pasma częstotliwości niż w systemach analogowych;
• konfigurowanie sieci bez ograniczeń w miarę wzrostu gęstości abonentów lub zwiększania ruchu w obszarze komórki;
• zapewnienie połączeń i usług z istniejącymi i projektowanymi sieciami PSTN, ISDN, PLMN itp.

Ze względu na postawione wysokie wymagania realizacja systemów GSM przebiega stopniowo w trzech fazach: 1, 2, 2+, a całkowite zakończenie tych prac praktycznie nastąpiło dopiero po roku 2000.

System GSM 900

Cyfrowy system ruchomej łączności komórkowej GSM (Global System for Mobile Communication) został znormalizowany w swojej końcowej formie przez ETSI jako GSM 900 w pasmie częstotliwości 900 MHz. Systemy komunikacyjne oparte na standardzie GSM (także DCS) charakteryzują się lepszą jakością przekazu mowy niż systemy analogowe NMT, są przystosowane do transmisji danych, transmisji faksowej, przesyłania i rozgłaszania krótkich komunikatów SMS (Short Message System), wywoływania indywidualnych abonentów oraz zapewniają współpracę z ruchomymi i stacjonarnymi sieciami wszystkich typów.

Do realizacji systemów zastosowano najnowocześniejsze osiągnięcia techniki cyfrowej: efektywne kodowanie mowy (6,5 kb/s, 13 kb/s), kombinowaną technikę zwielokrotnienia i dostępu FDMA/TDMA, emisję z rozproszonym widmem CDMA-FH, modulację GMSK oraz programowaną regulację mocy nadajników (zwykle tylko w terminalach ruchomych). Zmniejszanie mocy przy zbliżaniu się stacji ruchomej do stacji bazowej jest wskazane w celu ograniczenia poziomu interferencji w kanale radiowym i zmniejszenia wzajemnego oddziaływania na inne kanały rozmówne, natomiast zwiększanie mocy nadajników terminali ruchomych i stacji stacjonarnych jest niezbędne przy oddalaniu się abonentów – w celu utrzymania jak największego zasięgu sieci. System zapewnia automatyczną ciągłość transmisji (handover, roaming) dla abonentów ruchomych przez hierarchiczną budowę struktur komórkowych oraz indywidualną lokalizację i identyfikację użytkowników za pomocą kart identyfikacyjnych SIM (Subscriber Identity Module), umożliwia także szyfrowanie mowy i danych.

System GSM 1800 (DCS 1800)

Rozszerzeniem standardu GSM jest nowsza jego wersja – oznaczana pierwotnie jako DCS 1800 (Digital Communication System),a obecnie GSM 1800 – o trzykrotnie zwiększonej pojemności komunikacyjnej, przystosowana do pracy w zakresie częstotliwości 1800 MHz. System cyfrowy GSM 1800, oprócz wielu podobieństw do GSM 900, różni się następującymi cechami:

• Częstotliwość pracy. Obydwa systemy działają z podziałem częstotliwości radiowej w zależności od kierunku transmisji. W systemie GSM 900 zakres częstotliwości dla kierunku w dół wynosi 935–960 MHz oraz dla kierunku w górę 890–915 MHz. System DCS 1800 pracuje w zakresie częstotliwości 1805–1880 MHz dla kierunku w dół oraz w zakresie 1710–1785 MHz dla kierunku w górę.
• Szerokość pasma. Szerokość pasma w systemie GSM wynosi 25 MHz, co teoretycznie pozwala na inicjowanie 125 kanałów radiowych o szerokości 200 kHz każdy. W rozszerzonej wersji tego systemu, znanej jako E-GSM, szerokość pasma jest o 10 MHz większa niż w zwykłym systemie GSM i wynosi 35 MHz (175 kanałów). W odróżnieniu od GSM 900 w systemie GSM 1800 szerokość pasma wynosi 75 MHz (375 kanałów o szerokości 200 kHz każdy).
• Warunki propagacyjne. Dwukrotny wzrost częstotliwości pracy powoduje wzrost tłumienia fal radiowych w wolnej przestrzeni, co skutkuje około trzykrotnym zmniejszeniem komórek w stosunku do systemu GSM. Do równomiernego pokrycia radiowego podobnych obszarów przywołań w systemie DCS potrzeba odpowiednio więcej stacji bazowych BS (Base Station).
• Sygnalizacja. Mniejsze komórki wymagają większej liczby przełączeń pomiędzy nimi, co pociąga za sobą wzrost liczby kanałów sygnalizacyjnych w porównaniu z systemem GSM. Powoduje to również obniżenie efektywności przekazu informacji przez te kanały i wpływa na podwyższenie kosztów sieci stałej.
• Dystrybucja mocy. W obydwu systemach jest zastosowany taki sam mechanizm sterowania mocą sygnału radiowego: na polecenie sterownika stacji bazowych terminale ruchome MS (Mobile Station) i stacje bazowe BS zmniejszają lub zwiększają moc swoich nadajników od wartości maksymalnej dla danej klasy do poziomu minimalnego 13 dBm, krokami co 2 decybele i nie szybciej niż co 60 ms. Maksymalna moc stacji BS w systemie GSM 1800 wynosi 20 W (w MS – 1–0,25 W), natomiast w systemie GSM 900 – 320 W (w MS – 2–0,8 W). Automatyczna adaptacja mocy stacji bazowej leży w gestii operatora systemu.

System PCS

Cyfrowy system komórkowy PCS (Personal Communication System), mający cechy komunikacji osobistej PCN, jest rozwijany na terenie amerykańskim. W PCS przewiduje się stosowanie 6 różnych technologii komunikacji, w tym również systemu komórkowego DCS 1900 klasy GSM. Dla PCS zarezerwowano kilka pasm częstotliwości (A, B, C, D, E), wszystkie w zakresie bliskim 1900 MHz (stacje ruchome 1850–1910 MHz, stacje bazowe 1930–1990 MHz). Operatorom sieci (wiele licencji) pozostawiono wybór liczby kanałów, przy ustalonym odstępie dupleksowym 80 MHz (w GSM jest 45 MHz) i zwielokrotnieniu FDMA/CDMA (w GSM – FDMA/TDMA).

Systemy cyfrowe w Polsce

System GSM 900, wprowadzany w Polsce od 1996 r. na zasadzie przetargu, błpoczątkowo wdrażany przez dwóch operatorów: konsorcjum PTC (Polska Telefonia Cyfrowa) w sieci Era GSM oraz konsorcjum Polkomtel SA jako sieć Plus GSM. Obydwu sieciom przyporządkowano krajowe kody operatora MNC (Mobile Network Code): 01 dla sieci Plus GSM oraz 02 dla sieci Era GSM, świadczące o kolejności uzyskiwania licencji. Trzecim operatorem systemu GSM 900 został (1999 r.) Centertel, już mający dwie licencje komórkowe: sieć analogową (od 1992 r.), początkowo jako NMT 450 i zmodernizowaną według specyfikacji NMT 450i Plus, oraz sieć cyfrową GSM 1800 o nazwie Idea, działającą komercyjnie w Polsce od marca 1998 r. Po nowelizacji ustawy telekomunikacyjnej (maj 1999 r.) resort łączności przydzielił bez przetargu „krzyżowe” koncesje cyfrowe GSM 900/1800 pozostałym operatorom, dzięki czemu od marca 2000 r. wszyscy trzej operatorzy (PTC, Polkomtel i Centertel) zaczęli nadawać w pasmach 900 MHz i 1800 MHz przez sieci cyfrowe GSM. Liczba wszystkich użytkowników komórkowych (prepaid i postpaid) w Polsce przekroczyła w 2007 r. liczbę mieszkałców kraju, co oznacza,że nasycenie telefonią komórkową osiągnęło 100% i nadal rośnie. Infrastrukturę stacjonarną do radiowej emisji komórkowej dla systemów GSM instalują wPolsce głównie: Ericsson, Nokia i Siemens.

Ewolucja standardów komórkowych

Uniwersalny system dla telekomunikacji ruchomej UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) stanowi najlepiej zdefiniowany przez europejską grupę działającą w ramach projektu RACE (Research and Development Program in Advanced Communication in Europe) system – nazywany również trzecią generacją systemu GSM. Do najbardziej istotnych cech systemu, należą:

• integracja różnych metod pokrycia radiowego w jeden spójny mechanizm łączenia globalnego,
• połączenie usług oferowanych w systemach wąskopasmowych i szerokopasmowych dostępnych z terminalu ruchomego,
• zharmonizowanie platform przenoszenia (roaming) łączności między różnymi systemami i operatorami,
• współpraca terminali z różnymi typami lądowych sieci inteligentnych IN (Inteligent Network),
• przystosowanie terminali ruchomych do współpracy z różnymi typami sieci komórkowych (multimode terminals),
• usprawnienia w zakresie identyfikacji terminali i użytkowników za pomocą kart identyfikacyjnych SIM (Subscriber Identity Module) dla różnych środowisk abonenckich.