Сети AMPS: взгляд изнутри


Как все начиналось

Первая сеть стандарта AMPS (Advanced Mobile Phone System) заработала в Чикаго 13 октября 1983 года. Думаю, ее можно считать "родоначальницей" всех современных сотовых систем, поскольку существовавшие ранее технологии мобильной связи следует скорее относить к транковому, нежели к сотовому типу. Основным мотивом разбиения территории на ячейки (cells) послужило стремление эффективно использовать радиоволновой ресурс - ведь достаточно удаленные друг от друга соты могут работать на одних и тех же частотах!

К настоящему моменту AMPS является доминирующим стандартом в США и Канаде, кроме того, сети, построенные по этой технологии, можно найти на Ближнем Востоке, в Европе… В Москве сотовая связь стандарта AMPS развивается и поддерживается московским оператором Билайн.

AMPS относится к сетям первого поколения, то есть использует аналоговый (без цифрового кодирования) тип передачи голоса. Сейчас мы не будем касаться преимуществ и недостатков аналоговых систем связи по сравнению с цифровыми - заметим (а подробнее рассмотрим несколько ниже), что существует цифровой вариант AMPS - DAMPS (Digital AMPS).

Рассмотрение принципов функционирования системы мобильной связи AMPS уместно начать с разделения частот.

Частотные каналы.

В AMPS используется метод FDMA (Frequency Division Multiple Access - многопользовательский доступ с частотным разделением). Интересно, что при разработке стандарта на каждой географической территории предполагалось присутствие двух провайдеров (видимо, из антимонопольных соображений) - так называемого wireline (проводного) оператора (обычно им становилась компания, которая занималась проводной телефонной связью на данной территории) и non-wireline оператора (им могла стать любая компания или группа инвесторов, удовлетворяющая требованиям FCC - Федеральной Комиссии по Телекоммуникациям). Частотный ресурс делился между двумя компаниями поровну, диапазон non-wireline оператора получил название А-диапазона, а wireline - В-диапазона.

В А-диапазоне телефон передает на частотах 824-834 МГц и 845-846.5 МГц, а принимает на 869-880 МГц и 890-891.5 МГц. В В-диапазоне передача осуществляется на 835-845 МГц и 846.5-849 МГц, а прием - на 880-890 МГц и 891.5-894 МГц. Частотные полосы "нарезаются" на каналы (один канал занимает 30 КГц) - каждый диапазон состоит из 21 канала управления и 312 каналов передачи речи. Общее же количество каналов в AMPS равно "дьявольскому" числу 666 (624 голосовых и 42 управляющих).

Уже после ввода сетей AMPS в эксплуатацию Федеральная Комиссия по Телекоммуникациям выделила 156 дополнительных частотных каналов, доведя, таким образом, общее число каналов до 832. Чтобы у владельцев старых (рассчитанных на более узкий спектр) телефонов не возникало технических проблем, тип мобильного устройства определяется сетью по четырехзначному SCM (Station Class Mark - указатель класса аппарата) - если в первом бите записан 0, значит телефон старый, а если 1 - его пользователю доступны все 832 канала (остальные три бита SCM служат для определения класса мобильного телефона и мощности его передатчика).

В AMPS принята следующая классификация существующих каналов:

  • канал для передачи голоса К телефону ОТ системы FOVC (FOrward Voice Channel - прямой голосовой канал)
  • канал для передача голоса ОТ телефона К системе REVC (REverse Voice Channel - обратный голосовой канал).
  • канал для передачи служебной информации К телефону ОТ системы FOCC (FOrward Control Channel - прямой служебный канал)
  • канал для передачи служебной информации ОТ телефона К системе RECC (REverse Control Channel - обратный служебный канал, иногда его называют REVCC)

Обычно прямой и обратный голосовые каналы объединяются в пары. Например, 207 канал А-диапазона состоит из прямого канала на частоте 876.210 МГц и обратного 831.210 МГЦ.

В каждой соте прямой служебный канал FOCC свой, и он постоянно передает информацию. Это необходимо для того, чтобы при регистрации (об этом чуть ниже) телефон получил необходимые данные о сети, а также для определения (по уровню сигнала) границы ячейки. В общем случае сведения, передаваемые по FOCC можно условно разделить на три типа:

  • Overhead Messages: сообщения, содержащие данные о системе (так называемый SID - System Identification Number - идентификационный номер сотовой сети), о каналах вызова; информацию, необходимую для регистрации и тому подобное.
  • Mobile Control Messages: сообщения, направляемые какому-то определенному телефону (это могут быть сигналы вызова, данные о голосовых каналах, уровень мощности и прочая информация, подразумевающая ответ со стороны мобильной станции).
  • Control Filler Messages: сигнал заполнения - передается в паузах между сообщениями двух первых типов. Сигнал заполнения содержит, например, сведения об уровне мощности, на которой телефон должен передавать данные по обратному служебному каналу RECC.

Прежде, чем перейти к рассмотрению алгоритмов регистрации телефона в сети, а также организации входящих и исходящих вызовов, мне бы хотелось сказать несколько слов об общей архитектуре сети AMPS. Мы не будем обсуждать этот вопрос подробно, так как схема сети, в общем-то, аналогична таковой для системы GSM (которая уже детально описана ). В AMPS не принято разделять коммутационный центр и базы данных об абонентах и телефонах - обычно сеть представляют как симбиоз базовых станций и "мозга" системы MTSO (Mobile Telecommunication Switching Office - центр коммутации мобильных телекоммуникаций), хранящего информацию и выполняющего необходимые для функционирования сети операции.

Регистрация.

Каждый мобильный телефон AMPS при производстве получает уникальный 32-битный серийный номер - ESN (Electronic Serial Number), который помещен а ROM-память. Помимо этого, в каждом AMPS-телефоне существует перезаписываемая память - так называемый NAM (Number Assignment Module - модуль для записи номера), в который оператор при заключении контракта с абонентом записывает пятизначный SID своей сети и десятизначный MIN (Mobile Identification Number - идентификационный номер телефона), определяющий телефонный номер абонента.

При включении аппарат начинает "слушать эфир", а точнее сканировать его, перебирая все прямые служебные каналы (напомню, у каждого оператора двадцать один FOCC). Если телефон настроен на использование в А-диапазоне, то сканирование начинается вниз с 333 канала, а если в В-диапазоне - то вверх с 334 канала (для случая, когда общее число каналов равно 666). После нахождения самого сильного служебного канала телефон "цепляется" за него и получает от сети SID (являющийся, напомню, идентификатором сети - именно по SID телефон определяет "свою" или "чужую" сеть), а также информацию о том, какие служебные каналы ему надо просматривать в дальнейшем. Если при сканировании не найдено ни одного служебного канала, то на дисплее появляется надпись "No service". После определения самого сильного FOCC по соответствующему ему обратному каналу RECC (если он свободен) начинается передача собственных SID, MIN и ESN, хранимых в телефоне. Система сравнивает эти данные со своими и, если все в порядке, регистрирует аппарат в сети - с этого момента телефон может работать с вызовами.

Надо сказать, что в AMPS перерегистрация происходит намного чаще, чем в GSM - каждые 10-15 минут (сравните с 6 часами в GSM). Кроме того, любое действие с телефоном (исходящий вызов, значительные перемещения относительно сети и так далее) инициализируют перерегистрацию.

Одним из серьезнейших недостатков аналоговых систем вообще и AMSP в частности является слабая защита от несанкционированного доступа. Именно на перехвате ESN и MIN во время процесса регистрации и перерегистрации основан процесс "клонирования" сотовых телефонов. Сейчас не будем обсуждать эти темы - интересующиеся могут без труда найти в internet страницы, посвященные созданию "двойников".

Исходящие вызовы.

Для исключения взаимного влияния голосовых каналов с одинаковыми частотами, используемых разными сотами, в AMPS существует система специальных сигналов SAT (Supervisory Audio Tone - контрольный звуковой сигнал). Иногда их еще называют "код цвета" (color code). SAT это обычный аудиотон, постоянно передаваемый вместе с речью в обоих направлениях (пользователь не слышит SAT благодаря системе фильтрации). Каждый кластер сотовой сети (рис.1) имеет определенный SAT (всего их три: SAT1-5970 Гц, SAT2-6000 Гц и SAT3-6030 Гц).

После набора номера и нажатия кнопки SEND на мобильном телефоне происходит повторная регистрация в сети с выбором наиболее сильного FOCC. В систему передаются данные об аппарате (SID, MIN и ESN), а также вызываемый телефонный номер. Система проводит проверку переданной информации и выделяет для разговора прямой голосовой канал FOVC и SAT. Данные о FOVC и SAT передаются по FOCC с помощью IVCDM (Initial Voice Channel Designation Message - информационное сообщение о голосовом канале). Одновременно включается передача SAT по выбранному FOVC.

Приняв IVCDM, мобильный телефон включает прием выделенного для разговора FOVC, распознает SAT и, если все правильно, включает передачу по соответствующему REVC. Обращаю внимание читателя на то, что телефон также начинает непрерывно (!) передавать SAT по REVC. Во время разговора и сотовая система, и мобильный телефон постоянно проверяют правильность принятого SAT (точнее, его частоты) - в случае, если SAT пропал или его частота не совпадает с заранее определенной, соединение разрывается (не сразу, а через пять секунд - за это время система пытается обнаружить правильный сигнал).

В случае, если SAT верный, телефон делает слышимым для абонента звук, передаваемые по FOVC (система, получив от телефона правильный SAT, в свою очередь начинает передавать в FOVC сигналы от вызываемого абонента). Интересно, что передача служебной информации (например, в случае необходимости переключения на другую пару FOVC-RECC) во время разговора осуществляется по голосовым каналам, а чтобы пользователь не слышал в динамике телефона посторонние звуки, он (динамик) на мгновение выключается. Сделано это, опять же, с помощью SAT - при передаче служебной информации передача SAT от системы на мгновение приостанавливается, что и служит для телефона сигналом к выключению динамика. Все это, разумеется, происходит за доли секунды и совершенно незаметно для пользователя.

Для завершения соединения мобильный абонент нажимает кнопку NO на своем аппарате. После этого телефон по REVC передает специальный ST (Signaling Tone - сигнальный тон) длительностью 1.8 секунды и частотой 10кГц, а затем переходит в режим ожидания. Получив ST, система завершает соединение. Если первым "повесил трубку" собеседник мобильного абонента, то по FOVC сотовая система посылает абонентскому устройству сигнал окончания соединения, приняв которое телефон также генерирует ST по REVC с параметрами, описанными выше, и переходит в режим ожидания.

Информация о соединении записывается в CDR (Call Detail Record - запись о параметрах соединения) и в дальнейшем используется в том числе и для формирования счета за услуги связи.

SAT необходим также и для мониторинга качества связи. По мере удаления мобильного телефона от базовой станции, с которой установлена связь, в разговорном тракте увеличивается доля шума. Ухудшается и качество SAT, о чем базовая станция информирует коммутатор MTSO. По команде коммутатора шесть ближайших к мобильному телефону базовых станций начинают слушать эфир, оценивая уровень передаваемого телефоном SAT. Сравнивая полученные результаты, коммутатор по возможности выбирает лучший и передает право взаимодействия с мобильным телефоном новой базовой станции, - происходит так называемый handover, переключение канала (применительно к AMPS эту процедуру принято называть handoff). Если новая базовая станция относится к кластеру с другим SAT, телефон начинает генерировать новый SAT. Все это происходит за мгновения (а, точнее, за 250 мс) и совершенно незаметно для пользователя.

Входящие вызовы.

В случае поступления входящего вызова абоненту мобильной системы коммутатор MTSO дает сигнал оповещения по всем каналам для передачи служебной информации FOCC всех сот (хотя теоретически существует возможность настроить систему таким образом, чтобы сигнал вызова подавался сначала только в том месте, где телефон был зарегистрирован последний раз).

Приняв сообщение и распознав в нем свой MIN, телефон ищет самый сильный служебный канал FOCC (другими словами, заново выполняет регистрацию в системе) и, если соответствующий RECC свободен, посылает по нему сообщение о своей готовности. Получив эту информацию, система выделяет свободную пару FOVC-REVC для разговора, начинает передавать SAT и отправляет по FOCC специальное сообщение, при приеме которого телефон абонента начинает звонить. Одновременно со звонком, мобильный аппарат начинает передавать системе по REVC SAT и ST. Обратите внимание - пока телефон звонит, в линию выдается ST. Как только пользователь "поднятием трубки" ответил на вызов, генерация ST прекращается - именно по этому событию сотовая сеть распознает момент ответа на вызов, выполняет коммутацию и делает запись в CDR.

Заключение

Основной, на мой взгляд, недостаток аналоговых сотовых сетей стал очевиден их создателям очень быстро. Подобные системы не выдерживают активного роста абонентской базы, так как число одновременно говорящих пользователей в аналоговой системе по современным меркам мало - ведь при разговоре абонент занимает канал целиком. Очевидным шагом вперед стало построение систем на основе комбинации FDMA с TDMA (не только частотное, но и временное разделение каналов), одним из самых ярких примеров которых являются сети GSM .

Частично задача увеличения числа абонентов в уже существующих сетях AMPS была решена с помощью технологии, предложенной компанией Motorola и получившей название NAMPS (Narrow-band AMPS - узкополосный AMPS). Это в некотором роде экстенсивный путь - каждый канал был разбит на три (шириной 10кГц), а их общее число, таким образом, выросло до 2412.

Однако более известно (в том числе и в нашей стране) иное детище AMPS - а именно цифровые сети DAMPS (Digital AMPS - цифровой AMPS). Это уже совершенно иной уровень и качество связи - DAMPS скорее близок к GSM, чем к AMPS (хотя бы по частотно-временному разделению каналов). Так получилось, что в момент перехода всего мира на цифровые системы связи американцы не выделили новые частоты для своих сотовых сетей второго поколения. Таким образом, цифровые системы были вынуждены строится на основе существующих аналоговых, что, однако, привело не только к увеличению технических проблем на переходном этапе, но и к уменьшению затрат на смену поколений мобильной связи. Так что системы AMPS являются хорошим решением для регионов с малым числом потенциальных абонентов - сначала можно развернуть относительно дешевую аналоговую систему, а затем, по мере накопления денежных средств и увеличения абонентской базы плавно перейти на цифровой способ передачи речи. Этому способствуют и производители абонентского оборудования - большинство современных телефонов поддерживают два режима - AMPS и DAMPS (в отличие от телефонов GSM, которые принято называть "двухдиапазонными"(dualband), аппараты AMPS/DAMPS называют "двухмодовыми"(dualmode)).

В нашей же стране сети AMPS/DAMPS недавно оказались вне закона - федеральным стандартом признан GSM, а все остальные существующие системы будут действовать лишь до 2007-2010 года.

 




Дополнительно

ВИКТОРИНА SILVERSTONE

1. Сколько 2.5" накопителей можно установить в корпус LD01?