Ключевые технологии, используемые в сотовой мобиль­ной связи, включают в себя повторное использование ча­стоты соты, аналоговые сотовые сети, цифровую мобильную связь, цифровую пакетную связь и широкополосные сети.

В первых системах мобильной радиотелефонии исполь­зовались мощные приемопередатчики для наибольшего ох­вата территории с ограниченной полосой радиоканала. Вследствие того, что каждый радиоканал требует опреде­ленной полосы пропускания и что количество таких частот очень ограничено, число пользователей такой сети также было резко ограничено. Общее число пользователей такой сети не превышало, как правило, нескольких сотен или тысяч.

Для рационального использования данного спектра ча­стот была разработана сотовая система. Эта система позволя­ет повторно использовать данный спектр частот на больших территориальных пространствах. Технология повторного ис­пользования сотовой частоты позволяет обслуживать боль­шее число пользователей и, следовательно, повышает ем­кость системы. Как было указано выше, для дальнейшего роста емкости системы необходимо либо увеличивать число задействованных радиоканалов, либо снижать мощность ба­зовой станции и, соответственно, увеличивать количество станций. Для снижения перекрытия частот необходимо пространственно разносить базовые станции, имеющие одинако­вый спектр радиочастот. Теоретически можно рассчитать уровни сигналов и удаленность базовых станций друг от дру­га, но в городских условиях этого практически невозможно добиться, в результате приходится подстраивать уровень мощ­ности базовых станций для минимального паразитного взаимо­действия между ними. Приемлемое расстояние между базовыми станциями определялось по соотношению расстояние/радиус. В этом соотношении для современных аналоговых станций, имеющих одинаковый спектр частот, применяется пропорция 4,6/1, то есть для соты с радиусом действия 1 км соты дол­жны быть равноудалены на расстояние в 4,6 км. Другая ме­тодика, называемая расщеплением соты, позволяла увеличи­вать емкость постепенно. Соты расщеплялись снижением уровня мощности и/или уменьшением высоты антенны для снижения радиуса зоны покрытия. Все это позволяло доби­ваться снижения уровня покрытия зоны и тем самым добав­лять новые базовые станции. Для аналоговых станций на рас­пространение сигнала влияют различные факторы, такие как рельеф местности и сезонные условия.

Каждая сота могла обслуживать ограниченное число абонентов. При превышении их числа система начинала блокировать дополнительных абонентов, генерируя сигнал занятости при установлении соединения.

При переходе от аналоговых к цифровым сотовым си­стемам связи некоторые технологии позволяли работать в двойном или множественном режиме. Телефоны с этой технологией позволяли работать на аналоговых или цифровых радиоканалах в зависимости от их доступности. Большин­ство таких телефонов предлагало работу на цифровом ра­ диоканале, при наличии обоих возможностей на данном участке местности.

Сотовые телефоны имеют некоторые отличия в техноло­гии их работы. К этим отличиям относятся: ширина радиока­нала, тип технологии доступа — FDMA, TDMA или CDMA, скорость передачи данных по каналу управления, уровень мощности сигнала. Аналоговые сотвые системы имеют очень узкий канал передачи данных, от 10 до 30 кГц. Ширина канала цифровых систем варьируется от 10 кГц до 1, 25 мГц. Технологии доступа определяют возможность доступа к услугам и к способам разделения каждого радиоканала. Ско­рость передачи радиосигналов определяет, как быстро могут быть переданы сообщения. Мощность радиосигнала сотовых телефонов и способы управления ею определяют, как далеко телефон может находиться от базовой станции. В зависимости от ширины и типа радиоканала все сотовые и другие мобильные коммуникационные системы позволяют работать одновременно в режиме двухсторонней связи между говорящими, то есть сотовый телефон является одновремен­но приемником и передатчиком.

Одной из ключевых особенностей сотовых систем явля­ется их способность передачи управления соединением от одной системы к другой. Данный процесс является автома­тическим и является результатом совместной работы сети связи и сотового телефона. В этом процессе главную роль играют короткие управляющие сообщения, которые переда­ются между телефоном и системой во время вызова. Сооб­щения настолько малы по длительности, что клиент не мо­жет уловить процесс перехода в другую зону обслуживания.

Аналоговые сотовые системы обычно характеризуются использованием определенного типа модуляции (обычно фазовой модуляции) для передачи голосовой информации. Для передачи управляющих сигналов данным системам приходится использовать цифровые радиоканалы.

В ранних мобильных радиосистемах сотовые телефоны ска­нировали доступные радиоканалы в поисках незанятого, что позволяло осуществлять вызов. Сегодняшние аналоговые сото­вые системы имеют сотни радиоканалов, что делает неприем­ лемым сканирование каналов вследствие неприемлемого ин­тервала времени поиска. Для быстрого перехода на доступный канал выделяются радиоканалы, служащие управляющим це­лям. В настоящее время большинство сотовых систем исполь­зуют два типа радиоканалов—управляющие и голосовые. Кана­лы управления транспортируют только цифровые сообщения и сигналы, позволяющие мобильным телефонам обновлять си­стемную информацию и конкурировать за доступные ресурсы.

Каналы управления передают извещения и сообщения о назначении канала. Голосовые каналы в основном использу­ются для голосовой информации, но также могут передавать и принимать некоторые цифровые сообщения, управляющие частотой и мощностью сигнала, во время соединения.

Современные аналоговые системы могут обслуживать только одного абонента на одном радиоканале, так что чи­сло доступных каналов влияет на емкость системы. Типич­ный абонент использует систему несколько минут в день, так что в течение дня 20—30 абонентов используют один радиоканал. Таким образом, 50 каналов может обслуживать 1000—1500 пользователей.

Базовые операции аналоговых сотовых систем включа­ют инициацию телефона при его включении, прослушива­ние извещений (режим ожидания), попытку доступа к ре­сурсам и режим разговора (или данных).

При включении питания телефона начинается поиск определенного набора каналов управления и настройка на наиболее мощный. В процессе сканирования ведется про­слушивание управляющих каналов для получения инфор­мации о системе и начальной установке.

После инициализации телефон переходит в режим про­стоя и ожидает извещений о входящих звонках или ини­циации звонка клиентом. Когда вызов принимается или инициируется, мобильный телефон переходит в режим до­ступа к системе через управляющий канал. После получе­ния доступа канал управления пересылает сообщение о вы­делении голосового канала и телефон переходит в режим передачи. Поскольку работа по голосовому каналу проис­ходит по принципу частотной модуляции, телефон работа­ ет как маленькая широковещательная радиостанция. Для пересылки управляющих сообщений по голосовому каналу голос замещается прерыванием передачи и принятия со­общения. В некоторых системах управляющее сообщение накладывается на аудиосигнал.

Попытка мобильного телефона получить услугу от сото­вой системы называется доступом. Телефоны конкурируют в доступе к каналу управления, что равнозначно доступу к си­стеме. Доступ предпринимается при получении извещения о получении вызова или при его инициации. При этом телефон отслеживает состояние «занят/ожидание» канала управления перед и во время передачи сообщения о попытке доступа. Если канал доступен, мобильный телефон начинает переда­чу, а базовая станция отслеживает состояние занятости кана­ла управления. Осуществление соединения возможно за определенное время, задаваемое таймером ожидания. Если время вышло, а соединение не состоялось, попытка доступа заканчивается в предположении, что другой сотовый теле­фон занял управляющий канал приемника базовой станции.

При успешной попытке доступа система выдает сообще­ние о назначении канала, заставляя телефон настроиться на нужный голосовой канал. При отсутствии соединения выби­рается случайное время ожидания и попытка повторяется. Система проектируется так, чтобы исключить совпадение времен ожидания разных телефонов. Это делается для умень­шения взаимных помех при попытке доступа к каналу.

При получении звонка телефон извещается процессом, называемым пейджинг. Это краткое сообщение управляю­щего канала, содержащее номер звонящего телефона или номер мобильного идентификатора. Когда телефон опреде­ляет, что получил извещение, то автоматически отвечает сообщением системного доступа, что показывает его по­пытку доступа. В то же время телефон издает сигнал абоненту, извещая его о входящем вызове. Когда абонент отвечает на вызов, телефон передает запрос системе для от­вета на вызов. В запросе пересылается телефонный номер и электронный серийный номер для идентификации пользо­вателя.

После настройки телефона на голосовой канал начинает­ся передача голоса или другой информации клиента. Пе­риодически между базовой станцией и телефоном пересы­лаются управляющие сообщения. Эти сообщения могут управлять мощностью телефона, изменением частоты или другими специальными функциями.

Для увеличения срока службы батарей телефон может осу­ществлять передачу сигнала на базовую станцию только при разговоре клиента. Во время его молчания телефон прекраща­ет передачу на краткий период — до нескольких секунд. Та­кой режим работы называется прерывистой передачей.

Цифровые мобильные системы стали вытеснять анало­говые ввиду большей гибкости в работе. Дополнительные услуги становятся возможными просто при изменении или доработке программного обеспечения. Это выгодно отлича­ется от технологии аналоговых систем, когда данные пере­даются методами аналоговой модуляции.

Цифровые системы, как правило, характеризуются их ти­пом технологии доступа (TDMA or CDMA). Технология до­ступа определяет способ передачи цифровой информации внутри сотовой системы.

В цифровых системах клиенты обслуживаются одним радиоканалом одновременно. Это достигается внедрением технологий оцифровки и сжатия голоса. Такая обработка информации приводит к тому, что радиоканал делится на несколько подканалов. Каждый подканал обслуживает од­ного клиента.

Цифровые системы также используют два типа коммуни­кационных каналов — управляющий и голосовой. Управляю­щий канал — это один из нескольких подканалов радиокана­ла. Таким образом, один управляющий канал может обслуживать несколько голосовых каналов. Это в свою оче­редь упрощает доступ телефону к управляющей системной информации и позволяет конкурировать за доступ к ресурсам.

Базовые операции цифровой сотовой системы определя­ют инициализацию телефона при включении питания, про­слушивание извещающих сообщений при ожидании, попыт­ки доступа в режиме разговора или передачи данных.

Инициализация телефона представляет собой сканирование установленного набора каналов управления и выбора наиболее сильного по мощности. Также в этом режиме прослушиваются сообщения управляющего канала для получения системной идентификации и начальной информации. Из-за гораздо боль­шего числа коммуникационных каналов в цифровой системе по сравнению с аналоговой встает задача уменьшения времени поиска доступного канала управления. Для этого используют­ся такие алгоритмы, как запоминание последнего канала управ­ления, таблица предпочтительных каналов управления и дру­гие механизмы поиска управляющего канала.

После инициализации телефон переходит в режим ожида­ния приема входящего извещения или инициации звонка кли­ентом. При наступлении такого события телефон переходит в режим доступа к системе и пытается получить доступ к систе­ме через управляющий канал. Когда доступ получен, канал управления передает сообщение с информацией об иденти­фикаторе канала данных и открывает его для передачи. Теле­фон перестраивает частоту и входит в режим разговора.

Цифровые телефонные системы, кроме того, используют возможность более надежно удостоверять себя в процессе доступа к ресурсам системы, чем аналоговые системы. Про­цесс опознания подлинности называется аутентификацией. Для выполнения этого процесса используются ресурсы те­лефона и самой сотовой системы.

При успешном опознании система посылает сообщение о назначении канала телефону и разрешает передачу информации.

Как и в аналоговых системах, действует режим подстрой­ки оборудования с обеих сторон — как телефона, так и си­стемы. В этом случае также используются управляющие сообщения, которые могут замещать оцифрованную речь, и называемые быстрыми сигналами или накладываемые на оцифрованный голосовой сигнал (медленные сигналы).

Цифровые телефоны также могут использовать режим прерывания передачи для экономии батарей.

Таким образом, эффективность цифровых технологий по­вышается за счет оцифровки голоса, его сжатия (кодирования), кодирования каналов и эффективной модуляции радиосигнала.

Оцифровка голоса дает поток данных 64 Кбит в секунду. Если передавать такой поток данных через радиоканал, ширина цифрового канала становится менее эффективной, чем аналогового канала (около 30 кГц). Вследствие это­го применяется кодировка голоса. Это позволяет перейти к спектральному способу передачи голоса, исключая ненужные для передачи голоса частотные составляющие. Число различ­ных схем сжатия голоса зависит от голосовой активности и схем разделения радиоресурсов, то есть технологии цифровой сотовой системы. Так, для разных схем доступа возможна степень сжатия голоса в пять, восемь и более раз. Максималь­ный коэффициент сжатия для схемы CDMA может достигать 64. Для систем GSM сжатие голоса имеет коэффициент 5.

Уменьшение числа единиц цифровой информации (би­тов), необходимой для восстановления формы голосового сигнала, ведет к обеднению качества речи. Усложнение схе­мы кодирования может привести к улучшению качества го­лоса даже при малом количестве битов.

Оцифровка голоса — это вычислительный процесс. Лю­бые вычисления требуют времени. Стандартно, голос делится на отрезки длительностью около 20 миллисекунд. Оцифров­ка, подстройка времени телефона со временем радиоканала и дешифровка голоса ведут к задержке в передаче голоса. Об­щая задержка может достигать 50—100 миллисекунд. Хотя такая задержка незаметна в разговоре, она может проявляться в разговоре появлением эха. Поэтому требуется дополнитель­ная обработка сигнала с целью устранения эха.

Для повышения помехоустойчивости при передаче оциф­рованного голоса через радиоканал вводятся дополни­тельные биты коррекции ошибок.

Пакетные цифровые сотовые системы занимают проме­жуточное положение между поколениями сотовых систем, поэтому их часто называют «системами 2,5 поколения». Дан­ные системы расширяют возможности сотовой системы до работы с различными коммуникационными приложениями. Режим работы системы позволяет увеличить скорость пере­дачи битов информации и повысить емкость системы в пла­не количества клиентов.