5.5.3. Общая характеристика режима псевдослучайной перестройки рабочей частоты как способа защиты информации в радиоканалах

В настоящее время режим ППРЧ находит широкое применение как в военных системах радиосвязи, так и в коммерческих и полицейских системах передачи информации, что обусловлено рядом его преимуществ перед режимом работы радиостанций с фиксированной настройкой  частоты  (ФНЧ).

Развед- и помехозащищенность ЛРС с ППРЧ. Одним из преимуществ режима ППРЧ является сложность обнаружения, пеленгования и выявления параметров сигнала источника радиоизлучения (ИРИ) с ППРЧ, что объясняется кратковременностью излучения ИРИ с ППРЧ на очередной рабочей частоте (в современных радиостанциях t_n = 0,0064—500  мс).

Кроме этого, применение режима ППРЧ приводит к уменьшению времени контакта стороннего наблюдателя с сигналом линии (сети) радиосвязи с ППРЧ. При этом эффективность защиты информации может быть оценена выигрышем в развед- или помехозащищенности, который, в свою очередь, может быть выражен величиной, определяющей уменьшение временного контакта средств несанкционированного радиодоступа (разведприемников, передатчиков помех) с сигналом ЛРС, являющейся объектом НСД. При наличии у стороннего наблюдателя средств НСД с фиксированной настройкой частоты (ФНЧ) выигрыш может быть выражен  величиной

где t₁ (t₂) — время распространения сигнала от передающего устройства ЛРС-объекта НСД до приемного устройства ЛРС-объекта НСД (разведприемника стороннего наблюдателя); t_pn — время реакции помехопостановщика; t_pп — время распространения помехи от передающего устройства помехопостановщика до приемного устройства ЛРС-объекта НСД.

Если в результате ведения радиоразведки стороннему наблюдателю удастся обнаружить излучение, запеленговать источник излучения, определить параметры ЛРС с ППРЧ и обеспечить выделение используемой последовательности номиналов частот (что проблематично при использовании несколькими ЛРС общей АГЧ), может быть предпринята попытка НСД к информации, передаваемой в ЛРС-объекте НСД.

Прослушивание информации, передаваемой в радиоканале ЛРС с ППРЧ, возможно при использовании приемного устройства, имеющего не менее К каналов с ФНЧ (решение данной задачи проблематично при больших значениях А), или при построении алгоритма формирования ПНЧ, эквивалентной той, которую использует ЛРС-объект НСД.

Эффективное разрушение информации в радиоканале ЛРС с ППРЧ, возможно при обеспечении доли «накрытия» помехой сигнала (при условии энергетического доступа) не менее заданной D_тр, которая зависит от типа применяемого кодирования, наличия перемежения символов, отношение сигнал/шум и др. Для телефонных сигналов D_тр = 0,4-0,5. При радиоподавлении (РП) ЛРС с ППРЧ необходимое количество каналов помех с ФНЧ может быть определено по формуле

Мфнч = D_TPK.                                  (5.123)

При больших объемах АГЧ ЛРС с ППРЧ эффективное радиоподавление с использованием передатчиков помех с ФНЧ может оказаться проблематичным из-за ограниченного ресурса средств помехопостановщика.

При радиоподавлении ЛРС с ППРЧ в режиме погони по частоте помехопостановщику необходимо обеспечить выполнение неравенства

что может оказаться весьма проблематичным при малых значениях t_и.

Наиболее эффективным способом радиоподавления ЛРС с ППРЧ является способ, основанный на построении алгоритма формирования ПНЧ, эквивалентной той, которую использует ЛРС-объект радиоподавления. При этом доля «накрытия» сигнала помехой может достигать величины   D  ≈   1,0.

Подмена информации (дезинформация) возможна только при построении сторонним наблюдателем ПНЧ, эквивалентной той, которую использует  ЛРС-объект НСД.

Таким образом, уверенный несанкционированный доступ к информации, передаваемой в ЛРС с ППРЧ, невозможен без построения сторонним наблюдателем по наблюдаемому сигналу эквивалентной ПНЧ. Анализ вопросов построения частотных последовательностей, используемых   в ЛРС с ППРЧ, и изыскания возможностей построения эквивалентных частотных последовательностей позволяют сделать вывод о возможности формирования «трудновскрываемых» частотных последовательностей на основе нелинейных двоичных псевдослучайных последовательностей методом комбинационно-числового преобразования в режиме последовательных выборок или выборок с пропусками с последующей нелинейной перенумерацией символов формируемой последовательности. При этом задача построения алгоритма формирования эквивалентной  частотной последовательности тем сложнее, чем больше объем АГЧ и чем больше длина регистра сдвига генератора исходной ДПСП.

Важным показателем системы связи, образуемой средствами радиосвязи с ППРЧ, является потенциальная загрузка частотного диапазона, определяемая количеством ЛРС с ППРЧ, которые могут одновременно использовать  общую АГЧ.

Как известно, при работе нескольких ЛРС с ППРЧ на общих частотах случайным образом могут происходить совпадения во времени текущих рабочих частот двух и более ЛРС. Это приводит к возникновению внутрисистемных (станционных) помех, которые наряду с преднамеренными помехами и помехами естественного происхождения приводят к ухудшению  качества связи.

Параметрами, определяющими потенциальную загрузку АГЧ, являются допустимые вероятность ошибки в каналах передачи данных и ухудшение разборчивости в телефонных каналах, определяемые внутрисистемными   помехами.

Рассмотрим потенциальную загрузку АГЧ линиями радиосвязи с ППРЧ, работающими в телефонном режиме. Загрузка АГЧ оценивается   величиной

Z - N/K,                                   (5.125)

где К — объем АГЧ; .N — количество ЛРС с ППРЧ, работающих в рассматриваемой АГЧ в зоне радиовидимости с использованием квазиортогональных программ  ППРЧ.

Величина N может быть определена на основе следующих рассуждений. Внутрисистемная (станционная) помеха возникает в ЛРС с ППРЧ с вероятностью, определяемой выражением

где р_спп — потенциальная вероятность возникновения станционной помехи; р_эп — вероятность энергетического подавления сигнала, передаваемого в рассматриваемой ЛРС, помеховым сигналом, излучаемым в произвольной  «мешающей» ЛРС.

Для оценки потенциальной загрузки АГЧ в зоне радиовидимости целесообразно принять р_эп = 1,0 как худший для связи случай. Потенциальная вероятность возникновения станционной помехи есть вероятность того, что одновременно с рассматриваемой ЛРС хотя бы одна из оставшихся (N — 1) ЛРС использует ту же частоту. Эта вероятность для случая работы на одной АГЧ в зоне радиовидимости N однотипных ЛРС может быть определена в соответствии с формулой

величина Z > 1, что говорит о возможности организации более К Л PC, работающих в режиме ППРЧ и использующих общую АГЧ объемом К, и может рассматриваться как выигрыш использования частотно-временного ресурса в режиме ППРЧ по сравнению с режимом ФНЧ.

Необходимо отметить,  что формулы (5.129) и (5.130) верны  при условии непересечения спектров сигналов, излучаемых на соседних частотах, т.е. ∆F = ∆f, где ∆F — ширина спектра сигнала (∆F ≈ R, R — скорость передачи данных), ∆f — шаг сетки частот ЛРС с ППРЧ.

На рис. 5.28 приведены графики зависимости потенциальной загрузки АГЧ от объема АГЧ при р_спдоп = 0,1 и типовых граничных значениях p ₁и р₂ (0,5 ≤ p₁ ≤0,9; 0,1≤ р₂ ≤0,3).

Анализ графиков, приведенных на рис. 5.28, позволяет сделать вывод о возможности широкого использования режима ППРЧ. При этом, за счет эффективного использования частотно-временного ресурса (при выполнении условия (5.130), количество ЛРС, использующих общую АГЧ и различные квазиортогональные программы ППРЧ, может превышать количество частот в АГЧ. Отсюда, с учетом возможности применения «трудновскрываемых» алгоритмов формирования частотных последовательностей, применяемых в ЛРС с ППРЧ, вытекает целесообразность использования режима ППРЧ в интересах защиты информации в  радиоканалах.

Глава     6

Использование принципов  пространственного и частотно-временного планирования для повышения тактической безопасности ТКС

6.1. История возникновения и развития сотовых систем связи

Долгие годы с момента возникновения радиосвязи более 100 лет назад удовлетворение постоянно растущих потребностей в связи осуществлялось за счет расширения используемого диапазона частот и совершенствования техники связи, в частности увеличения мощности передающих устройств в интересах увеличения дальности связи. Однако такое развитие не могло продолжаться вечно из-за природных и технических ограничений, а также из-за сложностей, возникающих при обеспечении информационной безопасности.

В середине 40-х годов исследовательским центром Bell Labs американской компании AT&T был предложен способ решения возникшей проблемы. Идея заключалась в разбиении обслуживаемой территории на небольшие участки, которые стали называться сотами (cell — ячейка, сота). Каждая сота должна была обслуживаться передатчиком с ограниченным радиусом действия и фиксированной частотой. С одной стороны, это способствовало бы существенной экономией частотного ресурса благодаря возможности повторного использования частот в соседних сотах, т.е. за счет реализации частотного планирования, а с другой — способствовало бы повышению тактической безопасности телекоммуникационных систем благодаря существенному уменьшению размеров зоны, в которой может вестись разведка, т.е. за счет реализации территориального планирования.

Однако прошло около 30 лет, прежде чем такой способ организации связи был реализован на аппаратном уровне. В 70-х годах начались работы по созданию единого стандарта сотовоу связи для пяти североевропейских стран — Швеции, Финляндии, Исландии, Дании и Норвегии, который получил название NMT-450 (Nordic Mobile Telephone) и был предназначен для работы в диапазоне 450 МГц. Эксплуатация первых систем сотовой связи этого стандарта началась в 1981 г. Сети на основе стандарта NMT-450 и его модифицированных версий стали широко использоваться в Австрии, Голландии, Бельгии, Швейцарии, а также в странах Юго-Восточной Азии и Ближнего Востока.    На базе этого стандарта в 1985 г. был разработан стандарт NMT-900 диапазона 900 МГц, который позволил расширить функциональные возможности и значительно увеличить абонентскую емкость системы.

В 1983 г. в США вступила в эксплуатацию сеть стандарта AMPS (Advanced Mobile Phone Service). Этот стандарт был разработан в исследовательском центре  Bell Laboratories.

В 1985 г. в Великобритании был принят в качестве национального стандарт TAGS (Total Access Communications System), разработанный на основе американского стандарта AMPS. В 1987 г. была расширена его рабочая полоса частот. Новая версия этого стандарта получила название ETACS (Enhanced TAGS). Во Франции в 1985 г. был принят стандарт  Radiocom-2000.

В конце 80-х годов приступили к созданию систем сотовой связи (ССС), основанных на цифровых методах обработки сигналов. С целью разработки единого европейского стандарта цифровой сотовой связи для выделенного в этих целях диапазона 900 МГц в 1982 г. Европейская конференция администраций почт и электросвязи (СЕРТ) создала специальную группу Groupe Special Mobile. Аббревиатура GSM дала название новому стандарту (позднее GSM стали расшифровывать как Global System for Mobile Communications). Результатом работы этой группы стали опубликованные в 1990 г. требования к системе ССС стандарта GSM.

В США в 1990 г. американская Промышленная ассоциация в области связи (Telecommunications Industry Association, TIA) утвердила национальный стандарт цифровой сотовой связи IS-54. Этот стандарт более известен под аббревиатурой D-AMPS или ADC. В отличие от Европы в США не были выделены новые частотные диапазоны, поэтому система должна была работать в полосе частот, общей с обычным AMPS. В то же время американская компания Qualcomm начала разработку нового стандарта сотовой связи, основанного на технологии шумоподобных сигналов и кодовом разделении каналов, — CDMA (Code Division Multiple Access).

В 1991 г. в Европе появился стандарт DCS-1800 (Digital Cellular System 1800 МГц), созданный на базе стандарта GSM.

В Японии был разработан собственный стандарт сотовой связи JDC (Japanese Digital Cellular), близкий по своим показателям к стандарту D-AMPS. Стандарт JDC был утвержден в 1991 г. Министерством почт  и  связи  Японии.

В 1993 г. в США Промышленная ассоциация в области связи (TIA) приняла стандарт CDMA как внутренний стандарт цифровой сотовой связи, назвав его IS-95. В сентябре 1995 г. в Гонконге была открыта коммерческая эксплуатация первой сети стандарта IS-95.

В 1993 г. в Великобритании вступила в эксплуатацию первая сеть , DCS-1800 One-2-One.

цифровые системы, третье — универсальные системы мобильной связи.

К аналоговым ССС относятся следующие стандарты:

•  AMPS (усовершенствованная мобильная телефонная служба, диапазон 800 МГц) — широко используется в США, Канаде, Центральной и Южной Америке, Австралии, это наиболее распространенный стандарт в мире,   используется  в России  в качестве регионального стандарта;

•  TACS (общедоступная система связи, диапазон 900 МГц) — используется в Великобритании, Италии, Испании, Австрии, Ирландии с модификациями ETACS (Великобритания) и JTACS/NTACS (Япония), это второй по распространенности стандарт среди аналоговых;

•  NMT-450 и IMMT-900 (мобильный телефон северных стран, диапазоны 450 и 900 МГц соответственно) — используется в Скандинавии и во многих других странах, третий по распространенности среди аналоговых стандартов мира, стандарт NMT-450 принят в России в качестве федерального;

•  С-450 (диапазон 450 МГц) — используется в Германии и  Португалии;

•  RTMS (Radio Telephone Mobile System — мобильная радиотелефонная система, диапазон 450 МГц) — используется в Италии;

•   Radiocom 2000 (диапазоны 170, 200, 400 МГц) — используется во Франции;

•   IMTT (Nippon Telephone and Telegraph system — японская система телефона и телеграфа,  диапазон 800-900 МГц) — используется   в Японии.

Характеристики ССС основных аналоговых стандартов представлены   в табл.   6.1.

Во всех аналоговых стандартах применяется метод множественного доступа с частотным разделением каналов (Frequency Division Multiple Access, FDMA), частотная (ЧМ) или фазовая (ФМ) модуляция для передачи речи и частотная манипуляция для передачи информации управления. Аналоговые ССС имеют ряд существенных недостатков, основными из которых являются: относительно низкая емкость из-за недостаточно рационального использования выделенной полосы частот при частотном разделении каналов; возможность прослушивания разговоров другими абонентами; отсутствие эффективных методов борьбы с замираниями сигналов из-за влияния окружающего ландшафта и зданий или вследствие  передвижения  абонентов.

Перечисленные недостатки обусловили появление цифровых ССС. Переход к цифровым системам также стимулировался широким внедрением цифровой техники в отрасль связи и в значительной степени был обеспечен разработкой низкоскоростных методов.

Переход к цифровым системам натолкнулся на некоторые трудности. В США аналоговый стандарт AMPS получил столь широкое распространение, что прямая замена его цифровым стандартом оказалась практически невозможной. Выход был найден в разработке двухрежимной аналого-цифровой системы, позволяющей совмещать работу аналоговой и цифровой систем в одном и том же диапазоне. Разработанный стандарт получил наименование D-AMPS или IS-54 (IS — сокращение от Interim Standard, т.е. «промежуточный стандарт»). В Европе ситуация осложнялась наличием множества несовместимых аналоговых систем. Здесь выходом оказалась разработка единого общеевропейского стандарта GSM (GSM-900 — диапазон 900 МГц). Цифровой стандарт, . по техническим характеристикам схожий с D-AMPS, был разработан в Японии. Первоначально он назывался JDC, а с 1994 г. — PDC (Personal Digital Cellular — «персональная цифровая сотовая связь»).

Стандарт D-AMPS дополнительно усовершенствовался за счет введения нового типа каналов управления (КУ). Цифровая версия IS-54 сохранила структуру КУ аналогового AMPS, что ограничивало возможности системы. Новые чисто цифровые КУ были введены в версии IS-136. При этом была сохранена совместимость с AMPS и IS-54, но повышена емкость каналов управления и расширены функциональные возможности системы. Позже было принято решение обозначать этот стандарт GSM-1800. В США диапазон 1800 МГц оказался занят другими пользователями, но была найдена возможность выделения полосы частот в диапазоне 1900 МГц,  который получила в Америке название диапазона

для систем персональной связи (Personal Communications Systems, PCS) в отличие от диапазона 800 МГц, за которым сохранено название сотового (cellular). Освоение диапазона 1900 МГц началось с конца 1995 г. Работа в этом диапазоне предусмотрена стандартом D-AMPS, и разработана соответствующая версия стандарта GSM (американский GSM-1900 — стандарт IS-661).

Все перечисленные выше цифровые системы второго поколения основаны на методе множественного доступа с временным разделением каналов (Time Division Multiple Access, TDMA). Однако уже в 1992-1993 гг. в США был разработан стандарт ССС на основе метода множественного доступа с кодовым разделением каналов (Code Division Multiple Access, CDMA) — стандарт 15-95 (диапазон 800 МГц). Он начал применяться с 1995-1996 гг. в Гонконге, США, Южной Корее, а в США начала использоваться версия этого стандарта для диапазона 1900 МГц.

Основные цифровые стандарты  ССС:

•  D-AMPS (Digital AMPS — цифровой AMPS, диапазоны 800 МГц и  1900  МГц);

•  GSM (Global System for Mobile communications — глобальная система мобильной связи, диапазоны 900, 1800 и 1900 МГц) — второй по распространенности стандарт мира;

•  CDMA (диапазоны 800 и 1900 МГц);

•  JDC (Japanese Digital Cellular — японский стандарт цифровой сотовой  связи).

Цифровые стандарты находят все большее распространение, благодаря своим достоинствам. Они потенциально обладают большей помехозащищенностью в сравнении с аналоговыми. Еще одно важное свойство цифровых систем заключается в том, что в них применимы технические решения, обеспечивающие информационную безопасность, а именно аутентификацию и секретность абонентов, секретность перемещений абонентов и секретность передаваемой информации.

Цифровые системы сотовой связи могут быть объединены другими цифровыми системами связи в единую сеть связи с интеграцией служб (ЦСИС) и работать с использованием интеллектуальных сетей.

Характеристики цифровых стандартов представлены в табл. 6.2.

6.2. Особенности построения и функционирования сетей сотовой связи

6.2.1. Общие положения

Система сотовой связи строится в виде совокупности ячеек (сот), покрывающих обслуживаемую территорию. Ячейки обычно схематически изображают в виде правильных шестиугольников. В центре каждой ячейки находится базовая станция (БС), обслуживающая все подвижные станции (ПС) в пределах своей ячейки. При перемещении абонента между ячейками системы происходит передача обслуживания от одной БС к другой — эстафетная передача (handover). Все БС соединены с центром коммутации (ЦК) подвижной связи по выделенным проводным или радиорелейным каналам связи. При больших размерах системы сотовой связи в ней могут создаваться дополнительные центры коммутации. С центра коммутации имеется выход на телефонную сеть общего пользования (ТфОП), через которую осуществляется взаимодействие систем сотовой связи. При перемещении абонента на территорию другой системы сотовой связи осуществляется передача  его обслуживания от

одной системы к другой — роуминг (roaming).   На рис. 6.1 приведена упрощенная функциональная схема системы сотовой связи.

6.2.2. Подвижная станция

Блок-схема цифровой ПС приведена на рис. 6.2. В ее состав входят блок управления,  приемопередающий блок, антенный блок.

Блок управления включает в себя микротелефонную трубку (микрофон и динамик), клавиатуру и дисплей. Клавиатура предназначена для набора номера телефона вызываемого абонента, а также команд, определяющих режим работы станции. Дисплей предназначен для отображения информации, предусматриваемой устройством и режимом  работы  станции.

Приемопередающий блок состоит из передатчика, приемника, синтезатора частот  и  логического блока. В состав передатчика  входят:

•  аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — преобразует в цифровую форму сигнал с выхода микрофона (вся последующая обработка и передача сигнала речи производится в цифровой форме);

•  кодер речи—осуществляет кодирование сигнала речи, т.е. преобразование цифрового сигнала с целью сокращения его избыточности;

•  кодер канала — осуществляет кодирование и перемежение передаваемого сигнала с целью защиты от ошибок при передаче по радиоканалу, кроме того, кодер канала вводит в состав передаваемого сигнала информацию управления, поступающую от логического блока;

•  модулятор — осуществляет перенос информации кодированного видеосигнала на несущую частоту.

Приемник  по составу соответствует  передатчику,   но с обратными функциями  входящих в  него блоков:

•  демодулятор — выделяет из модулированного радиосигнала кодированный  видеосигнал,  несущий информацию;

•  эквалайзер — предназначен  для  частичной  компенсации  искажений сигнала из-за многолучевого распространения (фактически это адаптивный фильтр настраиваемый по входящей в состав передаваемой информации обучающей последовательности символов).  Блок эквалайзера не является функционально необходимым и в некоторых случаях может отсутствовать;

•  декодер  канала — обнаруживает  и  исправляет  ошибки  в  принятом сигнале, осуществляет его деперемежение,   а также выделяет из входного потока и направляет в логический блок управляющую информацию;

•  декодер речи — восстанавливает сигнал речи в цифровом виде со свойственной  ему избыточностью;

•   ЦАП — преобразует принятый цифровой сигнал речи в аналоговую форму и  подает его на  вход динамика.

Логический блок — это микрокомпьютер, осуществляющий управление   работой   ПС.

Синтезатор является источником колебаний несущей частоты, используемой для передачи информации по радиоканалу. Наличие гетеродина и преобразователя частоты обусловлено тем, что для передачи и приема используются различные участки диапазона частот.

Антенный блок включает в себя антенну (в простейшем случае четвертьволновой штырь) и коммутатор прием/передача. Последний для цифровой станции может представлять собой электронный коммутатор, подключающий антенну либо на выход передатчика, либо на вход приемника, так как ПС цифровой системы никогда не работает на прием и   передачу одновременно.

Представленная на рис. 6.2 блок-схема ПС является упрощенной. На ней не показаны усилители, селектирующие цепи, генераторы сигналов синхрочастот и цепи их разводки, схемы контроля мощности на передачу и прием и управления ею, схема управления частотой генератора для работы на определенном частотном канале и т.п. Для обеспечения конфиденциальности передачи информации в некоторых системах используется режим шифрования. В этих случаях передатчик и приемник ПС включают соответственно блоки шифратора и дешифратора сообщений. В ПС системы GSM предусмотрен специальный съемный модуль идентификации абонента (Subscriber Identity Module, SIM). Подвижная станция системы GSM включает также детектор речевой активности (Voice Activity Detector), который с целью экономного расходования энергии источника питания (уменьшения средней мощности излучения), а также снижения Уровня помех, создаваемых для других станций при работающем передатчике,  включает  передатчик  на  излучение  только на  те  интервалы времени, когда абонент говорит. На время паузы в работе передатчика в приемный тракт дополнительно вводится комфортный шум. В некоторых случаях в ПС могут входить отдельные терминальные устройства (например, факсимильный аппарат), подключаемые через специальные адаптеры с использованием соответствующих интерфейсов.

Аналоговая ПС отличается от рассмотренной цифровой отсутствием блоков АЦП/ЦАП и кодека, но при этом имеет громоздкий дуплексный антенный переключатель, что вызвано необходимостью одновременной работы  на  передачу и  прием.

6.2.3. Базовая станция

Особенностью организации связи с подвижными абонентами является наличие глубоких замираний в радиоканале. Для повышения качества приема на БС применяют разнесенный прием.   Это обусловливает необходимость установки на БС не менее двух приемных антенн. Кроме того, БС может иметь раздельные антенны на передачу и прием.   Еще одна особенность БС — наличие нескольких приемников и такого же числа передатчиков для обеспечения одновременной работы на нескольких каналах с различными частотами. Блок-схема БС показана на рис. 6.3.

Одноименные приемники и передатчики имеют общие перестраиваемые опорные генераторы, обеспечивающие их согласованную перестройку при переходе с одного канала на другой. Число приемопередатчиков N определяется конструкцией и комплектацией БС.   Для обеспечения одновременной работы N приемников на одну приемную и N передатчиков на одну передающую антенну между приемной антенной и приемниками устанавливается делитель мощности на N выходов, а между передатчиками и передающей антенной —сумматор мощности на N входов.

Приемник и  передатчик имеют ту же структуру,  что и  в ПС,  за исключением того,  что в них отсутствуют ЦАП  и АЦП,  поскольку и входной сигнал передатчика, и выходной сигнал приемника имеют цифровую  форму.

Контроллер БС (компьютер) обеспечивает управление работой станции, а также контроль работоспособности всех входящих в нее блоков  и   узлов.

Блок сопряжения с линией связи осуществляет упаковку информации, передаваемой по линии связи на ЦК, и распаковку принимаемой от него информации. Для связи БС с ЦК (если они территориально не располагаются в одном месте) обычно используется радиорелейная или  волоконно-оптическая линия.

Для обеспечения надежности многие блоки и узлы БС резервируют (дублируют), в состав станции включаются автономные источники бесперебойного питания (аккумуляторы).

В стандарте GSM используется понятие «система базовой станции» (СБС). В СБС входят контроллер базовой станции (КБС) и несколько базовых приемопередающих станций (БППС). В частности, каждая из трех БППС, расположенных в одном месте и замыкающихся на общий КБС, могут обслуживать свой 120-градусный азимутальный сектор в пределах соты, а шесть БППС с одним КБС — шесть 60-градусных секторов.

В стандарте D-AMPS в аналогичном случае используют соответственно три или шесть независимых БС, расположенных в одном месте, причем каждая БС работает со своим контроллером на свою секторную  антенну.

6.2.4. Центр коммутации

Центр коммутации — это автоматическая телефонная станция ССС, обеспечивающая все функции управления сетью. Центр коммутации осуществляет постоянное слежение за ПС, организует их эстафетную передачу, в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении ПС из соты в соту и переключение рабочих каналов в соте при появлении  помех или  неисправностей.

На ЦК замыкаются потоки информации со всех БС, и через него осуществляется выход на другие сети связи — стационарную телефонную сеть общего пользования, сети междугородной связи, спутниковой связи, другие сотовые сети. В состав ЦК входит несколько контроллеров (процессоров).   Блок-схема ЦК представлена на рис. 6.4.

Коммутатор подключается к линиям связи через контроллеры связи, осуществляющие промежуточную обработку (упаковку/распаковку, буферное хранение) потоков информации. Управление работой ЦК и системы в целом производится от центрального контроллера. Работа ЦК предполагает участие операторов, поэтому в состав центра входят терминалы и средства отображения и регистрации (документирования) информации. Операторы, в частности, вводят данные об абонентах и условиях их обслуживания, исходные данные по режимам работы системы, а в экстренных случаях операторы непосредственно управляют сетью,  выдавая  необходимые команды.

Важными элементами системы являются базы данных (БД) — домашний регистр, гостевой регистр, центр аутентификации, регистр аппаратуры.

Домашний регистр (регистр местоположения — Home Location Register, HLR) содержит сведения обо всех абонентах, зарегистрированных в данной системе, и о видах услуг, которые могут быть им оказаны. В нем фиксируется местоположение абонента для организации его вызова и регистрируются фактически оказанные услуги.

Гостевой регистр (регистр местоположения — Visitor Location Register, VLR) содержит сведения об абонентах-гостях (роумерах), т.е. об абонентах, зарегистрированных в другой системе, но пользующихся в настоящее время услугами сотовой связи в данной системе.

Центр аутентификации (Authentication Centre) обеспечивает процедуры аутентификации абонентов и шифрования сообщений.

Регистр аппаратуры (регистр идентификации — Equipment Identity Register, EIR) содержит сведения о мобильных станциях на предмет их исправности и санкционированного использования. В частности, в нем могут отмечаться украденные абонентские аппараты, а также аппараты, имеющие технические дефекты, например являющиеся источниками помех недопустимо высокого уровня.

В ЦК, как и в БС, осуществляется резервирование основных элементов аппаратуры, включая источники питания, процессоры и базы данных. Центры коммутации, изготовленные различными компаниями-изготовителями,  могут существенно различаться.

6.2.5.  Интерфейсы сотовой связи

В каждом стандарте сотовой связи используется несколько интерфейсов, в общем случае различных в разных стандартах. Предусмотрены интерфейсы для связи ПС с БС, БС с ЦК (а в стандарте GSM предусмотрен отдельный интерфейс для связи приемопередатчика БС с КБС), ЦК с домашним регистром, с гостевым регистром, с регистром аппаратуры, со стационарной телефонной сетью и другие интерфейсы.

Все интерфейсы подлежат стандартизации для обеспечения совместимости аппаратуры разных фирм-изготовителей, что не исключает возможности использования различных интерфейсов, определяемых разными стандартами, для одного и того же информационного стыка. В некоторых случаях используются уже существующие стандартные интерфейсы, например соответствующие протоколам обмена в цифровых информационных сетях.

Интерфейс обмена между ПС и БС носит название эфирного интерфейса или радиоинтерфейса (air interface) и для двух основных стандартов цифровой сотовой связи (D-AMPS и GSM) обычно обозначается одинаково — Dm, хотя организован по-разному. Эфирный интерфейс обязательно используется в любой ССС при любой ее конфигурации и в единственно возможном для своего стандарта сотовой связи варианте. Данное обстоятельство позволяет ПС любой фирмы-изготовителя успешно работать совместно с БС той же или любой другой фирмы, что удобно для компаний-операторов и необходимо для организации роу-минга. Разработке стандартов эфирного интерфейса уделяется особое внимание с целью обеспечения эффективного использования полосы частот, выделенной для канала радиосвязи.

6.3. Использование принципов

пространственного и частотно-временного планирования для повышения тактической безопасности ТКС

6.3.1. Реализация пространственного планирования

Сотовый принцип построения ТКС. Как отмечалось ранее, сотовые подвижные системы связи строят на основе частотно-территориальных планов (ЧТП). При составлении ЧТП обслуживаемую территорию разделяют между базовыми станциями. Если на БС используется всенаправленная антенна, то граница территории, которую обслуживает одна БС, — окружность, в центре которой располагается БС. Однако в результате взаимного наложения форма зон обслуживания базовых станций трансформируется из окружности в шестиугольник — соту (рис.   6.5).

Таким образом, сота — это территория, обслуживаемая одной БС при всенаправленных антеннах. Каждая БС поддерживает радиосвязь с абонентскими станциями, находящимися в своей соте. Во избежание взаимных помех соседние БС работают на разных частотах. Каждой соте присваивается частотная группа, и для всей ССПС составляется частотно-территориальный  план.                

Принцип   частотно-территориального планирования позволяет снизить дефицит радиоканалов  за   счет   их   повторного   использования.    Быстрое затухание УКВ-радиоволн на многочисленных препятствиях  на трассе распространения (здания, холмы, деревья  и т.д.)    позволяет применять одни и те же радиоканалы в различных сотах сети, отстоящих друг от друга на определенном расстоянии. Группу сот, в пределах которой повторное использование одних и тех же радиоканалов недопустимо из-за превышения порогового уровня взаимных помех, называют кластером. В общем случае сеть сотовой связи строят, повторяя одни и те же кластеры в пределах зоны охвата.

Повышение спектральной эффективности системы требует максимально частого повторного использования радиоканалов. Для того чтобы сделать это, не уменьшая радиусы сот и мощности передатчиков БС, применяют секторизацию сот с помощью направленных антенн. Ширина диаграммы направленности (ДН) антенны соответствует угловому размеру сектора. Как правило, в мобильной сотовой связи используют антенны с шириной ДН 120° (трехсекторные соты), реже — с шириной ДН 90° (четырехсекторные соты) и 60° (шестисекторные соты). Таким образом, кластер состоит из п сот, каждая из которых может иметь m секторов. Говорят, что размерность кластера в этом случае (n,m x п), где (m х п) — число секторов в кластере. На практике широко применяют кластеры типа (3, 9), (4, 12), (7, 21) (рис. 6.6).

Чем больше спектральная эффективность системы, тем меньшие кластеры можно использовать. В аналоговых системах сотовой связи (NMT) обычно используют кластеры больших размеров (7, 21), в цифровых системах (GSM) — малых размеров (3, 9), (4, 12). Это объясняется тем, что помехоустойчивость цифровых систем выше, чем аналоговых, и они могут обеспечить заданное качество связи при большем уровне взаимных помех: пороговое отношение сигнал/шум для цифровых систем составляет от 7 (CDMAOne) до 9 дБ (GSM), для аналоговых от 10 (AMPS) до 18 дБ (IMMT).

Спектральная эффективность систем CDMA выше, чем FDMA и TDMA, за счет того, что при кодовом разделении каждый из радиоканалов занимает весь частотно-временной ресурс и взаимные помехи определяются не частотой или временным положением сигналов, а корреляционными свойствами адресных последовательностей. Поэтому в системах CDMA в каждом из секторов соты используют одни и те же радиоканалы (односотовые кластеры), но при этом каждой соте соответствует свой, отличный от других, набор адресных последовательностей. Таким образом, секторизация сот в системах CDMA в идеале приводит к увеличению абонентской емкости соты в число раз, равное  количеству секторов.

В целях максимально эффективного использования ресурса системы в сетях сотовой связи применяют динамическое распределение каналов, при котором рабочие каналы закрепляют не за абонентами (как в ТфОП), а за вызовами. По мере поступления заявок на установление соединения абонентам в соответствии с приоритетом и очередностью выделяют свободные рабочие каналы. По мере окончания разговора каналы освобождаются, и ими пополняют банк свободных рабочих каналов  в системе.

Еще одной мерой, предпринимаемой для увеличения пропускной способности сети, служит автоматическое регулирование мощности (АРМ) передатчиков ПС, а в современных системах — и передатчиков БС. Решение об изменении мощности передатчиков принимают на основании измерений уровня сигнала в специальном контрольном канале и отношения сигнал/шум в канале трафика. Высокая точность и быстродействие АРМ современных систем сотовой связи позволяют также эффективно бороться и с искажениями сигналов на трассе распространения (медленные и быстрые, гладкие и селективные замирания).

При кодовом разделении каналов к характеристикам систем АРМ предъявляют особенно высокие требования. Это вызвано тем, что радиоканалы системы CDMA перекрываются как по времени, так и по частоте. При существенном различии уровней сигналов в точке приема более сильные сигналы одних абонентов будут маскировать более слабые сигналы других, что приведет к потере связи и, как следствие, к Резкому ограничению пропускной способности сети.

Наличие системы АРМ позволяет эффективно варьировать размеры сот в зависимости от плотности размещения абонентов в зоне обслуживания сети. Например, при увеличении плотности размещения абонентов от периферии к центру целесообразно увеличивать радиусы сот в Управлении от центра к периферии. Это позволит уменьшить количество БС в сети за счет более эффективного их использования.

Изменение размеров сот в пределах одной сети называют расщеплением сот (cell splitting). На рис. 6.7 показана топология сети с расщеплением сот. Как видно из рисунка, при использовании расщепления возможно два типа сот: с одинаковыми секторами («большие» и «малые» соты) и с разными секторами («переходные» соты).

В зависимости от радиуса соты R_c различают макросоты с Я_с ≥ 0,5 км, микросоты с R_c < 0,5 км и пикосоты радиусом несколько десятков метров. Макросоты предназначены для обслуживания абонентов в быстро передвигающемся транспорте, микросоты и пикосоты целесообразны при медленном перемещении абонентов. Микросоты впервые были реализованы в системах беспроводных телефонов. Пикосоты служат для обслуживания абонентов в городских районах с большой плотностью населения и в закрытых зонах (подземные гаражи, вокзалы,   универмаги).

Особенности построения ССПС с макросотовой структурой. Как отмечалось ранее, первыми моделями повторного использования частот были модели с круговыми диаграммами направленности (ДН) антенн базовых станций. В сетях цифровых ССПС для сот с круговой ДН антенн применяют модель повторного использования частот, включающую семь или девять сот. На рис. 6.8 показана модель повторного использования  частот для семи сот.

Повторное использование частот в сотовых системах связи приводит к возникновению соканальных помех, т.е. помех по совпадающим частотным каналам, которыми являются сигналы, приходящие из соседних  кластеров.

Эффективным способом снижения уровня соканальных помех, как уже отмечалось, является использование секторных антенн. В секторе направленной антенны сигнал излучается в одну сторону, а уровень излучения в противоположном направлении сокращается до минимума. Секторизация сот позволяет более часто повторно применять частоты в

сотах при одновременном снижении уровня помех. Общеизвестной моделью повторного использования частот в секторизованных сотах является кластер, включающий три соты с 120-градусными антеннами на БС. В этом случае в системе формируется девять групп частот (рис. 6.9).

Самую высокую эффективность использования полосы частот, т.е. наибольшее число абонентов сети в выделенной полосе частот, обеспечивает разработанная фирмой Motorola (США) модель повторного использования частот, включающая четыре соты с шестью 60-градусными антеннами на БС. Как следует из схемы, показанной на рис. 6.10, каждая частота используется дважды в пределах кластера.

Например, в сети GSM с общей полосой 7,2 МГц (36 частот) модель повторного использования частот четырьмя БС позволяет на одной БС одновременно применять 18 частот (в модели с тремя БС таких частот 12).    Емкость сети возрастает на 50 %.

В любой ССПС емкость сетей зависит от количества каналов связи в соте N, которое, например, для стандартов с временным разделением

Рис. 6.10. Модель повторного использования частот, включающая четыре БС

каналов определяется выражением

где F — полоса частот ССПС; f = F_k/n — эквивалентная полоса частот, приходящаяся на один речевой канал; F_k — полоса частот одного радиоканала; п — число временных позиций в TDMA; F/f — число речевых каналов связи; k — коэффициент повторного использования частот.

В табл. 6.3 приведены значения количества каналов N на соту для ССПС различных стандартов при разных коэффициентах повторного использования частот.

Таблица   6.3

Как следует из этой таблицы, при одинаковой полосе частот ССПС наибольшее число каналов на соту и, следовательно, наибольшая емкость сетей могут быть реализованы в стандартах GSM и JDC в полускоростном канале связи.

Структура сот и схемы повторного использования частот разрабатывались при условии, что местоположение подвижного абонента заранее неизвестно и  непредсказуемо.

В отличие от этой концепции в настоящее время развивается новое направление в подвижной связи, основанное на использовании интеллектуальных антенных систем, автоматически перестраивающих свои диаграммы направленности на источник излучения сигнала.

Интеллектуальные антенные системы разрабатываются и применяются уже много лет. Однако их реализация в коммерческих системах была невыгодна до недавнего времени. Ситуация изменилась после появления дешевых специализированных сигнальных процессоров, реализующих алгоритмы управления диаграммой направленности антенн в цифровых сотовых системах связи.

В настоящее время развиваются два способа построения интеллектуальных антенных систем, основанных на коммутировании лучей и адаптации диаграммы направленности. Оба способа предполагают увеличение коэффициента усиления антенны в направлении на абонентскую станцию. При этом адаптивные антенны обеспечивают и уменьшение уровня  соканальных помех.

Интеллектуальная антенная система состоит из нескольких антенн, объединенных электронной схемой с фазовыми и амплитудными анализаторами. По результатам анализа принимаемых сигналов, поступающих на различные элементы антенны, вычисляется направление оптимального приема. Сигнальный процессор в реальном масштабе времени формирует суммарную диаграмму направленности антенн на источник излучения с учетом частоты принимаемого сигнала и некоторых других параметров. Так, использование адаптации диаграммы направленности антенной системы для одной соты ССПС-TDMA позволяет увеличить нагрузку (количество абонентов или объем передаваемой информации) в системе связи до шести раз по отношению к обычной системе TDMA.

Практическая реализация интеллектуальных антенных систем представляется весьма перспективной для сотовой связи независимо от реализуемого стандарта. При их применении на практике не будет требоваться уменьшение размеров сот при возрастании нагрузки, а будет необходимо всего лишь внедрение новых аппаратных средств и соответствующего программного обеспечения.

Микросотовая структура систем подвижной связи. Следующий шаг развития сотовых систем подвижной связи после введения цифровой технологии — переход к микросотовой структуре сетей. При уменьшении радиуса сот до нескольких сотен метров емкость (количество абонентов) ССПС может быть увеличена в 5-10 раз по сравнению с использованием   макросот.

Микросотовая структура ССПС органически сочетается с макросотами. Микросоты строятся на основе БС небольшой мощности, обслуживающих участки улиц, помещения в зданиях (магазины, аэропорты, вокзалы и т.д.). Микросоты берут на себя нагрузку от медленно перемещающихся абонентов,  например  пешеходов.

Микросотовая структура может рассматриваться как результат замены оборудования макросотовой базовой станции на совокупность пространственно распределенных маломощных микросотовых базовых станций, управляемых единым контроллером. Принципы построения создаваемых микросотовых сетей подвижной связи отличаются от существующих для макросотовых сетей отсутствием частотного планирования и алгоритмами «эстафетной передачи».

Первое отличие связано с тем, что в условиях микросот трудно спрогнозировать условия распространения радиоволн и дать оценку уровня соканальных помех. В этом случае практически невозможно применять принципы частотного планирования, реализуемые в макросотах. Кроме того, фиксированное распределение каналов приводит к низкой эффективности использования спектра частот. По данным причинам в микросотовых сетях связи реализуется процедура автоматического адаптивного  распределения  каналов связи.

Что касается второго отличия, то в микросотовых сетях в процессе обычного телефонного соединения число переключений между БС возрастает, и для обеспечения непрерывности связи необходимы новые быстродействующие алгоритмы переключения. В микросотовой структуре нет необходимости нагружать сеть измерением уровня радиосигнала для принятия решения о переключении. Функции измерения переданы подвижной станции, которая передает его результаты на БС. В процессе переключения не требуется синхронизировать БС. Центр коммутации подвижной связи не задействуется до тех пор, пока не будет выполнено фактическое переключение.

Микросотовая структура используется при реализации сетей в рамках концепции персональной связи, которые в Европе создаются на основе стандарта DCS-1800, предусматривающего соответствие радиоинтерфейса стандарту GSM. В рамках реализации концепции персональной связи в структуру сетей вводятся пикосоты с радиусом 10-60 м, предназначенные для обслуживания абонентов в городских районах с большой плотностью населения и в закрытых зонах (офисы, жилые помещения, подземные гаражи, вокзалы и т.д.). Применение пикосот —еще один значительный  шаг к повышению емкости ССПС.

6.3.2. Реализация частотно-временного планирования

Применение многостанционного доступа. Под многостанционным доступом (МД) понимают такой режим работы системы,  при котором имеет место одновременная работа нескольких станций через общий ретранслятор. В системах сотовой связи в качестве ретранслятора выступает базовая станция.

Применение МД позволяет обеспечить эффективное использование ресурсов ретранслятора: частотного, временного, энергетического. По сути, многостанционный доступ представляет собой мультиплексирование в системах радиосвязи. Различают МД с частотным (МДЧР), временным (МДВР) и кодовым разделением  (МДКР)  каналов.

Многостанционный доступ с частотным разделением каналов. При МДЧР диапазон частот ретранслятора делится на полосы, необходимые для организации каналов связи, которые закрепляются за станциями системы. Во избежание возникновения взаимных помех каналы разделяются защитными частотными интервалами. Рисунок 6.11 поясняет принцип многостанционного доступа с частотным разделением каналов.

При многостанционном доступе с временным разделением каналов за станциями системы закрепляются временные интервалы (окна), в течение которых они осуществляют передачу информации на одной несущей частоте. Сигналы станций, передаваемые в закрепленные временные интервалы называют пакетами. Во избежание возникновения взаимных помех пакеты разделяются защитными временными интервалами (ЗВИ). Период повторения пакетов называется кадром. Рисунок 6.12 поясняет принцип многостанционного доступа с частотным разделением   каналов.

Пакеты содержат преамбулу и информационную часть. Пакеты, излучаемые базовой станцией, в преамбуле содержат сигналы, предназначенные для поддержания кадровой синхронизации в системе. В преамбулу пакетов, излучаемых абонентскими станциями, могут быть включены  сигналы опознавания.

Многостанционный доступ с кодовым разделением каналов основан на применении описанных ранее шумоподобных сигналов (ШПС), излучаемых на общей несущей частоте. Для получения ШПС выполняется прямое расширение спектра частот с помощью псевдослучайной последовательности (ПСП). Закрепление за каждым абонентом определенного (абонентского) ансамбля ортогональных сигналов ПСП (или кодовых последовательностей) дает возможность исключить интерференционные помехи между сигналами при приеме и осуществить их различение  по форме.

В качестве ортогональных ПСП в системах сотовой связи применяют составные ПСП, сформированные на основе М-последовательностей и  функций  Уолша.

Дуплексное разделение каналов. Для обеспечения дуплексного режима работы средств связи, т.е. для обеспечения одновременной работы на прием и  на передачу,  применяются следующие методы дуплексного разделения  каналов:

•  дуплекс с частотным разделением каналов — FDD;

•  дуплекс с временным разделением каналов — TDD.

Дуплексное частотное разделение каналов применяют в ССПС, где

согласно плану частот для линии вверх (передача от АС к БС) и линии вниз (передача от БС к АС) назначены разные полосы частот.

Дуплексное временное разделение каналов используется в системах, где на линиях вверх и вниз используется одна и та же несущая частота. В этом режиме не требуется спаренный диапазон частот, что позволяет более эффективно распределять каналы. Трафик на линиях может быть асимметричным (например, доступ в Интернет). Признано, что абонентский терминал при TDD проще, чем при FDD.

Частотные планы систем сотовой связи. Как отмечалось ранее, существенное влияние на эффективность функционирования систем сотовой связи и защиты передаваемой в них информации оказывает частотно-временное планирование, имеющее целью распределение закрепленного за системой частотно-временного ресурса.

Частотно-временное планирование систем сотовой связи осуществляется в соответствии с частотными планами, определяемыми стандартами  систем.

Частотные планы стандарта NMT-450. Основной частотный план стандарта NMT-450 показан на рис. 6.13,а. Полоса частот приема (передачи) системы составляет 4,5 МГц, что позволяет организовать 180 речевых каналов. Для каждого речевого канала отводится полоса частот шириной 25 кГц, из которых 9 кГц — защитный частотный интервал и 16 кГц — ширина спектра ЧМ сигнала. Частота сдвига, определяемая как разность частот передачи и приема для каждого речевого канала равна 10 МГц. Основной план содержит 180 частотных каналов. Каналы нумеруются подряд: 1, 2, 3,..., 180 (для основного плана). Для канала 1 средняя частота приема базовой станции F_r = 453000 + 12,5 = 453012,5 кГц.

Рис. 6.13. Планы частот стандарта NMT-450: а — основной; 6— дополнителный

Для канала с номером z основного плана средняя частота приема базовой станции,  выраженная в мегагерцах,

В системе используется также дополнительный частотный план (рис. 6.13,6). Он позволяет организовать еще 179 частотных каналов с номерами 181,..., 359, причем несущие речевых каналов основного и дополнительного плана сдвинуты на частоту, равную половине ширины полосы канала (на 12,5 кГц). Для канала с номером z дополнительного плана средняя частота приема базовой станции, выраженная  в  мегагерцах,

Для увеличения пропускной способности организуют системы с перемежающимися каналами, которые используют сразу основной и дополнительный   планы.

Предусмотрена еще одна возможность увеличения пропускной способности системы путем использования плана частот с увеличенным числом частотных каналов, в котором полоса частот, отводимая на один канал, составляет 20 кГц и общее число частотных каналов 225.

Соседние частотные каналы в соте должны быть разнесены не менее чем на 175 кГц. Обычно все частотные каналы плана делят на группы, так что в группу с номером G объединяют каналы с номерами G, G + N, G + 2N,..., где N — размерность кластера.  На одной БС может быть организовано до 16 частотных каналов, из которых 15 — каналы трафика и 1 — канал управления. По каналу управления БС постоянно передает сигнал-идентификатор канала вызова, позволяющий АС определять свое положение, а также сигналы пейджинга для АС. После того как АС ответит по этому каналу, ей предоставляется один из каналов

Рис. 6.14. Частотные планы стандартов: a— NMT-900; б— GSM-900; в—  DCS-

1800

трафика для переговоров. Для любой БС канал трафика может быть в одном из следующих состояний: «свободный», «занятый» и «холостой». «Свободный» используется для инициирования вызова со стороны АС. Радиопередатчик этого канала всегда включен. Канал, предоставленный для ведения переговоров, называется «занятым», он же используется для вызова со стороны всех БС. Его радиопередатчик включается только на время сеанса связи. «Холостой» канал — тот, который не используется в данный момент.  Его радиопередатчик выключен.

Частотные планы цифровых стандартов GSM-900 и DCS-1800. В диапазоне 900 МГц для ССПС отведена полоса частот 890-960 МГц. В этом диапазоне работают системы стандарта NMT-900 и системы стандарта GSM-900 по частотным планам, показанным на рис. 6.14,а и 6.

В аналоговом стандарте NMT-900 полоса частот, отведенная для одного речевого канала, такая же, как и в NMT-450. Полоса частот приема (передачи) увеличена до 25 МГц, что позволяет организовать 1000 речевых  каналов.

В цифровых стандартах GSM-900 и DCS-1800 полоса частот, отведенная на один частотный канал, составляет 200 кГц. Согласно плану частот стандарта GSM-900 (рис. 6.14,6) в этом стандарте 124 частотных канала. Полоса частот, занимаемая стандартом для приема (или передачи), составляет 25 МГц. Сдвиг между частотами приема и передачи в каждом канале 45 МГц. В канале с номером z средняя частота приема базовой станции,  выраженная в мегагерцах,

f_1z=890+0,2_z

средняя частота передачи, выраженная в мегагерцах,

f_2z=890+0,2_z

Для увеличения пропускной способности системы цифрового стандарта применяют МДВР. В стандарте GSM-900 в одном частотном канале работают восемь каналов связи, что позволяет получить общее число каналов связи N_CB = 8N_f = 992, где N_f — число частотных каналов по плану. Как видно, пропускные способности аналогового стандарта NMT-900 и цифрового стандарта GSM-900 практически совпадают.

Полоса частот стандарта DCS-1800 (рис. 6.14,в), отведенная для приема (или передачи), составляет 75 МГц. Сдвиг между частотами приема и передачи в каждом канале 95 МГц. В канале с номером z средняя частота приема базовой станции, выраженная в мегагерцах,

f_lz =1710 + 0,2z,

средняя частота передачи, выраженная в мегагерцах,

f_2х = 1805 + 0,2г.

Общее число частотных каналов N_f = 374. В стандарте DCS-1800, так же как и в стандарте GSM-900, в одном частотном канале работают восемь каналов связи, что позволяет получить общее число каналов связи  N_CB   =  8N_f   =  2992.

Частотные планы стандартов AMPS и D-AMPS. Северо-американские стандарты — аналоговый AMPS и цифровой D-AMPS — совместимы. Название D-AMPS применяется по отношению к нескольким цифровым стандартам (спецификациям). Каждая последующая спецификация полностью совместима и способна к взаимодействию с более ранними поколениями. Так, AMPS и D-AMPS IS-54 имеют одинаковые частотные планы и одинаковые аналоговые каналы управления.

Каналы трафика в D-AMPS — цифровые. Существуют совмещенные аналого-цифровые системы, в которых поддерживаются одновременно как аналоговый AMPS, так и цифровой D-AMPS стандарты. В этом случае на БС устанавливают аналоговые и цифровые приемопередатчики. Существуют двухмодовые АС, которые могут использовать как аналоговый, так и цифровой канал.

Стандарт D-AMPS IS-136 полностью цифровой. Работает в частотных диапазонах 800 и 1800 МГц. Совместим с предшествующими спецификациями   D-AMPS.

При введении AMPS в США была предусмотрена возможность одновременной работы на любой территории двух операторов: А и Б. Поэтому в основном плане частот частотные каналы разделены на два блока: А и Б. Полоса, отведенная на один частотный канал, составляет 30 кГц. В основном плане частот AMPS/D-AMPS (рис. 6.15,6) полоса, отводимая для приема (или передачи), составляет 20 МГц. Сдвиг между частотами приема и передачи в каждом канале 45 МГц.   Позже

основной план был расширен (рис. 6.15,в) для частот приема (передачи) со стороны нижних частот на 1 МГц и со стороны верхних — на 6 МГц,  из которых 2 МГц пока резервные.

В канале с номером z средняя частота приема базовой станции, выраженная в мегагерцах, определяется следующими выражениями:

В частотном плане нет каналов с номерами 799 < z < 991. Всего в стандарте AMPS 832 частотных канала, а в стандарте D-AMPS за счет применения МДВР каналов в три раза больше, т.е. 2496.

Частотный план каждого из двух операторов подразделяется на 21 группу, содержащую 15 каналов трафика и один канал управления. Канальным группам присваиваются номера 1А, 2А, ЗА, 4А, 5А, 6А, 7А; 1В, 2В,. . .,7В; 1С, 2С,. . ., 7С. Разделение каналов на группы задается в виде карт распределения каналов (табл. 6.4 и 6.5).   В группу входят каналы трафика с номерами Z_k = к + 21i при i = 0,1, 2,... 15, где k — номер первого канала трафика в группе, записанный в первой строке табл. 6.4 и во второй строке табл. 6.5. В группах 5С, 6С и 7С по 14 каналов трафика. Обычно используется частотная карта с указанием номеров всех каналов.

Структура частотного плана ориентирована на наиболее распространенные технические решения: кластер с размерностью 7; число частотных каналов в соте N_fc = 45; в БС можно объединять до 16 частотных  каналов.

В этом случае в одной соте выбирают канальные группы jA+jB+jC, где целое число j одинаковое для трех групп, например, 1А+ 1В + 1С. Частотный разнос между соседними каналами в одной соте составляет F = 7 ∙ 30 = 210 кГц. Если в соте требуется большее число каналов, то разнос между ними можно уменьшить до 90 кГц, например, выбрав канальные группы  1А + 1В + 1С + 4А + 4В + 4С.

Глава    7

Практические аспекты информационной безопасности систем сотовой подвижной радиосвязи стандартов GSM и IS-95

7;1. Практические аспекты информационной безопасности систем сотовой радиосвязи стандарта GSM

7.1.1. Особенности построения и функционирований систем сотовой радиосвязи стандарта GSM

Общие характеристики стандарта GSM

Система связи, действующая в стандарте GSM, рассчитана на ее использование в различных сферах. Она предоставляет пользователям широкий диапазон услуг и возможность применять разнообразное оборудование для передачи речевых сообщений и данных, вызывных и аварийных сигналов; подключаться к телефонным сетям общего пользования (PSTN), сетям передачи данных (PDN) и цифровым сетям с интеграцией  служб (ISDN).

В соответствии с рекомендацией СЕРТ 1980 г. стандарт GSM на цифровую общеевропейскую (глобальную) сотовую систему наземной подвижной связи предусматривает работу в двух диапазонах частот; 890— 915 МГц — для передатчиков подвижных станций (МС), 935-960 МГц — для передатчиков базовых станций  (БС).

В стандарте GSM используется узкополосный многостанционный доступ с временным разделением каналов (NB TDMA). В структуре TDMA-кадра содержится восемь временных позиций на каждой из 124 несущих.

Для защиты от ошибок в радиоканалах при передаче информационных сообщений применяется блочное и сверточное кодирование с перемежением. Повышение эффективности кодирования и перемежения при малой скорости перемещения подвижных станций достигается переключением рабочих частот в процессе сеанса связи со скоростью 217 скачков  в  секунду.

Для борьбы с интерференционными замираниями принимаемых сигналов,   вызванными   многолучевым   распространением   радиоволн   в условиях города, в аппаратуре связи используются эквалайзеры, обеспечивающие выравнивание импульсных сигналов со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16 мкс.

Система синхронизации рассчитана на компенсацию абсолютного времени задержки сигналов до 233 мкс, что соответствует максимальной дальности связи или максимальному радиусу ячейки (соты) 35 км.

В стандарте GSM выбрана гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом. Обработка речи осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи, которая обеспечивает включение передатчика только при наличии речевого сигнала и отключение передатчика в паузах и в конце разговора. В качестве речепреобразующего устройства выбран речевой кодек с регулярным импульсным возбуждением/долговременным предсказанием и линейным предикативным кодированием с предсказанием. Общая скорость преобразования речевого сигнала 13 кбит/с.

В стандарте GSM достигается высокая степень безопасности передачи сообщений; осуществляется шифрование сообщений по алгоритму шифрования с открытым ключом (RSA).

Основные характеристики стандарта GSM

Частоты передачи подвижной станции и приема базовой станции, МГц.......................................................890-915

Частоты приема подвижной станции и передачи базовой станции, МГц.......................................................935-960

Дуплексный разнос частот приема и передачи, МГц.............45

Скорость передачи сообщений в радиоканале, кбит/с...........270, 833

Скорость преобразования речевого кодека, кбит/с...............13

Ширина полосы канала связи, кГц..............................200

Максимальное количество каналов связи.......................124

Максимальное количество каналов, организуемых в базовой

станции.........................................................16-20

Вид модуляции.................................................GMSK

Количество скачков по частоте в секунду.......................217

Временное разнесение в интервалах TDMA-кадра (передача/

прием) для подвижной станции.................................2

Вид речевого кодека............................................RPE/LTP

Максимальный радиус соты, км.................................до 35

Схема организации каналов.....................................комбинированна

TDMA/FDMA

Структурная схема и состав оборудования сетей связи

Функциональное построение системы связи в стандарте GSM, иллюстрируется структурной схемой рис. 7.1.

Функциональное сопряжение элементов системы осуществляется набором интерфейсов. Все сетевые функциональные компоненты в стандарте GSM взаимодействуют в соответствии с системой сигнализации МККТТ SS № 7 (ССГТТ SS № 7).

Центр коммутации подвижной связи MSC обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается в процессе работы подвижная станция. MSC аналогичен коммутационной станции и представляет собой интерфейс между фиксированными сетями (PSTN, PDN, ISDN и т.д.) и сетью подвижной связи. Он обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами. Кроме выполнения функций обычной коммутационной станции, на MSC возлагаются функции коммутации радиоканалов. К ним относятся «эстафетная передача», в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении подвижной станции из соты в соту, и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностях.

Каждый MSC обеспечивает обслуживание подвижных абонентов, расположенных в пределах определенной географической зоны (например, Москва и область). MSC управляет процедурами установления вызова   и  маршрутизации.

MSC формирует данные, необходимые для выписки счетов за предоставленные сетью услуги связи, накапливает данные по состоявшимся разговорам и передает их в центр расчетов (биллинг-центр). MSC составляет также статистические данные, необходимые для контроля работы  и  оптимизации  сети.

MSC поддерживает процедуры безопасности, применяемые для управления доступами к радиоканалам.

Рис. 7.2.  Состав долговременных данных, хранящихся в регистрах HLR и VLR

MSC не только участвует в управлении вызовами, но и управляет процедурами регистрации местоположения и передачи управления, кроме передачи управления в подсистеме базовых станций (BSS). Регистрация местоположения подвижных станций необходима для обеспечения доставки вызова перемещающимся подвижным абонентам от абонентов телефонной сети общего соединения и обеспечивает ведение разговора, когда подвижная станция перемещается из одной зоны обслуживания в другую. Передача вызовов в сотах, управляемых одним контроллером базовых станций (BSC), осуществляется этим BSC. Когда передача вызовов осуществляется между двумя сетями, Управляемыми разными BSC, то первичное управление осуществляется в MSC. В стандарте GSM также предусмотрены процедуры передачи вызова меду сетями (контроллерами), относящимися к разным MCS. Центр коммутации осуществляет постоянное слежение за подвижными станциями, используя регистры положения (HLR) и перемещения (VLR). В HLR хранится та часть информации о местоположении какой-либо подвижной станции, которая позволяет центру коммутации доставить вызов станции. Регистр HLR содержит международный идентификационный Номер подвижного абонента (IMSI). Он используется для опознавания

Рис. 7.3. Состав временных данных, хранящихся в регистрах HLR и VLR

подвижной станции в центре аутентификации (AUC) (рис. 7.2, 7.3).

Регистр положения HLR представляет собой справочную базу данных о постоянно прописанных в сети абонентах. В ней содержатся опознавательные номера и адреса, а также параметры подлинности абонентов, состав услуг связи, специальная информация о маршрутизации. Ведется регистрация данных о роуминге (блуждании) абонента, включая данные о временном идентификационном номере подвижного абонента (TMSI) и соответствующем VLR.

К данным, содержащимся в HLR, имеют дистанционный доступ все MSC- и VLR-сети и, если в сети имеются несколько HLR, в базе данных содержится только одна запись об абоненте, поэтому каждый HLR представляет собой определенную часть общей базы данных сети об абонентах. Доступ к базе данных об абонентах осуществляется по номеру IMSI или MSISDN (номеру подвижного абонента в сети ISDN). К базе данных могут получить доступ MSC или VLR, относящиеся к другим сетям, в рамках обеспечения межсетевого роуминга абонентов.

Второе основное устройство, обеспечивающее контроль за передвижением подвижной станции из зоны в зону, — регистр перемещения VLR. С его помощью достигается функционирование подвижной станции за пределами зоны, контролируемой HLR. Когда в процессе перемещения подвижная станция переходит из зоны действия одного контроллера базовой станции BSC, объединяющего группу базовых станций, в зону действия другого BSC, она регистрируется новым BSC, и в VLR заносится информация о номере области связи, которая обеспечит доставку вызовов подвижной станции. Для сохранности данных, находящихся в HLR и VLR, в случае сбоев предусмотрена защита устройств памяти  этих  регистров.

VLR содержит такие же данные, как и HLR, однако эти данные содержатся в VLR только до тех пор, пока абонент находится в зоне, контролируемой  VLR.

В сети подвижной связи GSM соты группируются в географические зоны (LA), которым присваивается свой идентификационный номер (LAC). Каждый VLR содержит данные об абонентах в нескольких LA. Когда подвижный абонент перемещается из одной LA в другую, данные о его местоположении автоматически обновляются в VLR. Если старая и новая LA находятся под управлением различных VLR, то данные на старом VLR стираются после их копирования в новый VLR. Текущий адрес VLR абонента, содержащийся в HLR, обновляется.

VLR обеспечивает также присвоение номера «блуждающей» подвижной станции (MSRN). Когда подвижная станция принимает входящий вызов, VLR выбирает его MSRN и передает его на MSC, который осуществляет маршрутизацию этого вызова к базовым станциям, находящимся рядом с подвижным абонентом.

VLR также распределяет номера передачи управления при передаче соединений от одного MSC к другому. Кроме того, VLR управляет распределением новых TMSI и передает их в HLR. Он также управляет процедурами установления подлинности во время обработки вызова. По решению оператора TMSI может периодически изменяться для усложнения процедуры идентификации абонентов. Доступ к базе данных VLR может обеспечиваться через IMSl, TMSI или MSRN. В целом VLR представляет собой локальную базу данных о подвижном абоненте для той зоны, где находится абонент, что позволяет исключить постоянные запросы в HLR и сократить время на обслуживание вызовов.

Для исключения несанкционированного использования ресурсов системы связи вводятся механизмы аутентификации —удостоверения подлинности  абонента.

Центр аутентификации AUC состоит из нескольких блоков и формирует ключи и алгоритмы аутентификации. С его помощью проверяются полномочия абонента и осуществляется его доступ к сети связи. AUC принимает решения о параметрах процесса аутентификации и определяет ключи шифрования абонентских станций на основе базы данных, сосредоточенной в регистре идентификации оборудования (Equipment Identification Register,   EIR).

Каждый подвижный абонент на время пользования системой связи получает стандартный модуль подлинности абонента (SIM), который содержит: международный идентификационный номер (IMS1), свой индивидуальный ключ аутентификации (K_i), алгоритм аутентификации (A3).

С помощью записанной в SIM информации в результате взаимного обмена данными между подвижной станцией и сетью осуществляется полный цикл аутентификации и разрешается доступ абонента к сети.

Процедура проверки сетью подлинности абонента реализуется следующим образом. Сеть передает случайный номер (RAND) на подвижную станцию.   На ней с помощью K_i- и алгоритма аутентификации A3 определяется значение отклика (SRES), т.е.

SRES = K,[RAND].

Подвижная станция посылает вычисленное значение SRES в сеть, которая сверяет значение принятого SRES со значением SRES, вычисленным сетью. Если оба значения совпадают, подвижная станция приступает к передаче сообщений. В противном случае связь прерывается, и индикатор подвижной станции показывает, что опознавание не состоялось. Для обеспечения секретности вычисление SRES происходит в рамках SIM. Несекретная информация (например, K_i) не подвергается обработке в модуле SIM.

Регистр идентификации оборудования EIR содержит централизованную базу данных для подтверждения подлинности международного идентификационного номера оборудования подвижной станции (1МЕ1). Эта база данных относится исключительно к оборудованию подвижной станции. База данных EIR состоит из списков номеров 1МЕ1, организованных следующим образом:

БЕЛЫЙ СПИСОК — содержит номера 1МЕ1, о которых есть сведения, что они закреплены за санкционированными подвижными станциями.

ЧЕРНЫЙ СПИСОК — содержит номера 1МЕ1 подвижных станций, которые украдены или которым отказано в обслуживании по другой   причине.

СЕРЫЙ СПИСОК — содержит номера 1МЕ1 подвижных станций, у которых существуют проблемы, выявленные по данным программного обеспечения, что не является основанием для внесения в «черный   список».

К базе данных EIR получают дистанционный доступ MSC данной сети, а также MSC других подвижных сетей.

Как и в случае с HLR, сеть может иметь более одного EIR, при этом каждый EIR управляет определенными группами 1МЕ1. В состав MSC входит транслятор, который при получении номера 1МЕ1 возвращает адрес EIR, управляющий соответствующей частью базы данных об оборудовании.

Центр эксплуатации и технического обслуживания ОМС является центральным элементом сети GSM, который обеспечивает контроль и управление другими компонентами сети и контроль качества ее работы. ОМС соединяется с другими компонентами сети GSM по каналам пакетной передачи протокола Х.25. ОМС обеспечивает функции обработки аварийных сигналов, предназначенных для оповещения обслуживающего персонала, и регистрирует сведения об аварийных ситуациях в других компонентах сети. В зависимости от характера неисправности ОМС позволяет обеспечить ее устранение автоматически или при активном вмешательстве персонала. ОМС может обеспечить проверку состояния оборудования сети и прохождения вызова подвижной станции. ОМС позволяет производить управление нагрузкой в сети. Функция эффективного управления включает сбор статистических данных о нагрузке от компонентов сети GSM, записи их в дисковые файлы и вывод на дисплей для визуального анализа. ОМС обеспечивает управление изменениями программного обеспечения и базами данных о конфигурации элементов сети. Загрузка программного обеспечения в память может производиться из ОМС в другие элементы сети или из них в ОМС.

Центр управления сетью NMC позволяет обеспечивать рациональное иерархическое управление сетью GSM. Он выполняет эксплуатацию и техническое обслуживание на уровне всей сети, поддерживаемой центрами ОМС, которые отвечают за управление региональными сетями. NMC обеспечивает управление графиком во всей сети и диспетчерское управление сетью при сложных аварийных ситуациях, как, например, выход из строя или перегрузка узлов. Кроме того, он контролирует состояние устройств автоматического управления, задействованных в оборудовании сети, и отражает на дисплее состояние сети для операторов NMC. Это позволяет операторам контролировать региональные проблемы и при необходимости оказывать помощь ОМС, ответственному за конкретный регион. Таким образом, персонал NMC знает состояние всей сети и может дать указание персоналу ОМС изменить стратегию решения  региональной  проблемы.

NMC концентрирует внимание на маршрутах сигнализации и соединениях между Узлами, с тем чтобы не допускать условий для возникновения перегрузки в сети. Контролируются также маршруты соединений между сетью GSM и PSTN во избежание распространений условий перегрузки между сетями. При этом персонал NMC координирует вопросы управления сетью с персоналом других NMC. NMC обеспечивает также возможность управления трафиком для сетевого оборудования подсистемы базовых станций (BSS). Операторы NMC в экстремальных ситуациях могут задействовать такие процедуры управления, как «приоритетный доступ», когда только абоненты с высоким приоритетом (экстренные службы) могут получить доступ к системе.

NMC может брать на себя ответственность в каком-либо регионе, когда местный ОМС является необслуживаемым, при этом ОМС действует в качестве транзитного пункта между NMC и оборудованием сети. IMMC обеспечивает операторов функциями, аналогичными функциям ОМС.

NMC является также важным инструментом планирования сети, так как IMMC контролирует сеть и ее работу на сетевом уровне, а следовательно, обеспечивает планировщиков сети данными, определяющими ее оптимальное  развитие.

Оборудование базовой станции BSS состоит из контроллера базовой станции (BSC) и приемопередающих базовых станций (BTS). Контроллер базовой станции может управлять несколькими приемопередающими блоками.   BSS управляет распределением  радиоканалов, контролирует соединения, регулирует их очередность, обеспечивает режим работы с прыгающей частотой, модуляцию и демодуляцию сигналов, кодирование и декодирование сообщений, кодирование речи, адаптацию скорости передачи для речи, данных и вызова, определяет очередность передачи сообщений персонального вызова.

BSS совместно с MSC, HLR, VLR выполняет некоторые функции, например: освобождение канала, главным образом под контролем MSC, но MSC может запросить базовую станцию обеспечить освобождение канала, если вызов не проходит из-за радиопомех. BSS и MSC совместно осуществляют приоритетную передачу информации для некоторых категорий  подвижных станций.

Транскодер ТСЕ обеспечивает преобразование выходных сигналов канала передачи речи и данных MSC (64 кбит/с ИКМ) к виду, соответствующему рекомендациям GSM по радиоинтерфейсу (Рек. GSM 04.08). В соответствии с этими требованиями скорость передачи речи, представленной в цифровой форме, составляет 13 кбит/с. Этот канал передачи цифровых речевых сигналов называется полноскоростным. Стандартом предусматривается в перспективе использование полускоростного речевого канала (скорость передачи 6,5 кбит/с).

Снижение скорости передачи обеспечивается применением специального речепреобразующего устройства, использующего линейное предикативное кодирование (LPC), долговременное предсказание (LTP), остаточное импульсное возбуждение (RPE, иногда называется RELP).

Транскодер обычно располагается вместе с MSC, тогда передача цифровых сообщений в направлении к контроллеру базовых станций (BSC) ведется с добавлением к потоку со скоростью передачи 13 кбит/с, дополнительных бит (стафингование) до скорости передачи данных 16 кбит/с. Затем осуществляется уплотнение с кратностью 4 в стандартный канал 64 кбит/с. Так формируется определенная Рекомендациями GSM 30-канальная ИКМ линия, обеспечивающая передачу 120 речевых каналов. Шестнадцатый канал (64 кбит/с), «временное окно», выделяется отдельно для передачи информации сигнализации и часто содержит трафик SS № 7 или LAPD. В другом канале (64 кбит/с) могут передаваться также пакеты данных, согласующиеся с протоколом Х.25 МККТТ.

Таким образом, результирующая скорость передачи по указанному интерфейсу составляет 30 х 64 кбит/с + 64 кбит/с + 64 кбит/с = 2048  кбит/с.

Подвижная станция состоит из оборудования, которое служит для организации доступа абонентов сетей GSM к существующим фиксированным сетям электросвязи. В рамках стандарта GSM приняты пять классов подвижных станций —от модели 1-го класса с выходной мощностью 20 Вт, устанавливаемой на транспортном средстве, до портативной модели 5-го класса с максимальной мощностью 0,8 Вт (табл. 7.1). При передаче сообщений предусматривается адаптивная регулировка мощности передатчика, обеспечивающая требуемое качество связи.

Подвижный абонент и станция независимы друг от друга. Как уже отмечалось, каждый абонент имеет свой международный идентификационный номер (IMSI), записанный на его интеллектуальную карточку. Такой подход позволяет устанавливать радиотелефоны, например, в такси и автомобилях, сдаваемых на прокат. Каждой подвижной станции также присваивается свой международный идентификационный номер (IMEI). Этот номер используется для предотвращения доступа к сетям GSM похищенной станции или станции без полномочий.

Сетевые и радиоинтерфейсы

В цифровых сотовых системах подвижной связи стандарта GSM используются интерфейсы трех видов: для соединения с внешними сетями; между различным оборудованием сетей GSM; между сетью GSM и внешним оборудованием. Все существующие внутренние интерфейсы сетей GSM показаны на структурной схеме рис. 7.1. Они полностью соответствуют требованиям Рекомендаций ETSI/GSM 03.02.

Интерфейсы с внешними сетями

Соединение с PSTN. Соединение с телефонной сетью общего пользования осуществляется MSC по линии связи 2 Мбит/с в соответствии с системой сигнализации SS N 7. Электрические характеристики 2 Мбит/с интерфейса соответствуют Рекомендации МККТТ G.732.

Соединение с ISDN. Для соединения с создаваемыми сетями ISDN предусматриваются четыре линии связи 2 Мбит/с, поддерживаемые системой сигнализации SS N 7 и отвечающие Рекомендациям Голубой книги МККТТ Q.701-Q.710, Q.711-Q.714, Q.716, Q.781, Q.782, Q.791, Q.795, Q.761-Q.764, Q.766.

Соединения с международными сетями GSM. Подключение сети GSM к общеевропейским сетям GSM осуществляется на основе протоколов систем сигнализации (SCCP) и межсетевой коммутации подвижной  связи  (GMSC).

Внутренние GSM-интерфейсы. Интерфейс между MSC и BSS (А-интерфейс) обеспечивает передачу сообщений для управления BSS, передачи вызова, управления передвижением. А-интерфейс объединяет каналы связи и линии сигнализации. Последние используют протокол SS № 7 МККТТ. Полная спецификация А-интерфейса соответствует требованиям серии 08 рекомендаций ETSI/GSM.

Интерфейс между MSC и HLR совмещен с VLR (В-интерфейс). Когда MSC необходимо определить местоположение подвижной станции, он обращается к VLR. Если подвижная станция инициирует процедуру местоопределения с MSC, он информирует свой VLR, который заносит всю изменяющуюся информацию в свои регистры. Эта процедура происходит всегда, когда MS переходит из одной области местоопределения в другую. В случае, если абонент запрашивает специальные дополнительные услуги или изменяет некоторые свои данные, MSC также информирует VLR, который регистрирует изменения и при необходимости сообщает о них HLR. Интерфейс между MSC и HLR (С-интерфейс) используется для обеспечения взаимодействия между MSC и HLR. MSC может послать указание (сообщение) HLR в конце сеанса связи, для того чтобы абонент мог оплатить разговор. Когда сеть фиксированной телефонной связи не способна исполнить процедуру установления вызова подвижного абонента, MSC может запросить HLR с целью определения местоположения абонента, для того чтобы послать вызов MS.

Интерфейс между HLR и VLR (D-интерфейс) используют для расширения обмена данными о положении подвижной станции, управления процессом связи. Основные услуги, предоставляемые подвижному абоненту, заключаются в возможности передавать или принимать сообщения независимо от местоположения. Для этого HLR должен пополнять свои данные. VLR сообщает HLR о положении MS, управляя ею и переприсваивая ей номера в процессе блуждания, посылает все необходимые данные для обеспечения обслуживания подвижной станции.

Интерфейс между MSC (Е-интерфейс) обеспечивает взаимодействие между разными MSC при осуществлении процедуры handover — «передачи» абонента из зоны в зону при его движении в процессе сеанса связи без ее  перерыва.

Интерфейс между BSC и BTS (A-bis-интерфейс) служит для связи BSC с BTS и определен Рекомендациями ETSI/GSM для процессов установления соединений и управления оборудованием, передача осуществляется цифровыми потоками со скоростью 2,048 Мбит/с. Возможно использование физического интерфейса 64 кбит/с.

Интерфейс между BSC и ОМС (0-интерфейс) предназначен для связи BSC с ОМС, используется в сетях с пакетной коммутацией МККТТ Х.25.

Внутренний BSC-интерфейс контроллера базовой станции обеспечивает связь между различным оборудованием BSC и оборудованием транскодирования (ТСЕ); использует стандарт ИКМ-передачи 2,048 Мбит/с и позволяет организовать из четырех каналов со скоростью 16 кбит/с один канал на скорости 64 кбит/с.

Интерфейс между MS и BTS (Um-радиоинтерфейс) определен в сериях 04 и 05 рекомендаций  ETSI/GSM.

Сетевой интерфейс между ОМС и сетью, так называемый управляющий интерфейс между ОМС и элементами сети, определен рекомендациями ETSI/GSM 12.01 и является аналогом интерфейса Q.3, который определен в многоуровневой модели открытых сетей ISO OSI.

Соединение сети с ОМС могут обеспечиваться системой сигнализации МККТТ SS № 7 или сетевым протоколом Х.25. Сеть Х.25 может соединяться с объединенными сетями или с PSDIM в открытом или замкнутом  режимах.

GSM-протокол управления сетью и обслуживанием также должен удовлетворять требованиям Q.3 интерфейса, который определен в рекомендациях ETSI/GSM 12.01.

Интерфейсы между сетью GSM и внешним оборудованием. Интерфейс между MSC и сервис-центром (SC) необходим для реализации службы коротких сообщений. Он определен в рекомендациях ETSI/GSM 03.40.

Интерфейс к другим ОМС. Каждый центр управления и обслуживания сети должен соединяться с другими ОМС, управляющими сетями в других регионах или другими сетями. Эти соединения обеспечиваются Х-интерфейсами в соответствии с Рекомендациями МККТТ М.ЗО. Для взаимодействия ОМС с сетями высших уровней используется  интерфейс  Q.3.

Структура служб и передача данных в стандарте GSM

Стандарт GSM содержит два класса служб: основные службы и телеслужбы. Основные службы обеспечивают: передачу данных (асинхронно) в дуплексном режиме со скоростями 300, 600, 1200, 2400, 4800 и 9600 бит/с через телефонные сети общего пользования; передачу данных (синхронно) в дуплексном режиме со скоростями 1200, 2400, 4800 и 9600 бит/с через телефонные сети общего пользования, коммутируемые сети передачи данных общего пользования (CSPDN) и ISDN; доступ с помощью адаптера к пакетной асинхронной передаче данных со стандартными скоростями 300-9600 бит/с через коммутируемые сети пакетной передачи данных общего пользования (PSPDN), например Datex-P; синхронный дуплексный доступ к сети пакетной передачи данных со стандартными скоростями 2400-9600 бит/с. При передаче данных со скоростью 9,6 кбит/с всегда используется канал связи с полной скоростью передачи. В случае передачи на скоростях ниже 9,6 кбит/с могут Использоваться полускоростные каналы связи.

Перечисленные функции каналов передачи данных предусмотрены Для терминального оборудования, в котором используются интерфейсы МККТТ со спецификациями серий V.24 или Х.21. Эти спецификации определяют вопросы передачи данных по обычным каналам телефонной   связи.

Рис. 7.4. Структурная схема служб связи в GSM: PLMN (Public Land Mobile Network) — сеть связи с наземными подвижными объектами; ТЕ (Terminal  Equipment) — терминальное оборудование; МТ (Mobile Terminal) — подвижный терминал, IWF (Interworking Function) — межсетевой функциональный стык

Телеслужбы предоставляют следующие услуги:

1)  телефонная связь (совмещается со службой сигнализации: охрана квартир,  сигналы бедствия и пр.);

2)  передача коротких сообщений;

3)  доступ к службам «Видеотекс», «Телетекс»;

4)  служба «Телефакс».

Дополнительно стандартизован широкий спектр особых услуг (передача вызова, оповещения о тарифных расходах, включение в закрытую группу  пользователей).

Так как ожидается, что большинство абонентов будет использовать услуги GSM в деловых целях, особое внимание уделяется аспектам безопасности и качеству предоставляемых услуг.

Структурная схема служб связи в GSM показана на рис. 7.4. К передаче данных относится и новый вид службы, используемый в GSM, — передача коротких сообщений (передача служебных буквенно-цифровых сообщений для отдельных групп пользователей).

При передаче коротких сообщений используется пропускная способность каналов сигнализации. Сообщения могут передаваться и приниматься подвижной станцией. Для передачи коротких сообщений могут использоваться общие каналы управления. Объем сообщений ограничен 160 символами, которые могут приниматься в течение текущего вызова либо в нерабочем цикле. В пределах соты короткие сообщения передаются циклически и несут информацию, например, о дорожном движении,   рекламу  и  т.д.

Терминальное оборудование и адаптеры подвижной станции. В режиме передачи данных взаимодействие подвижного абонента с сетью осуществляется через соответствующее терминальное оборудование (МТ, ТЕ) и адаптеры (ТА), как это показано на рис. 7.5.

Подвижная станция состоит из МТ и ТЕ. Оконечное оборудование МТ обеспечивает Функции, связанные с управлением радиоинтерфейсом Um.

Рис. 7.5. Взаимодействие подвижного абонента с сетью GSM

Эти функции включают: радиопередачу и прием, управление радиоканалами, защиту от ошибок в радиоканале, кодирование-декодирование речи, текущий контроль и распределение данных пользователя и вызовов, адаптацию по скорости передачи между радиоканалом и данными, обеспечение параллельной работы нагрузок (терминалов), обеспечение непрерывной работы в процессе движения.

Используется три типа оконечного оборудования подвижной станции: МТО (Mobile Termination 0) — многофункциональная подвижная станция, в состав которой входит терминал данных с возможностью передачи и приема данных и речи; МТ1 (Mobile Termination 1) — подвижная станция с возможностью связи через терминал с ISDN; MT2 (Mobile Termination 2) — подвижная станция с возможностью подключения терминала для связи по протоколу МККТТ серий V или X.

Терминальное оборудование может состоять из оборудования одного или нескольких типов, такого, как телефонная трубка с номеронабирателем, аппаратура передачи данных (DTE), телекс и т.д.

Различают следующие типы терминалов: ТЕ1 (Terminal Equip-fnent 1) — терминальное оборудование, обеспечивающее связь с ISDN; ТЕ2 (Terminal Equipment 2) — терминальное оборудование, обеспечивающее связь с любым оборудованием через протоколы МККТТ серий »  или X (связь с ISDN не обеспечивает).   Терминал ТЕ2 может быть подключен как нагрузка к МТ1 (подвижной станции с возможностью связи с ISDN) через адаптер ТА.

Система характеристик стандарта GSM, принятая функциональная схема сетей связи и совокупность интерфейсов обеспечивают высокие параметры передачи сообщений, совместимость с существующими и перспективными информационными сетями, предоставляют абонентам широкий спектр услуг цифровой связи.

Структура Т DM А-кадров и формирование сигналов в стандарте GSM. В результате анализа различных вариантов построения цифровых сотовых систем подвижной связи (ССПС) в стандарте GSM принят многостанционный доступ с временным разделением каналов (TDMA). Общая структура временных кадров показана на рис. 7.6. Длина периода последовательности в этой структуре, которая называется гиперкадром, равна Т_г = 3 ч 28 мин 53 с 760 мс (12533,76 с). Гиперкадр делится на 2048 суперкадров, каждый из которых имеет длительность Т_с =  12533,76/2048 = 6,12 с.

Суперкадр состоит из мультикадров. Для организации различных каналов связи и управления в стандарте GSM используют два вида мультикадров:

1)  26-позиционные TDMA-кадры мультикадра;

2)  51-позиционные TDMA-кадры мультикадра.

Суперкадр может содержать в себе 51 мультикадр первого типа или 26 миультикадров второго типа. Длительности мультикадров соответственно:

1)  Т_M  =  6120/51 =  120 мс;

2)  Т_M = 6120/26 = 235,385 мс (3060/13 мс).

Длительность каждого TDMA-кадра T_к = 120/26 = 235,385/51 = 4,615  мс (60/13 мс).

В периоде последовательности каждый TDMA-кадр имеет свой порядковый номер (NF) от 0 до NF_max = (26 • 51 • 2048) - 1 = 2715647.

Таким образом, гиперкадр состоит из 2715647 TDMA-кадров. Необходимость такого большого периода гиперкадра объясняется требованиями применяемого процесса криптографической защиты, в котором номер кадра NF используется как входной параметр.

TDMA-кадр делится на восемь временных позиций с периодом Т_о = 60/13  :  8  =  576,9 мкс (15/26 мс).

Каждая временная позиция обозначается TN с номером от 0 до 7. Физический смысл временных позиций, которые иначе называются окнами, — время, в течение которого осуществляется модуляция несущей цифровым информационным потоком, соответствующим речевому сообщению  или   данным.

Цифровой информационный поток представляет собой последовательность пакетов, размещаемых в этих временных интервалах (окнах). Пакеты формируются немного короче, чем интервалы, их длительность

Рис. 7.6. Общая структура временных кадров TDMA: ТВ (Tail Bits) — концевая комбинация; GP (Guard Period) — защитный интервал

составляет 0,546 мс, что необходимо для приема сообщения при наличии временной дисперсии в канале распространения.

Информационное сообщение передается по радиоканалу со скоростью 270,833 кбит/с. Это означает, что временной интервал TDMA-кадра содержит 156,25 бит. Длительность одного информационного бита 576,9/156,25 = 3,69 мкс.

Каждый временной интервал, соответствующий длительности бита, обозначается BN с номером от 0 до 155; последнему интервалу длительностью  1/4 бита присвоен  номер  156.

Для передачи информации по каналам связи и управления, подстройки несущих частот, обеспечения временной синхронизации и доступа к каналу связи в структуре TDMA-кадра используются пять видов

временных интервалов (окон) (табл. 7.2).

Интервал NB используется для передачи информации по каналам связи и управления, за исключением канала доступа RACH. Он состоит из 114 бит зашифрованного сообщения и включает защитный интервал (GP) в 8,25 бит длительностью 30,46 мкс. Информационный блок 114 бит разбит на два самостоятельных блока по 57 бит, разделенных между собой обучающей последовательностью в 26 бит, которая используется для установки эквалайзера в приемнике в соответствии с характеристиками канала связи в данный момент времени.

В состав NB включены два контрольных бита (Steeling Flag), которые служат признаком того, содержит ли передаваемая группа речевую информацию или информацию сигнализации. В последнем случае информационный канал (Traffic Channel) «украден» для обеспечения  сигнализации.

Между двумя группами зашифрованных бит в составе NB находится обучающая последовательность из 26 бит, известная в приемнике.

С помощью этой последовательности обеспечивается:

•  оценка частоты появления ошибок в двоичных разрядах по результатам сравнения  принятой   и  эталонной   последовательностей.     В процессе сравнения вычисляется параметр RXQUAL, принятый для оценки качества связи.  Конечно, речь идет только об оценке связи, а не о точных измерениях, так как проверяется лишь часть передаваемой информации.   Параметр RXQUAL используется при вхождении в связь, при выполнении процедуры «эстафетной передачи» (handover) и при оценке зоны покрытия радиосвязью;

•  оценка импульсной характеристики радиоканала на интервале передачи NB для последующей коррекции тракта приема сигнала за  счет использования адаптивного эквалайзера в тракте приема;

•  определение задержек распространения сигнала  между базовой и подвижной станцией для оценки дальности связи. Эта информация необходима для того, чтобы пакеты данных от разных подвижных станций не накладывались при приеме на базовой станции.  Поэтому удаленные на большее расстояние подвижные станции должны передавать свои пакеты раньше станций, находящихся в непосредственной близости от базовой станции.   FB предназначен для синхронизации  по частоте подвижной станции.    Все 142 бита в этом

Рис. 7.7. Временная маска огибающей для сигналов, излучаемых на интервале

АВ TDMA-кадра

временном интервале — нулевые, что соответствует немодулированной несущей со сдвигом 1625/24 кГц выше номинального значения частоты несущей. Это необходимо для проверки работы своего передатчика и приемника при небольшом частотном разносе каналов (200 кГц), что составляет около 0,022 % номинального значения полосы частот 900 МГц. FB содержит защитный интервал 8,25 бит, так же как и нормальный временной интервал. Повторяющиеся временные интервалы подстройки частоты (FB) образуют канал установки частоты (FCCH).

Интервал SB используется для синхронизации по времени базовой и подвижной станций.   Он состоит из синхропоследовательности длительностью 64 бита, несет информацию о номере TDMA-кадра и идентификационный код базовой станции. Этот интервал передается вместе с интервалом установки частоты. Повторяющиеся интервалы синхронизации образуют так называемый канал синхронизации (SCH).

Интервал DB обеспечивает установление и тестирование канала связи.   По своей структуре DB совпадает с 1MB (см. рис. 7.6) и содержит установочную последовательность длиной 26 бит.    В DB отсутствуют (контрольные биты и не передается никакой информации.  DB лишь информирует о том, что передатчик функционирует.

Пакет АВ обеспечивает разрешение доступа подвижной станции к новой базовой станции. АВ передается подвижной станцией при запросе канала сигнализации. Это первый передаваемый подвижной станцией пакет, следовательно, время прохождения сигнала еще не измерено.  Поэтому пакет имеет специфическую структуру. Сначала передается концевая комбинация 8 бит, затем — последовательность синхронизации для  базовой станции (41 бит), что позволяет базовой станци выполнить правильный прием последующих 36 зашифрованных бит.   Пакет содержит большой защитный интервал (68,25 бит длительностью 252 мкс), что 

7.8. Временная маска огибающей для сигналов NB, FB, DB и SB TDMA-кадра

обеспечивает (независимо от времени прохождения сигнала) достаточное временное разнесение от пакетов других подвижных станций. Этот защитный интервал соответствует двойному значению наибольшей возможной задержки сигнала в рамках одной соты и тем самым устанавливает максимально допустимые размеры соты.

Особенность стандарта GSM — возможность обеспечения связью подвижных абонентов в сотах с радиусом около 35 км. Время распространения радиосигнала в прямом и обратном направлениях составляет при этом 233,3 мкс.

В структуре GSM строго определены временные характеристики огибающей сигнала, излучаемого пакетами на канальном временном интервале TDMA-кадра, и спектральная характеристика сигнала. Временная маска огибающей для сигналов, излучаемых на интервале АВ полного TDMA-кадра, показана на рис. 7.7, а маска огибающей для сигналов NB, FB, DB и SB полного TDMA-кадра — на рис. 7.8. Различные формы огибающих излучаемых сигналов соответствуют разным длительностям интервала АВ (88 бит) по отношению к другим указанным интервалам полного TDMA-кадра (148 бит). Нормы на спектральную характеристику излучаемого сигнала показаны на  рис. 7.9.

Одна из особенностей формирования сигналов в стандарте GSM — использование медленных скачков по частоте в процессе сеанса связи. Главное назначение таких скачков (Slow Frequency Hopping, SFH) — обеспечение частотного разнесения в радиоканалах, функционирующих в условиях многолучевого распространения радиоволн. SFH используют во всех подвижных сетях, что повышает эффективность кодирования и перемежения при медленном движении абонентских станций. Принцип формирования медленных скачков по частоте состоит в том, что сообщение, передаваемое в выделенном абоненту временном интервале TDMA-кадра (577 мкс), в каждом последующем кадре передается (принимается) на новой фиксированной частоте. В соответствии со структурой кадров время для перестройки частоты составляет около 1 мс.

В процессе скачков по частоте постоянно сохраняется дуплексный разнос 45 МГц между каналами приема и передачи. Всем активным абонентам, находящимся в одной соте, ставятся в соответствие ортогональные формирующие последовательности, что исключает взаимные помехи при приеме сообщений абонентами в соте. Параметры последовательности переключения частот (частотно-временная матрица и начальная частота) назначаются каждой подвижной станции в процессе установления канала. Ортогональность последовательностей переключения частот в соте обеспечивается начальным частотным сдвигом одной и той же (по алгоритму формирования) последовательности. В смежных сотах используются различные формирующие последовательности.

Комбинированная TDMA/FDMA-схема организации каналов в стандарте GSM и принцип использования медленных скачков по частоте при передаче сообщений во временных кадрах показаны на рис. 7.10, 7.11. Для сравнения можно отметить, что по результатам экспериментальных исследований, проведенных на действующих сетях GSM, пространственное разнесение приемных антенн на базовой станции дает выигрыш   3-4 дБ.

Принятая структура TDMA-кадров и принципы формирования сигналов в стандарте GSM в совокупности с методами канального кодирования позволили снизить требуемое для приема отношение сигнал/помеха до 9 дБ, тогда как в стандартах аналоговых сотовых сетей связи оно составляет  17-18  дБ.

Организация физических и логических каналов

в стандарте GSM

Частотный план стандарта GSM. Стандарт GSM разработан для создания сотовых систем подвижной связи (ССПС) в следующих полосах частот: 890-915 МГц — для передачи подвижными станциями (линия «вверх»); 935-960 МГц — для передачи базовыми станциями (линия  «вниз»).

Каждая из полос, выделенных для сетей GSM, разделяется на частотные каналы. Разнос каналов составляет 200 кГц, что позволяет организовать в сетях GSM 124 частотных канала. Частоты, выделенные для передачи сообщений подвижной станцией на базовую станцию и в обратном направлении, группируются парами, организуя дуплексный канал с разносом 45 МГц. Эти пары частот сохраняются и при перескоках частоты. Каждая сота характеризуется фиксированным присвоением определенного количества пар частот.

Значение несущих частот на передачу FI и на прием Fu определяется  выражениями:

Fl{n) = 890,2 + 0,2(n-1)    МГц;

Fu(n) = Fl(n) + 45    МГц,

где п — номер несущей частоты [п — 1, 2, . . ., 124).

Каждая частотная несущая содержит восемь физических каналов, размещенных в восьми временных окнах в пределах TDMA-кадра и в последовательности кадров. Каждый физический канал использует одно и то же временное окно в каждом временном TDMA-кадре.

До формирования физического канала сообщения и данные, представленные в цифровой форме, группируются и объединяются в логические каналы двух типов: каналы связи — для передачи кодированной речи или данных (ТСН); каналы управления — для передачи сигналов управления  и синхронизации  (ССН).

Более чем один тип логического канала может быть размещен на одном и том же физическом канале, но только при их соответствующей  комбинации.

Структура логических каналов связи. В стандарте GSM различают логические каналы связи двух основных видов:

TCH/F (Full Rate Traffic Channel) — канал передачи сообщений с полной скоростью 22,8 кбит/с (другое обозначение Вт);

ТСН/Н (Half Rate Traffic Channel) — канал передачи сообщений с половинной скоростью 11,4 кбит/с (другое обозначение Lm).

Один физический канал может представлять собой канал передачи сообщений с полной скоростью или два канала с половинной скоростью передачи. В первом случае канал связи занимает одно временное окно, во втором — два канала связи занимают то же самое временное окно, но с перемежением в соседних кадрах (т.е. каждый канал — через кадр).

Для передачи кодированной речи и данных предназначены каналы  связи  следующих типов:

TCH/FS (Full Rate Traffic Channel for Speech) — канал для передачи  речи  с полной  скоростью;

TCH/HS (Half Rate Traffic Channel for Speech) — канал для передачи речи с половинной скоростью;

TCH/F 9,6 - канал передачи данных с полной скоростью 9,6 кбит/с;

TCH/F 4,8 - канал передачи данных с полной скоростью 4,8 кбит/с;

TCH/F 2,4- канал передачи данных с полной скоростью 2,4 кбит/с;

ТСН/Н 4,8 — канал передачи данных с половинной скоростью 4,8  кбит/с;

ТСН/Н 2,4 — канал передачи данных с половинной скоростью 2,4  кбит/с.

Скорость передачи цифрового речевого сигнала в канале TCH/FS равна 13 кбит/с (за счет кодирования увеличивается до 22,8 кбит/с в канале TCH/F). Передача речи в канале с половинной скоростью TCH/HS рассматривается как перспективный режим при дальнейшем развитии GSM, поскольку его применение позволяет практически удвоить  емкость  трафика.

Каналы связи могут передавать широкий набор информационных сообщений, но они не используются для передачи сигналов управления. Кроме того, для передачи данных по каналам связи могут использоваться разные протоколы, например МККТТ Х.25.

Структура логических каналов управления. Каналы управления (ССН) обеспечивают передачу сигналов управления и синхронизации.

Различают четыре вида каналов управления:

ВССН (Broadcast Control Channels) — каналы передачи сигналов управления;

СССН (Common Control Channels) — общие каналы управления;

SDCCH (Stand-alone Dedicated Control Channels) — индивидуальные  каналы управления;

АССН (Associated Control Channels) — совмещенные каналы управления.

Каналы передачи сигналов управления используют только в направлении с базовой станции на все подвижные станции. Они несут информацию, которая необходима подвижным станциям для работы в системе. Различают три вида каналов передачи сигналов управления ВССН:

FCCH (Frequency Correction Channel) — канал подстройки частоты, который используется для синхронизации несущей в подвижной станции. По этому каналу передается немодулированная несущая с фиксированным частотным сдвигом относительно номинального значения частоты  канала связи;

SCH (Synchronization Channel) — канал синхронизации, по которому передается информация на подвижную станцию о кадровой (временной) синхронизации;

ВССН (Broadcast Control Channel) — канал управления передачей, обеспечивает передачу основных команд по управлению передачей (номер общих каналов управления тех из них, которые объединяются с другими каналами, в том числе и с физическими и т.д.).

Используются три типа общих каналов управления СССН:

РСН (Paging Channel) — канал вызова, используется только в направлении от базовой станции к подвижной для ее вызова;

RACH (Random Access Channel) — канал параллельного доступа, используется только в направлении от подвижной станции к базовой для запроса о назначении индивидуального канала управления;

AGCH (Access Grant Channel) — канал разрешенного доступа, используется только для передачи с базовой станции на подвижную (для выделения специального канала управления, обеспечивающего прямой доступ  к  каналу связи).

Выделенные индивидуальные каналы управлений используются в двух направлениях для связи между базовой и подвижной станциями. Различают два  вида  таких каналов:

SDCCH/4 (Stand-alone Dedicated Control Channel) — индивидуальный канал управления, состоит из четырех подканалов;

SDCCH/8 (Stand-alone Dedicated Control Channel) — индивидуальный канал управления, состоит из восьми подканалов.

Эти каналы предназначены для установки требуемого пользователем вида обслуживания. По ним обеспечивается запрос подвижной станции о требуемом виде обслуживания, контроль правильного ответа базовой станции и выделение свободного канала связи, если это возможно.

Совмещенные каналы управления также используются в двух направлениях между базовой и подвижной станциями. По направлению «вниз» они передают команду управления с базовой станции, а по направлению «вверх» — информацию о статусе подвижной станции. Различают два  вида  АССН:

FACCH (Fast Associated Control Channel) — быстрый совмещенный канал управления, служит для передачи команд при переходе подвижной станции из соты в соту, т.е. при «эстафетной передаче» подвижной  станции;

SACCH (Slow Associated Control Channel) — медленный совмещенный канал управления, по направлению «вниз» передает команды для установки выходного уровня мощности передатчика подвижной станции. По направлению «вверх» подвижная станция посылает данные, касающиеся уровня установленной выходной мощности, измеренного приемником уровня радиосигнала и его качества.

В совмещенном канале управления всегда содержится один из двух каналов:  канал связи или индивидуальный канал управления.

Совмещенные каналы управления всегда объединяются вместе с каналами связи или с индивидуальными каналами управления. При этом различают шесть видов объединенных каналов управления:

FACCH/F, объединенный с TCH/F;

SACCH/TH, объединенный с ТСН/Н;

FACCH/H, объединенный с ТСН/Н;

SACCH/C4, объединенный с SDCCH/4;

SACCH/TF, объединенный с TCH/F;

SACCH/C8, объединенный с SDCCH/8.

Состав и назначение логических каналов показаны на рис. 7.12.

Организация физических каналов. Для передачи каналов связи ТСН и совмещенных каналов управления FACCH и SACCH используется 26-кадровый мультикадр. Объединение каналов связи с полной и половинной скоростью с медленным совмещенным каналом управления SACCH показано на рис. 7.13. В полноскоростном канале связи в каждом 13-м TDMA-кадре мультикадра передается пакет информации канала SACCH; каждый 26-й TDMA-кадр мультикадра свободен. В полускоростном канале связи пакет информации канала SACCH передается в каждом 13-м и 26-м TDMA-кадрах мультикадра.

Рис. 7.13. Организация полноскоростного (а) и полускоростного канала связи (ТСН) (б): Т, t — TDMA-кадр передачи канала (ТСН); А, а — TDMA-кадр для передачи SACCH/T; 0 — пустой кадр

Для одного физического канала в каждом TDMA-кадре используется 114 бит. Так как в мультикадре для передачи канала связи ТСН используется 24 TDMA-кадра из 26 и длительность мультикадра составляет 120 мс, общая скорость передачи информационных сообщений по ТСН каналу составляет 22,8 кбит/с. Канал SACCH занимает в полноскоростном канале связи только один TDMA-кадр, то есть 114 бит, когда скорость передачи по каналу SACCH составит 950 бит/с. Полная скорость передачи в объединенном канале TCH/SACCH с учетом пустого (свободного) 26-го TDMA-кадра составит 22, 8 + 0, 95 + 0, 95 = 24, 7 кбит/с.

Как показано на рис. 7.13,6, за время 26-кадрового мультикадра (в одном физическом канале) может передаваться два полускоростных ТСН канала, каждый по 12 TDMA-кадров (Т и t). Пустой 26-й TDMA-кадр в полноскоростном канале ТСН отводится для канала SACCH во втором полускоростном канале ТСН. Для каждого полускоростного канала ТСН скорость передачи составляет 11,4 кбит/с; полная скорость передачи в объединенном полускоростном канале TCH/SACCH остается  прежней  — 24,7 кбит/с.

Быстрый совмещенный канал управления FACCH передается половиной информационных бит временного интервала TDMA-кадра в канале ТСН,  с которым он совмещается в восьми  последовательных Т или  t  кадрах.

Для передачи каналов управления (за исключением FACCH и SACCH) используется 51-кадровый мультикадр. Организация каналов управления в 51-кадровом мультикадре иллюстрируется рис. 7.14.

Объединение каналов ВССН/СССН. В отличие от структуры объединенного канала TCH/SACCH, где физический канал выделяется для одного или двух абонентов, объединенный канал ВССН/СССН предназначен для всех подвижных станций, которые в одно и то же время находятся в одной соте. Более того, все подканалы, передаваемые в этой структуре, являются симплексными.

В канале передачи сигналов управления (ВССН, «сеть — подвижная станция») передается общая информация о сети (соте), в которой подвижная станция находится в данный момент, и о смежных сотах.

В канале синхронизации (SCH, «сеть — подвижная станция») передается информация о временной (цикловой)синхронизации и опознавании приемопередатчика базовой станции.

В канале подстройки частоты (FCCH, «сеть — подвижная станция») передается информация для синхронизации несущей.

Канал параллельного доступа (RACH, «подвижная станция — сеть») используется подвижной станцией в режиме пакетной передачи ALOHA для доступа к сети в случае, если надо пройти регистрацию при  включении  или  сделать  вызов.

Канал разрешенного доступа (AGCH, «сеть— подвижная станция») используется для занятия специальных видов обслуживания (SDCCH или ТСН) подвижной станцией,  которая ранее запрашивала их через

канал   RACH.

Канал вызова (РСН, «сеть — подвижная станция») используется для вызова подвижной станции в случае, когда инициатором вызова является сеть (абонент сети).

На рис. 7.14,а, 6 показано отображение рассматриваемых каналов на одном физическом канале в структуре 51-кадрового мультикадра.

Линия «вверх» каналов ВССН/СССН используется только для передачи канала параллельного доступа RACH, который является единственным каналом управления от подвижной станции к сети. Подвижная станция может использовать нулевой временной интервал в любом из кадров для осуществления доступа к сети.

Рис. 7.14. Организация каналов управления: а — ВССН+СССН, линия «вниз»; б — ВССН+СССН, линия «вверх»; в — 8SDCCH/8, линия «вниз»; г — 8SDCCH/8, линия «вверх»; д — BCCH+CCCH+4SDCCH/4, линия «вниз»; е — BCCH+CCCH+4SDCCH/4, линия «вверх»; F — TDMA-кадр для подстройки частоты, канал FCCH; S — TDMA-кадр временной синхронизации, канал SCH; В — TDMA-кадр для канала ВССН; С — TDMA-кадр для канала СССН; R — TDMA-кадр для канала RACH; D — TDMA-кадр для канала SDCCH; А — TDMA-кадр для канала SACCH/C

На линии «вниз» 51 кадр группируется в 5 групп по 10 кадров, при этом один кадр остается свободным, каждая из этих групп начинается с канала FCCH, за которым следует канал SCH. Остальные 8 кадров в каждой группе образуют два блока из четырех кадров. Первый блок первой группы предназначен для канала ССН, тогда как другие 9 блоков (они называются блоками передачи сигнала вызова) используются для передачи каналов РСН и AGCH общего канала управления СССН. Таким образом, в рассматриваемом случае:  4 кадра используются для канала ВССН, 5 — для  FCCH, 5 — для SCH  и 36 либо для AGCH, либо для  РСН (9 блоков вызова).

Каждая подвижная станция может занимать один из девяти блоков вызова, но каждый вызывной блок может использоваться для вызова более одной станции.

Полная скорость передачи для канала ВССН, а также для канала AGCH/PCH составляет 1,94 кбит/с (4x114 бит за 235 мс).

 Существуют и другие переменные структуры, которые могут использоваться в 51-кадровом мультикадре. Переменными их называют потому, что их структура изменяется в зависимости от нагрузки в соте. В одном случае может рассматриваться индивидуальный канал управления 8SDCCH/8 в одном физическом канале (рис. 7.14,е,г). Однако, если нагрузка в соте мала, структуру ВССН/СССН можно объединить с индивидуальным каналом управления SDCCH/4 (рис. 7.14,д,е) в одном физическом канале. Если сота испытывает большую нагрузку, одного физического канала может быть недостаточно для всего графика ВССН/СССН. В этом случае временные интервалы 2, 4 и 6 в структуре ВССН также используют для этой цели, однако вместо SCH и FCCH передаются  пустые интервалы.

Отображение логических каналов на физические каналы осуществляется через процессы кодирования и шифрования передаваемых сообщений.

Для защиты логических каналов от ошибок, которые имеют место в процессе передачи, используют три вида кодирования: блочное — для быстрого обнаружения ошибок при приеме; сверточное — для исправления одиночных ошибок; перемежение — для преобразования пакетов ошибок в одиночные.

Для защиты каналов от подслушивания в каналах связи и управления  применяется  шифрование.

Для передачи сообщений по физическим каналам используется гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом  (GMSK).

Модуляция радиосигнала. В стандарте GSM применяется спектрально-эффективная гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Манипуляция называется гауссовской, потому что последовательность информационных бит до модулятора проходит через фильтр нижних частот (ФНЧ) с характеристикой Гаусса, что дает значительное уменьшение полосы частот излучаемого радиосигнала. Формирование GMSK-радиосигнала осуществляется таким образом, что на интервале одного информационного бита фаза несущей изменяется на 90°. Это наименьшее возможное изменение фазы, Распознаваемое при данном типе модуляции. Непрерывное изменение фазы синусоидального сигнала дает в результате частотную модуляцию

с дискретным изменением частоты. Применение фильтра Гаусса позволяет при дискретном изменении частоты получить «гладкие переходы». В стандарте GSM применяется GMSK-модуляция с величиной нормированной полосы ВТ = 0,3, где В — ширина полосы фильтра по уровню —3 дБ, Г — длительность одного бита цифрового сообщения. Принципиальная схема модулятора показана на рис. 7.15.

Основой формирователя GMSK-сигнала является квадратурный I/Q-модулятор. Схема состоит из двух умножителей и одного сумматора. Назначение этой схемы заключается в том, чтобы обеспечить непрерывную, очень точную фазовую модуляцию. Один умножитель изменяет амплитуду синусоидального, а второй — косинусоидального

колебания. Входной сигнал до умножителя разбивается на две квадратурные составляющие. Разложение происходит в двух блоках, обозначенных как SIN и COS. Диаграммы формирования GMSK-сигнала показаны  на  рис.   7.16.

Модуляцию GMSK отличают следующие свойства, которые предпочтительны  для подвижной  связи:

•  постоянная по уровню огибающая, которая позволяет использовать эффективные передающие устройства с усилителями  мощности в режиме  класса  С;

•  компактный спектр на выходе усилителя  мощности передающего устройства,  обеспечивающий   низкий  уровень  внеполосного  излучения;

•  хорошие характеристики помехоустойчивости канала связи.

Обработка речи в стандарте GSM

Процессы обработки речи в стандарте GSM направлены на обеспечение высокого качества передаваемых сообщений, реализацию дополнительных сервисных возможностей и повышение потребительских качеств абонентских терминалов.

Обработка речи осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи. Система прерывистой передачи речи (DTX) обеспечивает включение передатчика только тогда, когда пользователь начинает разговор и отключает его в паузах и в конце разговора. DTX управляется детектором активности речи (VAD), который обеспечивает обнаружение и выделение интервалов передачи речи с шумом и шума без речи даже в тех случаях, когда уровень шума соизмерим с уровнем речи. В состав системы прерывистой передачи речи входит также устройство формирования комфортного шума, который включается и прослушивается в паузах речи, когда передатчик отключен. Экспериментально показано, что отключение фонового шума на выходе приемника в паузах при отключении передатчика раздражает абонента и снижает разборчивость речи, поэтому применение комфортного шума в паузах считается необходимым. Процесс DTX в приемнике включает также интерполяцию фрагментов речи, потерянных из-за ошибок в канале.

Структурная схема процессов обработки речи в стандарте GSM показана на рис. 7.17, главным устройством в этой схеме является речевой   кодек.

Алгоритм работы и структурная схема речевого PRE/LTP-LPC Кодека. Принцип выбранного метода кодирования речи состоит в извлечении основных характеристик речи в форме коэффициентов фильтра, по которым речь может быть восстановлена, если использовать низкоскоростную квантизацию. Структурные схемы кодера и декодера речи показаны   на  рис.   7.18.

Уменьшение скорости до 13 кбит/с достигается тремя этапами:

1)  LPC — линейным кодированием с предсказанием;

2)  LTP — долговременным  предсказанием;

3)  RPE — регулярным импульсным возбуждением.

На первом этапе входной сигнал разделяется на сегменты 260 бит по   20   мс.

Затем в процессе LPC-анализа вычисляются 8 коэффициентов r(i) цифрового LPC-анализирующего фильтра, которые представляются как

уровень, и минимизируется динамический диапазон d фильтрованной версии.

На втором этапе происходит дальнейшее снижение динамического диапазона за счет долговременного предсказания, в процессе которого каждый сегмент выравнивается до уровня следующих друг за другом сегментов речи. В принципе, LTP-фильтр вычитает предыдущий период сигнала  из текущего периода.

Этот фильтр характеризуется параметром задержки N и коэффициентом усиления 6.   Период вычисления этих параметров 5 мс.

Восемь коэффициентов г(г) LPC-анализирующего фильтра и параметры фильтра LTP-анализа кодируются и передаются со скоростью 3,6  кбит/с.

Для формирования последовательности возбуждения остаточный сигнал пропускают через фильтр нижних частот с частотой среза 3-4  кГц.

Окончательно периодическая последовательность фрагментов передается со скоростью 9,4 кбит/с. Общая скорость передачи составляет 3,6 + 9,4 =  13  кбит/с.

В декодере речевой сигнал восстанавливается по откликам последовательности регулярного импульсного возбуждения (RPE) двухступенчатым синтезирующим фильтром, как показано на рис. 7.18.

При этом качество речи соответствует качеству речи, передаваемой по ISDN, и превосходит качество речи в аналоговых радиотелефонных системах.

Теоретически время задержки речевого сигнала в кодеке равно длительности сегмента и составляет 20 мс. Реальное время задержки с учетом операций канального кодирования и перемежения, а также физического выполнения рассматриваемых операций составляет 70-80 мс.

Детектор активности речи (VAD) играет решающую роль в снижении потребления энергии от аккумуляторной батареи в портативных абонентских терминалах. Он также снижает интерференционные помехи за счет переключения свободных каналов в пассивный режим. Реализация VAD зависит от типа применяемого речевого кодека. Главная задача при проектировании VAD — обеспечить надежное отличие между условиями активного и пассивного каналов. Если канал на мгновение свободен, его можно заблокировать, поскольку средняя активность речи говорящего ниже 50 %, что может привести к существенной экономии энергии аккумуляторной батареи. К устройствам VAD предъявляются следующие основные требования:

•  минимизация вероятности ложной тревоги  при воздействии только шума с высоким уровнем;

•  высокая вероятность правильного обнаружения речи низкого уровня;

•  высокое быстродействие распознавания речи для исключения задержек включения;

•  минимальное время задержки выключения.

В стандарте GSM принята схема VAD с обработкой в частотной области. Структурная схема VAD приведена на рис. 7.19. Ее работа основана на различии спектральных характеристик речи и шума. Считается, что фоновый шум является стационарным в течение относительно большого периода времени, его спектр также медленно изменяется во времени. VAD определяет спектральные отклонения входного воздействия от спектра фонового шума. Эта операция осуществляется инверсным фильтром, коэффициенты которого устанавливаются применительно к воздействию на входе только фонового шума. При наличии на входе речи и шума инверсный фильтр осуществляет подавление компонентов шума и в целом снижает его интенсивность. Энергия смеси сигнал+шум на выходе инверсного фильтра сравнивается с порогом, который устанавливается в период воздействия на входе только шума. Этот порог находится выше уровня энергии шумового сигнала. Превышение порогового уровня принимается за наличие на входе реализации (сигнал + шум). Коэффициенты инверсного фильтра и уровень порога изменяются во времени в зависимости от текущего значения уровня шума при воздействии на входе только шума. Поскольку эти параметры (коэффициенты и порог) используются детектором VAD для обнаружения речи, сам VAD не может на этой же основе принимать решение, когда их изменять. Это решение принимается вторичным VAD на основе сравнения огибающих спектров в последовательные моменты времени. Если они аналогичны для относительно длительного периода времени, предполагается, что имеет место шум, и коэффициенты фильтра и шумовой порог можно изменять, т.е. адаптировать под текущий уровень и спектральные характеристики входного шума.

VAD с обработкой в спектральной области удачно сочетается с речевым RPE/LTP-LPC кодеком, так как в процессе LPC анализа уже определяется огибающая спектра входного воздействия, необходимая для работы  вторичного VAD.

Формирование комфортного шума осуществляется в паузах активной речи и управляется речевым декодером. Когда детектор активности речи (VAD) в передатчике обнаружит, что говорящий прекращает

разговор, передатчик остается еще включенным в течение следующих пяти речевых кадров. Во время первых четырех из них характеристики фонового шума оцениваются путем усреднения коэффициента усиления и коэффициентов фильтра LPC-анализа. Эти усредненные значения передаются в следующем пятом кадре, в котором содержат информацию о комфортном шуме (SID-кадр).

В речевом декодере комфортный шум генерируется на основе LPC-анализа SID-кадра. Чтобы исключить раздражающее влияние модуляции шума, комфортный шум должен соответствовать по амплитуде и спектру реальному фоновому шуму в месте передачи. В условиях подвижной связи фоновый шум может постоянно изменяться. Это значит, что характеристики шума должны передаваться с передающей стороны на приемную сторону не только в конце каждого речевого всплеска, но и в речевых паузах так, чтобы между комфортным и реальным шумом не было бы резких рассогласований в следующих речевых кадрах. По этой причине SID-кадры посылаются каждые 480 мс в течение речевых пауз.

Динамическое изменение характеристик комфортного шума обеспечивает натуральность воспроизведения речевого сообщения при использовании системы  прерывистой  передачи  речи.

Экстраполяция потерянного речевого кадра. В условиях замираний сигналов в подвижной связи речевые фрагменты могут подвергаться значительным искажениям. При этом для исключения раздражающего эффекта при воспроизведении необходимо осуществлять экстраполяцию речевого  кадра.

Было установлено, что потеря одного речевого кадра может быть значительно компенсирована путем повторения предыдущего фрагмента. При значительных по продолжительности перерывах в связи предыдущий фрагмент больше не повторяется, и сигнал на выходе речевого декодера постепенно заглушается, чтобы указать пользователю на разрушение   канала.

То же самое происходит и с SID-кадром. Если SID-кадр потерян во время речевой паузы, то формируется комфортный шум с параметрами предыдущего SID кадра. Если потерян еще один SID-кадр, то комфортный шум постепенно заглушается.

Применение экстраполяции речи при цифровой передаче, формирование плавных акустических переходов при замираниях сигнала в каналах в совокупности с полным DTX процессом значительно улучшает потребительские качества связи с GSM PLMN по сравнению с существующими аналоговыми сотовыми системами связи.