На чем основывается такая уверенность, что собой представляет цифровая сотовая связь, каковы перспективы цифровых стандартов вообще? С этими и другими вопросами редакторы журналов "Сети" и "Открытые системы" Ростислав Сергеев и Дмитрий Волков обратились к руководству компании "Мобильные ТелеСистемы". Нашими собеседниками стали Юрий Громаков, вице-президент по техническим вопросам и развитию, и Шагит Резников, директор службы эксплуатации.

Юрий Громаков: В июле 1992 г. Министерством связи России было принято решение о широкомасштабном развертывании в стране сетей двух стандартов подвижной связи: одной - на основе аналогового стандарта NMT-450, наиболее активным проводником которого стала компания "Московская Сотовая Связь" (МСС), а другой - на базе цифрового стандарта GSM 900, продвигаемого компанией "Мобильные ТелеСистемы" (МТС). Первоначально предполагалось, что сети связи стандарта NMT-450 окажутся дешевле по услугам и тарифам и проще в использовании - технология аналоговой телефонии уже давно отработана, системы подвижной связи относительно дешевы и существуют в России в том или ином виде уже с 80-х гг. К началу 90-х гг. в области аналоговой подвижной связи определились основные виды услуг и сложились цены на них. Кроме того, стандарт NMT-450 тогда больше подходил к условиям работы с национальной фиксированной телефонной сетью. Не требовалось внедрения принципиально новых систем и оборудования. На пути продвижения второго, цифрового, стандарта, напротив, изначально имелись объективные трудности, что неизбежно должно было сказаться на стоимости услуг (а следовательно, на их доступности только для достаточно обеспеченных слоев населения). Однако рынок и современные цифровые технологии внесли свои коррективы в эту ситуацию; сегодня стоимость подвижных и отдельных видов базовых станций в цифровых сотовых сетях оказалась меньшей.

- В чем состоит причина уверенности в перспективности именно цифровых стандартов мобильной связи?

Ю. Г.: Если говорить кратко, это конфиденциальность связи, широкий состав услуг, роуминг и качество. Сегодня на одном чипе размером с трехкопеечную монету размещается вся электроника цифровой станции. Аналоговые же устройства в принципе не могут быть так компактно упакованы, хотя бы потому, что здесь прием и передача должны выполняться одновременно, а для этого в приемопередатчиках необходимо иметь дуплексный фильтр и другие аналоговые электронные компоненты. В стандарте GSM для таких целей введено разделение по времени режимов приема и передачи пакетов сообщений, в результате чего в каждый момент работает только одно устройство, что позволяет использовать в трактах передачи и приема радиотелефонов общие функциональные элементы. На одной плате размещаются речевой кодер, схемы специального кодирования и декодирования, формирования временных кадров, а также шифрования/дешифрования и т. д.

Кроме того, вид модуляции, способы кодирования и преобразования сигналов в радиоканалах GSM обеспечивают прием сигналов с отношением сигнал/шум 9 дБ, в то время как в аналоговых системах тот же показатель равен 16-18 дБ. Поэтому передатчики базовых станций GSM, работающие на совпадающих частотах, могут размещаться в ближе расположенных сотах, что увеличивает коэффициент повторного использования частот и, в целом, - эффективность системы сотовой связи.

- Чем характерен диапазон частот 900 МГц, используемый в стандарте GSM?

Ю. Г.: Стандартом используется полоса частот 890-915 МГц для передачи сообщений от подвижной станции на базовую и 935-960 МГц - для приема. Разнос частот между каналами составляет 200 кГц. Однако в России в диапазоне частот GSM работают системы воздушной радионавигации, установленные на самолетах и аэродромах, причем на каждом аэродроме используется свой набор радиочастот, выполняющий роль своеобразного "паспорта". В результате на различных аэродромах заняты разные частоты этого диапазона. Для обеспечения электромагнитной совместимости средств GSM и воздушной радионавигации нашей компанией совместно с Минсвязи и ГКРЧ России в 1993-1994 гг. проведены дополнительные исследования, в результате которых разработаны и утверждены ГКРЧ России нормы частотно-территориального разноса указанных средств. Эти нормы используются в настоящее время для назначения рабочих частот сетей GSM в России.

- Как происходит передача сообщений в стандарте GSM?

Ю. Г.: В общем виде временная диаграмма процесса передачи выглядит следующим образом: осуществляется преобразование аналогового речевого сигнала в цифровую последовательность; далее из нее формируется пакет (n элементов) длительностью t; передача пакета осуществляется за время t/8. Все пакеты передаются в рамках временного (TDMA) кадра. Всего в стандарте GSM 900 используются 124 частоты, каждая из которых позволяет передавать до 8 речевых каналов. Реально по некоторым из этих каналов могут передаваться сигналы управления.

Речевая информация передается пакетом, состоящим из двух блоков по 57 бит, между которыми находятся 26 эталонных (обучающих) бита, известных в приемнике. При приеме этой последовательности определяется характер искажений в тракте распространения сигнала и формируются оптимальные характеристики приемника применительно к конкретным условиям работы. Элементарный TDMA-кадр входит в сложную структуру гиперкадра длительностью около 3,5 часов; кстати, номер этого кадра является параметром шифрования. Однако даже без дополнительного шифрования практически невозможно прослушать ведущиеся разговоры. Непрерывно развивающийся стандарт GSM вводит новые аспекты безопасности, в частности перескоки по частотам в процессе разговора со скоростью 217 раз в секунду, а также более сложные алгоритмы шифрования.

- Многих пользователей сотовой связи волнует проблема двойников, досаждавших первым отечественным абонентам мобильных телефонов. Как эта проблема решается в GSM?

Ю. Г.: Cтандарт GSM разрабатывался, в частности, для обеспечения высокой конфиденциальности связи финансовых, коммерческих, правительственных и военных структур. Прежде всего, подвижный терминал GSM использует интеллектуальную карточку (SIM-карту), благодаря которой абонент работает с телефоном как с банкоматом, причем с помощью одной карточки можно звонить из разных аппаратов. После включения питания подвижная станция запрашивает PIN-код, трехкратный ошибочный набор которого приводит к полному отключению аппарата. До начала сеанса связи сеть через радиоканал проверяет "полномочия" подвижной станции с помощью процедуры аутентификации, в которой используются криптографические алгоритмы A3/A8. Сеть может "отвергнуть" аппарат, если он "не прописан" в данной сети.

Все эти меры обеспечения конфиденциальности связи вместе с упоминавшимися особенностями организации цифрового канала дают на сегодняшний день самую высокую гарантию защиты от прослушивания и несанкционированнного использования сети - нельзя просто так перехватить и прослушивать разговор с помощью сканирующего приемника, что возможно в системах аналоговой радиосвязи.

Сети стандарта GSM начали внедряться за рубежом с 1992 г. и одними из первых абонентов стали коммерческие структуры, для которых потеря конфиденциальности - обычно вопрос больших денег. В феврале 1997 г. в Каннах на ежегодном конгрессе операторов GSM было официально объявлено, что до сегодняшнего дня случаев появления двойников в сетях GSM зафиксировано не было. Если учесть, что стандарт постоянно развивается и дополняется, то говорить о практической возможности его "взлома" по крайней мере некорректно.

- Как при тесноте эфира, выделенного для работы GSM, решается проблема увеличения числа абонентов?

Ю. Г.: Коротко ответить на этот вопрос трудно, поэтому, чтобы глубже понять суть проблемы, рассмотрим особенности организации различных систем подвижной связи.

В системах радиальной или радиально-зоновой УКВ-связи, представителями которой являются, в частности, системы "Алтай", "Волимот" и другие, максимальная дальность приема сообщений зависит не только от мощности передатчика и чувствительности приемника; она ограничена и условиями прямой видимости между их антеннами. В общем случае для таких систем устойчивая связь возможна, только когда отношение сигнал/шум составляет не менее 12-18 дБ. Иначе говоря, уровень сигнала должен на 12-18 дБ превышать фоновые помехи, которых в радиоэфире всегда предостаточно. Для передачи сообщений одного абонента при радиальной связи требуется один частотный канал, при этом разнос между соседними каналами должен составлять не менее 12,5 кГц. Много ли абонентов могло одновременно пользоваться такой связью, если учесть ограниченность выделеяемого частотного ресурса, рельеф местности, ограничения на габариты и мощность абонентских приемопередающих устройств?

В 70-е гг. был предложен принцип сотовой связи, основная идея которой - повторное использование частот в несмежных сотах. Уже только это позволило увеличить число обслуживаемых абонентов и повысить качество связи. Однако здесь разработчиков подстерегал ряд проблем. Первая - обеспечение непрерывности связи при перемещении абонентов из соты в соту (handover), вторая - определение местоположения абонента в сети. Успешное практическое решение этих задач, ставшее возможным только в 80-е гг., и определило лавинообразное развитие систем сотовой связи.

Возвращаясь к вопросу о емкости сети, следует отметить, что она непосредственно зависит от размера соты и, конечно, от числа доступных частотных каналов. Их, как мы уже говорили, в силу объективных физических причин всегда не хватает, поэтому основным экономически эффективным способом повышения емкости систем сотовой связи является уменьшение размеров соты в целях увеличения коэффициента повторного использования частот. Первая фаза сети МТС была запущена в июле 1994 г. Тогда в Москве были включены восемь трехсекторных базовых станций со средним радиусом соты около 4 км. В каждом секторе использовались две частоты, что обеспечивало 2 х 8=16 каналов связи. Сегодня в московском регионе МТС имеет почти 150 базовых станций, и это не предел. Сеть МТС непрерывно развивается в соответствии с пожеланиями абонентов, возрастающими нагрузками, новыми функциональными возможностями стандарта GSM.

Для повышения емкости сети GSM имеется еще ряд дополнительных хитростей, учитывающих текущую нагрузку на сеть. Это, например, медленные скачки по частотам (SFH - slow frequency hopping), когда временные кадры (TDMA), содержащие разговоры одного или группы абонентов, передаются на разных частотах (может происходить до 217 скачков в секунду). Определенные скрытые резервы лежат также в оптимизации схемы повторного использования частот и применении микро- и пикосот. Перспективным направлением увеличения емкости сети является постепенный переход на полускоростные речепреобразующие устройства, что эквивалентно передаче в одном TDMA кадре не 8, а 16 речевых каналов.

- Как в России обстоят дела с роумингом?

Ю. Г.: Подвижная связь должна быть доступна всем и везде, поэтому основная наша задача - создание единой федеральной сети GSM, предлагающей услуги национального роуминга. Для этого требуется организовать связь с каждым региональным оператором подвижной связи, организовав с ним, как минимум, выделенный цифровой канал 64 кбит/с, используемый для передачи служебных сообщений. Кроме того, необходимо заключить взаимные соглашения и определить порядок взаиморасчетов. Пока, в силу недостаточного спроса на услуги подвижной связи вне столиц, для местных операторов нерентабельно держать выделенный канал для небольшого количества приезжих. До создания "Межрегионального Транзит-Телекома" (транзитной сети) национальный роуминг будет осуществляться на основе использования прямых цифровых каналов; например, такой канал установлен с Санкт-Петербургом. В настоящее время на принципах транзитной сети организован международный роуминг почти с 60-ю операторами сетей GSM в Европе, Азии и Австралии.

- Складывается впечатление, что у GSM в России проблем нет?

Ю. Г.: Это не совсем так. Однако проблемы лежат больше в плоскости организационных аспектов. Например, из почти 50 операторов, имеющих сегодня в России лицензию на предоставление услуг связи в стандарте GSM, реально функционируют около 20. Главными проблемами в развитии сетей GSM в регионах являются отсутствие реальных источников финансирования, а также необходимых специалистов в этой сфере; в большинстве случаев проблемы возникают из-за отсутствия развитой структуры цифровой телефонной сети общего пользования. В настоящее время успешно преодолены принципиальные ограничения на создание и развитие сетей GSM в России, связанные с назначением рабочих частот для сетей, разработкой генеральной схемы развития федеральной сети GSM, организацией национального и международного роуминга.

- Как складываются сегодня отношения спутниковой и наземной мобильной связи?

Ю. Г.: Одна из глобальных идей, которую постепенно воплощает в жизнь мировое сообщество, - интеграция всех сетей связи. Эта работа идет как по пути обеспечения физического взаимодействия систем связи, так и в направлении развития международные стандартов. Для цифровой связи сегодня имеются три группы стандартов, разработанных в США, Европе и Японии. Одна из ближайших задач состоит в их интеграции и формировании единой глобальной системы связи. Есть также конкретный проект осуществления глобального роуминга, первые результаты которого будут доступны уже в конце этого года, а коммерческие реализации появятся в 1998 г. (Iridium).

В области спутниковой связи реализуются несколько проектов, согласно которым Землю "опутывают" сети, состоящие из большого количества телекоммуникационных спутников, находящихся на "низких" (по сравнению с геостационарными спутниками, используемыми в настоящее время) орбитах и "передающих абонента" друг другу, подобно сетям сотовой связи. Только, в отличие от неподвижных базовых станций действующих систем сотовой связи, эти станции-спутники постоянно перемещаются. С российской стороны в проекте Iridium принимает участие НПО им. Хруничева. Объединение сетей Iridium и GSM позволит обеспечить глобальный охват: вне зоны действия базовых станций GSM мобильные станции абонентов будут автоматически переключаться на спутниковую связь.

- Какие решения из области компьютерных информационных технологий использует МТС?

Шагит Резников: Исторически так сложилось, что готовое решение, отработанное на более чем 2 млн европейских пользователей GSM, было поставлено в МТС ее учредителями. Если говорить кратко, то сегодня у нас имеются четыре компьютерные сети, ориентированные на обеспечение строго определенных функциональных задач: управление коммутацией, управление сетью базовых станций, бухгалтерия и финансы, биллинг. Решение было поставлено под ключ и до сих пор не возникало необходимости что-то менять в интерфейсах или алгоритмической части. По правде сказать, некоторые командные интерфейсы уже не отвечают современным требованиям, но главное - все работает, а любые эксперименты на функционирующей сети чреваты сбоями с неприятными последствиями. Поэтому пока мы придерживаемся принципа "семь раз отмерь" и предпочитаем применять готовые решения, опробованные на западных пользователях. Кстати, в Германии также достаточно консервативно относятся к нововведениям, которые могут повлиять на работоспособность сети сотовой связи. Для проведения разного рода модернизаций там на добровольной основе выделяют группу пользователей, получающих определенные льготы по оплате услуг связи.

Если говорить более конкретно об аппаратном обеспечении, то в МТС используются коммуникационный сервер на базе компьютеров Tandem, сеть станций Sun SPARCstation 10, а для задач расчета покрытия, или частотного планирования, - несколько рабочих станций Digital вместе с клиентскими машинами на базе Compaq. Необходимо отметить, что частотное планирование - это одна из наиболее интересных и трудоемких задач, которую нам приходится решать ежедневно. В России государственные структуры и банки часто самовольно обзаводятся собственными средствами связи и охранными системами, "засоряющими" радиоэфир. Поэтому мы регулярно проводим полевые замеры на местности, которые затем автоматически анализируются с целью построения наиболее оптимальной карты покрытия. Эта задача особенно актуальна сейчас, когда от традиционной практики обеспечения мобильной связи вдоль основных автомобильных дорог МТС переходит к налаживанию качественной связи по всей лицензируемой территории.

Среди других задач, решаемых с помощью нашей вычислительной сети, можно отметить управление телеметрией, контроль и регистрацию действий операторов, ведение статистики. Мониторинг всех базовых станций (вне зависимости от их расположения - в пределах Садового кольца Москвы, в Серпухове или Можайске) автоматически осуществляется из центра. Это означает, что в режиме реального времени отслеживаются более 200 параметров и имеется возможность централизованной загрузки программного обеспечения.

Все наши службы имеют выход в сеть Internet, услуги доступа в которую мы можем предлагать и нашим клиентам, однако пока это экономически нецелесообразно. Среди ближайших перспектив развития компьютерной базы МТС - развертывание общей административной сети между всеми нашими офисами и создание единой интегрированной информационной среды, объединяющей отдельные функциональные подсети.

Особенности работы МТС

По состоянию на середину 1997 г. услугами связи GSM в Москве пользуются около 50 тыс. абонентов и примерно столько же - в Санкт-Петербурге. Дополнительно к этому ежедневно в рамках межнационального роуминга услугами сети GSM в Москве пользуются более 10 тыс. зарубежных абонентов.

Соучредителем МТС является немецкая компания-оператор GSM De Te Mobile, имеющая в Германии 2,7 млн клиентов и принимающая активное участие в реализации проектов в других странах. МТС использует сетевое оборудование от Motorola и Siemens, абонентское оборудование компаний Motorola, Ericsson, Ascom, Siemens, Sony, Philips и др.

Перечень услуг МТС

  • Передача речевых сообщений
  • Передача данных со скоростью до 9,6 кбит/с
  • Факсимильная связь
  • Переадресация вызова - перевод звонка с мобильной станции на любой телефон
  • Голосовая почта
  • Роуминг по центральному региону России и Европе, Азии, Австралии. Всего около 60 операторов.