ВВЕДЕНИЕ

 

Характерная черта современного мира — широкое использование подвижной связи. В настоящее время в большинстве стран количество абонентов, ис­пользующих мобильную связь, начинает превосходить количество абонентов стационарной сети. Уже существует мнение, что в скором времени многие абоненты откажутся от стационарной связи. Пока стационарная связь имеет некоторые преимущества по надежности и качеству услуг в основном в об­ласти широкополосных сетей и предоставления услуг мультимедиа.

Надежность сотовой связи и ее качество в настоящее время еще зависят от местности, погодных условий и электромагнитной обстановки. Абонент не всегда может быть уверен, что связь будет предоставлена в любом месте и в любое время.

Услуги мультимедиа, предоставляемые сетями подвижной связи, в бли­жайшее время должны быть дополнены доступом в Интернет и приемом под­вижных изображений с качеством не хуже, чем обеспечиваемое в настоящее время системами xDSL. Поэтому исследования в этих направлениях состав­ляют основу современной науки и практики развития мобильных систем.

Эта книга рассматривает принятые в настоящее время направления тех­нологий реализации сетей и систем сотовой связи. В ней представлены ос­новные системы и, следовательно, основные направления реализации. Это — оборудование, протоколы и процессы цифровых систем на базе стандартов GSM (глава 1), набор стандартов, связанных с технологией CDMA (глава 2), cdma2000, UMTS (глава 3) и очень перспективная в настоящее время система WiMAX стандарта IEEE 802.16е (глава 4).

Автор придерживался нейтральной позиции, не отдавая предпочтения ни одной из технологий, излагал строгие факты, архитектуры и процессы. И все же в книге представлена точка зрения автора на предпочтительность рас­смотренных в книге технологий.

Система стандарта GSM, которая рассматривается в главе 1, не требует представления и пока является самой распространенной системой в Европе. В США имеется модификация этой системы. Ее сторонники подчеркивают хорошее качество речи, службу коротких сообщений (SMS), работу в слож­ных метеоусловиях, в условиях многолучевого распространения и минималь­ного отношения сигнал/помеха.

Конкурентом GSM в борьбе за потребителя является система с кодовым разделением каналов (CDMA), о которой говорится в главе 2. Эта система построена на очень интересных, отличающихся от традиционных, теоретиче­ских принципах (функции Уолша, псевдослучайные последовательности). Сторонники этой технологии приводят следующие преимущества: макси­мальное использование частотного диапазона, экономный расход мощности батареи терминала и, следовательно, более долгий срок службы, максималь­ная для подвижных систем конфиденциальность и скрытность информации, устойчивость к многолучевым замираниям и индустриальным помехам. К недостаткам системы относят необходимость сложного и точного механизма регулирования мощности.

Наиболее широкие исследования, проведенные в рамках программы IMT-2000, рассмотрены в главе 3. Основные задачи этого направления уп­рощенно можно сформулировать как достижение рабочего диапазона до 2 Мбит/с, т.е. диапазона, характерного для сетей интегрального обслужива­ния ISDN, и соответственно, предоставление аналогичных услуг.

На базе этого проекта разработано множество подпроектов (cdma2000, UWC-136 и другие), которые кратко рассмотрены в этой книге. Наиболее подробно рассмотрен общеевропейский проект UMTS. В концепции этого проекта основное внимание уделяется организации взаимодействия с систе­мами стандарта GSM и их последующими модификациями (GPRS, EDGE).

Основные задачи этих систем можно концентрировано выразить в сле­дующих положениях:

- глобальный роуминг благодаря всеобщей стандартизации и согласован­ности протоколов;

- совмещение услуг передачи речи со скоростной передачей данных;

- взаимодействие со спутниковыми системами.

По мнению автора, указанные задачи не были полностью решены, и вне­дрению этих систем реально угрожает конкуренция с новой системой внут­ригородской связи WiMAX, базирующейся на стандарте IEEE.802.16e, кото­рой посвящена глава 4. Этот стандарт является результатом большой работы над сетями радиодоступа. На начальной стадии проект имеет некоторые ог­раничения и намечается поэтапный подход к внедрению этой системы. На­чальный этап — внедрение фиксированного или сеансового широкополост­ного доступа. При этом передвижение абонента ограничивается пределами одной зоны. Следующий этап — полное перемещение по сети, при котором не обеспечивается выполнение всех услуг при передаче вызова. И последний этап — полнофункциональное обслуживание, которое гарантирует непре­рывное выполнение всех услуг связи при перемещении абонента. Насколько быстро будут выполнены эти этапы покажет будущее.

Уже известны коммерческие предложения по обеспечению беспроводных услуг скоростного Интернета в библиотеках и скверах, находящихся рядом со зданиями компаний, т.е при первом и втором видах доступа. Но как показы­вают темпы разработки и внедрения систем широкополосной радиосвязи, возможна быстрая реализация последних двух видов доступа (упрощенный мобильный, полнофункциональный).

Поставленные задачи весьма сложны, если принять во внимание предос­тавляемый абоненту частотный диапазон 1...5 Мгц и обеспечение качествен­ной связи в условиях отсутствия прямой видимости (около 3 км). Перспекти­ва, которую ставят перед собой разработчики широкополосной системы мо­бильной связи, — передача данных со скоростью 134 Мбита/с и дальность обмена 50 км (без прямой видимости). Указанные параметры порождают множество прикладных задач, которые достаточно усложняют процессы пе­редачи вызова (хэндовера) и перехода между сетями (роумнига).

Эти амбициозные задачи подкрепляются новыми или существенно дора­ботанными решениями. В частности, это наращиваемый ортогональный мно­гочастотный доступ с применением быстрого преобразования Фурье, много­элементные антенны (MIMO), адаптивная модуляция, дифференцированное качество обслуживания и т.п.

Перечисленные серьезные теоретические проблемы решаются с помощью современных математических методов (например, коды Альмоути). Их рас­смотрение позволяет проследить возможные пути развития данной области техники, проанализировать возможные практические пути реализации новых технологий.

Следует заметить, что развитие сетей мобильной связи не остановилось на рассмотренных выше системах. В настоящее время уже проводятся иссле­дования в области программно-ориентированных средств радиопередачи SDR (Software Defined Radio). Функции таких систем в основном определя­ются программным обеспечением, что позволяет легко адаптировать их к раз­личным приложениям. Рассмотрение и анализ таких систем могут явиться предметом отдельной книги.

 

Глава1 СИСТЕМЫ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ. СТАНДАРТ GSM

1.1.  История GSM

 

В начале 1980-х в Европе, особенно в Скандинавии и Великобритании, а так­же во Франции и Германии наблюдался быстрый рост мобильной телефонной связи. Каждая страна разработала свою собственную систему, которая была не совместима в части оборудования и функционирования. Такая ситуация была нежелательна, поскольку подвижная аппаратура не только была ограни­чена функционированием в пределах национальных границ, но также очень ограничивала рынок для каждого типа оборудования. Это лимитировало сбыт и окупаемость расходов на мобильную связь.

В 1982 г. Конференция европейских администраций почт и телекоммуни­каций (СЕРТ — Conference of European Post and Telecommunications) сформи­ровала группу GSM (Group Special Mobile) для изучения и разработки евро­пейской мобильной наземной системы [42, 104]. Предложенная система должна была удовлетворять некоторым критериям:

- хорошее субъективное качество речи;

- низкая стоимость оконечных устройств и обслуживания;

- поддержка международной подвижной связи;

- способность обслуживать малогабаритные терминалы;

- обеспечение диапазона новых услуг и средств;

- эффективное использование радиоспектра;

- совместимость с ISDN.

В 1989 ответственность за разработку стандарта GSM была передана Ев­ропейскому институту стандартов в области телекоммуникаций (ETSI, Euro­pean Telecommunications Standards Institute). Первые спецификации GSM бы­ли изданы в 1990 году. Коммерческая эксплуатация систем была начата в се­редине 1991, и к 1993 году было создано 36 сетей GSM в 22 странах.

Хотя стандарт GSM принят в Европе, это — не только европейский стан­дарт. Сегодня работают более 200 сетей GSM (включая DCS-1800 и PCS-1900)

в 110 странах во всем мире. Северная Америка, имеет разновидность GSM, называемую PCS-1900.

Системы GSM существуют теперь на каждом континенте, и сокращение GSM теперь означает Глобальную систему мобильной связи (Global System for Mobile communications).

Разработчики GSM выбрали не опробированную в то время цифровую систему в противоположность применявшимся тогда аналоговым сотовым системам: усовершенствованной системе мобильной связи в Соединенных Штатах (AMPS — Advances Mobile Phone System) и системе с полным досту­пом (TACS — Total Access Communications System) в Великобритании. Разра­ботчики верили, что усовершенствованные алгоритмы сжатия информации и применение цифровых сигнальных процессоров позволят выполнить постав­ленные задачи и дадут возможность непрерывно усовершенствовать систему в направлении повышения качества и снижения стоимости. Более чем 8000 страниц рекомендаций стандарта GSM позволили построить гибкую и конку­рентоспособную систему и обеспечить достаточную стандартизацию, гаран­тирующую надлежащее межсетевое взаимодействие между компонентами системы. Это обеспечивается описанием интерфейсов для каждого из функ­циональных объектов, определенных в спецификациях.

 

1.2. Услуги, обеспечиваемые системой GSM

 

На начальном этапе разработчики системы GSM стремились обеспечить ее совместимость с цифровой системой интегрального обслуживания ISDN в части услуг и передачи сигналов управления [27, 93, 94]. Однако ограничения радиопередачи по пропускной способности и стоимости не позволяли достиг­нуть стандартной для ISDN скорости передачи информации В-канала 64 кбит/с.

В соответствии с определением ITU-T, телекоммуникационные услуги могут быть разделены на основные и дополнительные [77-79, 115]. Основная услуга, поддерживаемая GSM, — телефонная связь. Речь закодирована в циф­ровой форме и передается через сеть GSM как цифровой поток. Существуют также экстренные службы, где, набирая три цифры, можно получить связь с ближайшим пунктом этой службы.

GSM предоставляет следующие дополнительные услуги:

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

2) передача коротких сообщений;

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

4) служба «Телефакс» (группа 3).

Пользователи GSM могут обмениваться данными со скоростью свыше 9600 бит/с с:

- пользователями обычной телефонной  сети (POTS — Plain  Ordinary Telephone Service);

- цифровой сетью интегрального обслуживания (ISDN);

- сетью передачи данных общего пользования с пакетной коммутацией (PSPDN — Packet Switched Public Data Network);

- сетью передачи данных общего пользования с коммутацией каналов (CSPDN — Circuit Switched Public Data Network).

Стандарт GSM предусматривает передачу данных в следующих режимах:

- асинхронно в дуплексном режиме со скоростями 300, 600, 1200, 2400, 4800 и 9600 бит/с через телефонные сети общего пользования;

- 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 пакетной асинхронной передачи со стан­дартными скоростями 300-9600 бит/с через сети пакетной коммутации данных общего пользования (PSPDN);

- 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.

При этом используются разнообразные методы доступа и протоколы, та­кие как Х.25 или Х.32 [86]. Так как GSM — цифровая сеть, между пользова­телем и сетью GSM не требуется модем, хотя аудиомодем требуется в сети GSM для взаимодействия с обычной телефонной сетью.

Уникальная особенность GSM, которая отсутствует в старых аналоговых системах, — служба передачи коротких сообщений (SMS — Short Massage Service). SMS — двунаправленное обслуживание коротких алфавитно-цифро­вых (не свыше 160 байтов) сообщений. Сообщения транспортируются спосо­бом с промежуточным накоплением (store-and-forward fashion). При соедине­нии между двумя абонентами SMS-сообщение можно передать третьему або­ненту и получить подтверждение. SMS может также использоваться в широ­ковещательном режиме для того, чтобы послать такие сообщения как моди­фикация трафика или модификация новостей. Сообщения могут также быть сохранены в SIM-карте абонента (SIM — Subscriber Identification Module) для более позднего использования.

Дополнительно стандартизован широкий спектр особых услуг (включе­ние в закрытую группу пользователей, передача вызова, оповещение о тарифных расходах и т.д.). Они включают несколько вариантов переадресации вы­зова и запрет на вызов при входящей и исходящей связи, например при роуминге (изменении местоположения) в другой стране. Осуществляются такие услуги как идентификация вызывающего абонента, режим «ждущий вызов», многосторонняя конференцсвязь.

В перечисленных возможностях особое место занимает информация о за­крытой группе. Закрытая группа пользователей (CUG — Closed User Group) — это группа абонентов, устанавливающая соединение и обменивающаяся ин­формацией преимущественно в собственных пределах. Возможно предостав­ление входящей и исходящей связи вне этой группы. При этом абонентам при связи внутри группы предоставляются льготы. Примером такой группы явля­ется связь между членами одной семьи. Обычно компании сотовой связи пре­доставляют абонентам при такой связи пониженный тариф или бесплатную связь.

Следующая услуга — сопровождающий вызов — обеспечивает переадре­сацию входящего вызова на номер абонента стационарной сети.

В режиме «ждущий вызов» при занятости абонента входящий вызов ста­вится в режим ожидания освобождения предыдущего соединения. Абонент, к которому адресован вызов, получает предупреждающий сигнал. Абонент имеет возможность:

- завершить предыдущий вызов;

- кратковременным нажатием рычага трубки перейти на новое соедине­ние;

- после разговора по новому соединению вернуться к старому и повто­рить это многократно.

Все перечисленные соединения относятся к группе дополнительных ви­дов обслуживания, которые реализуются в сетях ISDN и современных сетях PSTN.

 

1.3. Архитектура сети GSM

 

Сеть GSM состоит из нескольких функциональных объектов, функции и ин­терфейсы которых показаны на рис. 1.1. На этом рисунке представлены все компоненты, описанные в настоящем разделе.

Сеть GSM включает три основных части. Мобильные станции (MS), кото­рые перемещаются с абонентом. Подсистема базовых станций (BSS), которая управляет радиолинией связи с мобильной станцией. Подсистема коммута­ции (SSS), главная часть которой — центр коммутации мобильный связи (MSC), выполняет коммутацию между мобильными станциями и между мо­бильными или стационарными сетевыми пользователями. MSC также управ­ляет работой, связанной с передвижением абонента. На рис. 1.1 не показан центр обслуживания, который наблюдает за надежным функционированием и изменениями в сети. Мобильная станция и подсистема базовых станций свя­зываются по интерфейсу Um, также известному как «воздушный интерфейс» или радиолиния связи. Подсистема базовых станций взаимодействует с цен­тром коммутации мобильной связи по А-интерфейсу.

 

Рис. 1.1. Архитектура сети и интерфейсы GSM

 

ADC         Administration Center                           Административный центр

AuC         Authentication Center                            Центр аутентификации

BTS          Base Transceiver Station                     Базовая приемо-передающая станция

BSC         Base Station Controller                         Контроллер базовой станции

BSS         Base Station System                             Подсистема базовой станции

EIR           Equipment Identification Register          Регистр идентификации оборудования

HLR         Home Location Register                       Домашний регистр местоположения

ISDN        Integrated Services Digital Network      Цифровая сеть с интеграцией служб

MS           Mobile Station                                       Мобильная станция

MSC         Mobile Switching Center                       Центр коммутации мобильной связи

NMC         Network Management Center               Центр управления сетью

ОМС        Operation and Maintenance Center      Центр эксплуатации и технического

обслуживания

PDN         Packet Data Network                            Сеть пакетной коммутации

PSTN       Public Switched Telephone Network     Телефонная сеть общего пользования

SSS         Switching Subsystem                            Коммутационная подсистема

VLR         Visit Location Register                          Визитный регистр местоположения

ТСЕ         Transcoder Equipment                          Транскодер

 

 

1.3.1.        Мобильная станция

 

Мобильная станция (MS) состоит из подвижной аппаратуры (терминал) и карты с интегральной схемой, включающей микропроцессор, которая назы­вается модулем абонентской идентификации (SIM — Subscriber Identification Module). SIM-карта обеспечивает при перемещении доступ пользователя к оплаченным услугам независимо от используемого терминала. Вставляя SIM-карту в другой терминал GSM, пользователь может принимать вызовы, де­лать вызовы с этого терминала и получать другие услуги.

Подвижная аппаратура однозначно определяется с помощью междуна­родного опознавательного кода (идентификационного номера) мобильного оборудования (IMEI — International Mobile Equipment Identity). SIM-карта со­держит международный опознавательный код мобильного абонента (IMSI — International Mobile Subscriber Identity), используемый для идентификации абонента, секретный код для удостоверения подлинности и другую информа­цию. IMEI и IMSI независимы в целях обеспечения наиболее вероятного опо­знавания личности и оборудования при передвижении абонента. SIM-карта может быть защищена против неправомочного использования паролем или личным номером.

Используется три типа оконечного оборудования подвижной станции: МТО (Mobile Terminal 0) — многофункциональная подвижная станция, в со­став которой входит терминал данных с возможностью передачи и приема данных и речи; МТ1 (Mobile Terminal 1) — подвижная станция с возможно­стью связи через терминал с ISDN; MT2 (Mobile Terminal 2) — подвижная станция с возможностью подключения терминала для связи по протоколам 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 Equipment 1) — терминальное оборудование, обеспечивающее связь с ISDN; TE2 (Terminal Equipment 2) — терминальное оборудование, обеспечивающее связь с любым оборудованием по протоколам МККТТ серий V 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.

 

 

1.3.2.        Подсистема базовых станций

 

Подсистема базовых станций содержит два вида оборудования: базовую приемопередающую станцию (BTS — Base Transceiver Station) и контроллер базовой станции (BSC — Base Station Controller). Они взаимодействуют через стандартизированный интерфейс AWs (см. рис. 1.1).

На BTS размещается приемопередатчик, который для одной определен­ной соты реализует протоколы взаимодействия радиолинии с передвижной станцией. В большом городе обычно размещено большое количество BTS. Поэтому основные требования к BTS — прочность, надежность, портатив­ность и минимальная стоимость.

Контроллер базовой станции управляет радиоресурсами одной или более BTS. Он управляет выбором и установлением соединения по радиоканалу, скачком частоты и хэндовером, как это будет показано ниже. BSC подключа­ется между BTS и центром коммутации мобильный связи (MSC).

 

1.3.3.        Коммутационная подсистема сети

 

 Центр коммутации мобильной связи (MSC)

 

Центральный компонент подсистемы сети — центр коммутации мобиль­ный связи (MSC). Он работает как обычный узел коммутации общедоступной телефонной сети (PSTN) или цифровой сети интегрального обслуживания (ISDN). Дополнительно он обеспечивает все функциональные возможности мобильного абонента, такие как регистрация, аутентификация, обновление местоположения, передача соединения (хэндовер) и маршрутизация вызова при передвижении объекта. Эти функции обеспечиваются совместно не­сколькими функциональными объектами, которые вместе формируют комму­тационную подсистему сети. MSC обеспечивает подключение к фиксирован­ным сетям, таким как телефонная сеть PSTN или ISDN. При передаче сигналов между функциональными объектами в коммутационной подсистеме сети используется общий канал сигнализации ОКС-7 (SS7), такой же, как исполь­зуется для обмена в ISDN и в сетях общего пользования.

Центр коммутации подвижной связи обслуживает группу сот и обеспечи­вает все виды соединений, в которых нуждается в процессе работы подвижная станция. MSC аналогичен коммутационной станции ISDN и реализует 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 ISDN, 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. Для телефонной сети общего пользования MSC обеспечивает функции сигнализации по ОКС-7, передачи вызова и поддерживает другие виды ин­терфейсов в соответствии с требованиями конкретного проекта.

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; он поддерживает процедуры безопасности, применяемые для управления дос­тупом к радиоканалам.

MSC не только участвует в управлении вызовами, но также 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 абонентам от абонентов телефонной сети общего пользования или других подвижных абонентов. Процедура передачи вызова позволяет сохранять соединения и обеспечивать ведение разговора, когда подвижная станция перемещается из одной зоны обслуживания в другую. Передача вызовов в сотах, управляемых одним контроллером базовых стан­ций, 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 между сетями (контроллерами), относящимися к разным MSC. Центр коммутации осуществляет постоянное слежение за подвижными станциями, используя домашние регистры местоположения (HLR — Ноте Location Register) и визитные регистры местоположения (VLR — Visit Loca­tion Register).

 

Домашний регистр местоположения (HLR)

 

В HLR хранится та часть информации о местоположении какой-либо под­вижной станции, которая позволяет центру коммутации доставить вызов оп­ределенной мобильной станции. Практически HLR представляет собой спра­вочную базу данных о постоянно зарегистрированных 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 — Temporary Mobile Subscriber Identity) и соответствующем визитном регистре местоположения (VLR). Регистр HLR содержит международный идентификационный номер подвижного абонента (IMSI — International Mobile Subscriber Identity), состав услуг связи, специальную информацию о маршрути­зации. Он используется для опознавания подвижной станции в центре аутен­тификации (AUC — Authentication Center).

Домашний регистр местоположения вместе с MSC обеспечивает маршру­тизацию вызова и изменения местоположения (роуминг) мобильной станции. Он содержит всю административную информацию каждого абонента, зареги­стрированного в соответствующей сети GSM, наряду с информацией о теку­щем местоположении мобильных станций. Местоположение мобильных стан­ций находится обычно в форме адреса данной мобильной станции в VLR (Visit Location Register). Более детально процедура маршрутизации будет опи­сана позже. Логически для каждого абонента существует один HLR в сети GSM, хотя он может быть реализован как распределенная база данных. К дан­ным, содержащимся в HLR, имеют дистанционный доступ все MSC и VLR се­ти и, если в сети имеются несколько распределенных 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 ней осуществляется по номеру IMSI или по номеру подвижной станции в сети ISDN (MSISDN — Mobile Station ISDN Number). К базе данных могут полу­чить доступ MSC или VLR, относящиеся к другим сетям, в рамках обеспечения межсетевого роуминга абонентов.

 

Визитный регистр местоположения (VLR)

 

Второе основное устройство, обеспечивающее контроль над передвижени­ем подвижной станции из зоны в зону, — визитный регистр местоположения 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 — Location Area), которым присваивается свой идентификационный но­мер (LAC — Location Area Code). 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, также обновляется.

VLR обеспечивает также присвоение номера для услуг роуминга мобиль­ной станции (MSRN — Mobile Station Roaming Number). Когда подвижная станция принимает входящий вызов, VLR выбирает MSRN и передает его на MSC, который осуществляет маршрутизацию этого вызова к базовым стан­циям, находящимся рядом с подвижным абонентом.

Во время движения подвижная станция может покинуть зону, обслужи­ваемую одним MSC/VLR, и переместиться в зону, которую обслуживает дру­гой MSC/VLR. В этом случае MSC/VLR участвует в передаче управления от одного MSC/VLR к другому. Он также присваивает новый временный номер TMSI подвижному абоненту и передает его в HLR. Новый VLR инициирует процедуру установления подлинности абонента и его оборудования. Кроме случая, когда подвижный абонент меняет зону местоположения, временный номер может периодически изменяться по решению оператора с целью защиты от злонамеренного опознавания номеров участников разговора. В этом случае процедура изменения идет также с использованием VLR. Для доступа к VLR могут использоваться идентификационные номера IMSI, TMSI и MSRN.

В заключении отметим, что VLR — это локальная база данных в данной зоне о подвижном абоненте. Применение VLR позволяет сократить число за­просов HLR, что снижает сетевой трафик и уменьшает время обслуживания.

В табл. 1.1, 1.2, 1.3 приведены примеры состава долговременных и вре­менных данных, хранящихся в HLR и VLR

 

 

 

 

Регистры защиты и аутентификации

 

Для защиты и аутентификации используются два компонента. Регистр идентификации оборудования (EIR — Equipment Identity Register) и центр аутентификации (АиС — Authentication Center). EIR — база данных, которая содержит список всей доступной для обслуживания подвижной аппаратуры на сети, где каждая мобильная станция идентифицирована ее международным опознавательным кодом IMEI. Этот код может быть маркирован как запрещенный к обслуживанию, если мобильная станция украдена или принадлежит к типу оборудования, который не обслуживается. Центр аутентификации АиС — защищенная база данных, которая накапливает копии ключей шифро­вания, хранящихся в SIM-карте каждого абонента, и используется для аутен­тификации абонента и его оборудования, а также шифрования для передачи по радиоканалу.

Каждый подвижный абонент на время пользования системой связи полу­чает стандартный модуль идентификации абонента (SIM), который содержит: идентификационный номер IMSI, свой индивидуальный ключ аутентифика­ции (Ki), 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.

EIR содержит централизованную базу данных для подтверждения под­линности IMEI. Эта база данных относится исключительно к оборудованию подвижной станции. Она состоит из списков номеров IMEI, организованных следующим образом:

Белый список — содержит IMEI, о которых есть сведения о том, что они закреплены за санкционированными подвижными станциями. Терминалу по­зволяют соединиться с сетью.

Черный список — содержит IMEI подвижных станций, которые украдены или имеют некорректный тип мобильной станции для сети GSM, или кото­рым отказано в обслуживании по другой причине. Терминалу не позволено соединиться с сетью.

Серый список — содержит IMEI подвижных станций, у которых сущест­вуют проблемы, выявленные по данным программного обеспечения, которые не являются основанием для внесения в черный список. Терминал находится под наблюдением сети ввиду возможных проблем.

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 своей группой оборудования, имеющей свой идентифика­ционный номер IMEI. В этом случае в состав MSC входит транслятор, кото­рый при получении IMEI выбирает EIR, содержащий данные о части обору­дования, имеющей этот номер.

 

Оборудование эксплуатации и технического обслуживания

 

ОМС (Operation and Maintenance Center) — центр эксплуатации и технического обслуживания, является центральным элементом сети GSM, который обеспечивает контроль и управление другими компонентами сети, а также контроль качества ее работы. ОМС соединяется с компонентами сети GSM по каналам пакетной передачи, используя протокол Х.25. Он 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. Он позво­ляет осуществлять управление нагрузкой в сети. Функция эффективного управления включает сбор статистических данных о нагрузке от компонентов сети GSM, запись 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 может производиться из ОМС в другие элементы сети или из них в ОМС.

NMC (Network Management Center) — центр управления сетью, по­зволяет обеспечивать рациональное иерархическое управление сетью GSM. Он обеспечивает эксплуатацию и техническое обслуживание на уровне всей сети, поддерживаемой центрами ОМС, которые отвечают за управление ре­гиональными сетями. NMC обеспечивает управление трафиком 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, обслуживающему конкретный регион. Таким образом, персонал NMC знает состояние всей сети и может дать указание персоналу ОМС изменить стратегию решения региональной проблемы.

NMC следит за состоянием маршрутов сигнализации и соединений между узлами с тем, чтобы не допускать условий для возникновения перегрузки в сети. Контролируются также маршруты соединений между сетью GSM и PSTN во избежание распространения условий перегрузки между сетями. При этом персонал NMC координирует вопросы управления сетью с персоналом других центров управления сетью. NMC обеспечивает также возможность управления трафиком, адресованным сетевому оборудованию 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 не может обслуживать нагрузку, при этом ОМС действует в качестве транзитного пункта между NMC и оборудованием сети. NMC пре­доставляет операторам возможности, аналогичные возможностям ОМС.

Он является также важным инструментом планирования сети, так как контролирует сеть и ее работу на сетевом уровне, а, следовательно, обеспе­чивает планировщиков сети данными, определяющими нагрузочные пара­метры сети.

ADC (Administration Center) — административный центр — сетевая служба, ответственная за организацию связи, административное управление сетью и соблюдение установленных правил доступа.

ТСЕ (Transconder Equipment) — транскодер, обеспечивает преобра­зование выходных сигналов передачи речи и данных MSC (64 кбит/с, ИКМ) к виду, соответствующему рекомендациям GSM по радиоинтерфейсу. 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 использование полускоростного речевого канала (скорость пере­дачи — 6,5 кбит/с).

Снижение скорости передачи обеспечивается применением специального речепреобразующего устройства, использующего кодирование с линейным предсказанием (LPC — Linear Predictive Coding), долговременное предсказа­ние (LTP — Long Term Predicting), возбуждение регулярной импульсной по­следовательностью (RPE — Regular Pulse Excitation).

Передача цифровых сообщений от транскодера по направлению к кон­троллеру базовых станций (BSC) осуществляется с добавлением к потоку со скоростью передачи 13 кбит/с дополнительных битов (stuffing). Таким обра­зом, скорость передачи данных становится 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) (slot) выделяется отдельно для передачи информации сигнализации и часто содержит сигналы ОКС-7 или процедуры доступа к звену передачи данных для канала D — LAPD (Link Access Procedure for the D-channel).

В других каналах (64 кбит/с) могут передаваться также пакеты данных, согласующиеся с протоколом Х.25.

 

 

1.4.                Основные принципы организации сети GSM

1.4.1.   Внутренние интерфейсы GSM

 

Внутренние интерфейсы сети GSM [22, 27, 32, 49] показаны на приведенном выше рис. 1.1 и перечислены в табл. 1.4.

 

 

А-интерфейс. Интерфейс между MSC и BSS (подсистема базовых стан­ций — BSC+BTS) обеспечивает передачу сообщений для управления BSS, передачи вызова (хэндовера), а также для управления при изменении место­положения. А-интерфейс объединяет каналы связи и линии сигнализации. Последние используют ОКС-7. Полная спецификация А-интерфейса соответ­ствует требованиям серии 08 Рекомендаций ETSI/GSM.

В-интерфейс. Интерфейс между MSC и VLR. Используется, когда MSC необходимо определить местоположение подвижной станции и он обращает­ся к VLR. Если подвижная станция инициирует процедуру изменения место­положения, то MSC информирует свой VLR, который заносит всю изменяю­щуюся информацию в свои регистры. Эта процедура происходит всегда, ко­гда MS переходит из одной области 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.

С-интерфейс. Интерфейс между MSC и HLR используется для обеспе­чения взаимодействия MSC и HLR. MSC может послать сообщение HLR в

конце сеанса связи для того, чтобы абонент мог оплатить разговор. Когда сеть фиксированной телефонной связи не способна выполнить процедуру установления соединения подвижного абонента, MSC может запросить HLR с целью определения местоположения абонента для того, чтобы послать вы­зов MS.

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

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

АЫ5-интерфейс. Интерфейс между BSC и BTS 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.

О-интерфейс. Интерфейс между BSC и ОМС предназначен для связи BSC с ОМС, используется в сетях с пакетной коммутацией Х.25 (на рис. 1.1. не показан).

М-интерфейс. Внутренний 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.

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

Х-интерфейс. Интерфейс между ОМС разных сетей и сетью коммутации, так называемый управляющий интерфейс между ОМС и элементами сети. Определен Рекомендациями 12.01 ETSI/GSM и является аналогом интерфей­са Q.3, который определен в модели ISO/OSI. Он предназначен для связи ОМС различных центров эксплуатации GSM.

Соединения сети с ОМС могут обеспечиваться системой сигнализации ОКС-7 или сетевым протоколом Х.25.

 

1.4.2.      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 ОКС-7. Электрические характеристики интерфейса 2 Мбит/с соответствуют Рекомендациям МККТТ G.732.

Соединение с ISDN. Для соединения с сетями ISDN предусматриваются четыре линии связи 2 Мбит/с, поддерживаемые системой сигнализации ОКС-7.

Соединения с международными сетями GSM. В настоящее время обес­печивается подключение российской сети GSM к общеевропейским сетям GSM. Эти соединения осуществляются на основе протоколов систем сигна­лизации ОКС-7 четвертого уровня (SCCP — Signaling Connection Control Part) и межсетевого коммутационного центра мобильной связи (GMSC — Gateway MSC). Центр представляет собой узловую станцию, осуществляю­щую объединение сети GSM с одной или более наземными сетями. В ее функции входит преобразование форматов сигналов, конвертирование сете­вых протоколов, а также взаимодействие с ТфОП.

 

 

 

1.4.3.      Географические зоны сети GSM

 

Сеть GSM составлена из географических областей [81]. Как показано на рис. 1.2, эти области включают соты, зоны местоположения, зоны обслужи­вания MSC/VLR и мобильную наземную сеть общего пользования (PLMN — Public Land Mobile Network).

 

Coma — область радиоохвата одного приемопередатчика одной BTS. Сеть GSM определяет каждую соту с помощью опознавательного кода гло­бального идентификатора соты (CGI — Cell Global Identity) — номера, кото­рый назначается каждой соте.

Зона местоположения (LA — Location Area) — группа сот. Это — об­ласть, в которой вероятнее всего может в данный момент перемещаться абонент. Каждая зона местоположения обслуживается одним или более контроллерами базовых станций и только единственным центром коммута­ции мобильной связи — MSC (рис. 1.2). Каждой зоне местоположения на­значен идентификатор зоны нахождения абонента (LAI — Location Area Identity).

Зона обслуживания MSC/VLR представляет собой часть сети GSM, кото­рая обслуживается одним MSC и зарегистрирована в VLR данного MSC (рис. 1.3).

Мобильная наземная сеть общего пользования PLMN (рис. 1.4) — это совокупность зон обслуживания MSC/VLR, принадлежащих одному опера­тору.

 

 

1.4.4.      Повторное использование частот

 

Повторное использование частот — способ организации связи, при котором одни и те же частоты многократно используются в разных зонах обслужива­ния [27, 32, 49, 101]. Применение частотно-территориального планирования с повторным использованием частот позволяет увеличить пропускную способ­ность при ограниченном количестве частотных каналов.

Расстояние повторного использования частот (frequency reuse distance) — расстояние D между центрами двух удаленных сот, начиная с которого до­пускается повторное использование частот. В общем случае оно определяется по формуле D =R, где N число ячеек в кластере; R — радиус ячейки (радиус окружности, описанной вокруг гексагональной ячейки).

Кластер (cluster) — группа из близко расположенных сот, в пределах ко­торых не допустимо повторное использование из-за опасности превышения уровня взаимных помех. Размер кластера ./V определяется по формуле

N = i2+ij + j2

где i, j — целые числа.

Из этой формулы видно, что кластер может содержать только определен­ное число сот:

при i = 0,  j = 1,  N = 1;

       i = l,   j = 1,  N=3;

       i = 0,  j = 2,  N = 4;

       i = l,   j = 2,  N = 7;           

       i = 0, j = 3,  N=9;

       i = 2, j = 2, N=12;

и т.д.

Приведенное соотношение для D показывает, что чем меньше радиус ячейки R, тем выше коэффициент повторяемости частот (1/N), а следователь­но, и эффективность использования выделенного диапазона частот. Отноше­ние k = D/R = называется коэффициентом снижения внутриканальных помех и характеризует степень взаимного влияния удаленных сот, в которых используются одни и те же частотные каналы. Для приведенных выше значе­ний N значения к равны: к(1) = 1,7; к(3) = 3; к(4) = 3,5; к(1) = 4,6; к{9) = 5,2; к(12) = 6.

Пример распределений частот при повторном использовании показан на рис. 1.5 (4-элементный кластер) и рис. 1.6 (7-элементный кластер).

 

 

1.4.5.      Секторизованная сота

 

Сота, в которой обслуживание абонентов осуществляется базовой станцией с секторной антенной, называется секторизованной сотой (sectorized cell). При этом зона покрытия антенны разделяется на секторы. Секторизация позволя­ет повысить пропускную способность системы сотовой связи без уменьшения размеров зоны покрытия или снижения мощности, излучаемой базовой стан­цией. Ширина диаграммы направленности секторной антенны соответствует угловому размеру сектора. В системах сотовой связи обычно используют ан­тенны с шириной диаграммы направленности 120° (трехсекторная антенна). Обычно применяются кластеры размерностью 3/9, 4/12, 7/21, где первая циф­ра показывает число сот в кластере, а вторая — число секторов. На рис. 1.7, а показан пример применения 3-секторной антенны для кластера 3/9. В этом примере распределяются 9 групп частот.

В настоящее время применяются шестисекторные антенны с шириной диаграммы направленности 60°.

На рис. 1.7, б показана разработанная корпорацией Motorola сотовая сеть с шириной диаграммы направленности 60° и 12 группами несущих частот.

Этот кластер содержит 4 элемента и 6-секторную антенну (размерность кла­стера 4/24).

 

 

1.4.6.   Задачи, выполняемые каналами в системе GSM

 

Очевидно, что использование радиоканалов в сети GSM отличается от ис­пользования в стационарной сети. Принцип использования каналов в системе GSM показан на рис. 1.8.

В стационарной сети абонентские линии (абонентские каналы трафика) закреплены за телефонным аппаратом. Когда известен номер абонента, то при исходящей или входящей связи не требуется выбор абонентской линии.

В сети GSM определены два типа каналов передачи: работающий на пол­ной скорости (TCH/F — Traffic Channel/Full) — 22,8 кбит/с и работающий на половинной скорости (ТСН/Н — Traffic Channel/Half) — 11,4 кбит/с.

В мобильной связи каналы трафика доступны любому абоненту. Поэто­му в процессе установления соединения может быть выбран любой канал, к которому может быть подключена станция. Поскольку в свободном состоя­нии абонентская линия не имеет связи с каналами трафика, она нуждается в канале управления, например, для передачи сигнала «вызов» (setup), но­мера вызывающего абонента и т.п. Поэтому для передачи запроса сети на установление соединения применяется канал, направленный от MS к сети. Это канал произвольного доступа (RACH — Random Control Channel). По­скольку запрос на установление соединения передается только в начале со­единения, и в дальнейшем выделяется канал для обмена управляющей информацией, то этот канал является общим для всех станций зоны местоположения.

 

 

Для общего канала всегда нужна процедура доступа для избежания или разрешения конфликтов. В данном случае чаще всего применяется процедура случайного многостанционного доступа с временным разделением типа ALOHA (TDMA — Time Division Multiple Access). Принцип такого доступа основан на том, что все станции используют один канал связи, контролируя его работу, а передача осуществляется в случайные моменты времени, что уменьшает вероятность конфликтов.

В ответ на сигнал запроса на установление соединения выбирается авто­номный выделенный канал управления (SDCCH — Stand-alone Dedicated Control Channel), no которому в дальнейшем передается служебная информа­ция от MS в течение установления вызова прежде, чем будет найден канал трафика (ТСН).

Для входящей связи передача сигнала «занятие» к MS осуществляется по широковещательный каналу коротких сообщений (канал вызова) (РСН — Paging Channel), общему для всей соты. Этот канал передает сигнал «вызов» всем станциям зоны местоположения (LA). Получив такой сигнал, мобильная станция определяет свой номер и отвечает на широковещательный сигнал также как при исходящем вызове — сигналом запроса по каналу с произ­вольным доступом (RACH — Random Access Channel). Далее сигналы установления соединения проходят как и при исходящей связи.

Порядок обмена сигналами для входящего и исходящего соединений по­казан на рис. 1.9 [14].

На рисунке показаны некоторые особенности передачи сигналов. Ниже даны соответствующие пояснения. Обозначенные слева коды сигналов будут рассмотрены далее.

При входящей связи BTS пункта назначения (работа других элементов се­ти на данном рисунке не показана) выполняет следующие действия:

 

1. Передает широковещательный сигнал всем станциям в зоне обслужи­вания данного MSC. Сигнал передается по отдельному каналу управления — широковещательному каналу коротких сообщений (РСН — Paging Chan­nel).

2. После этого MS по каналу управления — канал с произвольным досту­пом (RACH — Random Access Channel) — посылает запрос на срочное назна­чение индивидуального канала управления на время обмена сигналами. Наи­более распространенным методом случайного (произвольного) доступа явля­ется ALOHA, принцип которого описан выше. BTS выбирает канал для об­мена управляющими сигналами.

3. BTS запрашивает данные аутентификации, которая осуществляется с помощью данных, полученных ранее при реализации процедуры аутентифи­кации и защиты пользователя. В ответ на запрос MS передает накопленный в SIM-карте зашифрованный отклик (SRES — Signed Response), что позволяет BTS установить подлинность MS.

4. Далее BTS передает запрос ключа шифрования.

5. После получения ответного ключа шифрования (если ключ правиль­ный) проводится процедура установления соединения, которая уже рассмот­рена при описании рис. 1.8.

Теперь можно рассмотреть подробнее весь состав сигнальных каналов.

 

1.4.7.   Каналы сигнализации радиоинтерфейса

 

Каналы сигнализации радиоинтерфейса [32, 33] используются для установле­ния вызова, широковещательной рассылки коротких сообщений, техническо­го обслуживания вызова, синхронизации и т.д. (рис. 1.10).

Существуют 3 группы каналов сигнализации [29, 32, 33, 110]:

Широковещательные каналы (ВСН — Broadcast Channel) доставляют информацию от станции к абоненту (downstream) и предназначены, главным образом, для коррекции частоты и синхронизации. Это — единственный тип канала, допускающий связь «точка-много точек», при которой короткие сооб­щения могут быть переданы одновременно нескольким мобильным телефонам. ВСН включают следующие каналы:

- широковещательный канал управления  {ВССН — Broadcast Control Channel): передает общую информацию, касающуюся сот, например, код зоны местоположения (LAC — Location Area Code), код сетевого оператора, код доступа, параметры, список соседних ячеек, и т.д. MS получают сигналы через ВССН от многих BTS в пределах той же самой сети или различных сетей;

- канал подстройки частоты (FCCH — Frequency Correction Channel): канал связи от сети к MS, предназначенный для коррекции частот MS и передачи частоты к MS. Он также используется для вхождения в син­хронизм, обеспечивая соблюдение заданной дистанции между времен­ными интервалами и позицией первого временного интервала кадра TDMA;

- канал синхронизации (SCH — Synchronizing Channel): исходящий канал от MS к сети; обеспечивает синхронизацию кадра TDMA и идентифи­кацию базовой станции. SCH обеспечивает MS всей информацией, не­обходимой для синхронизации с BTS.

Общие каналы управления (СССН — Common Control Channels) — группа каналов связи от абонента к станции и каналы связи от сети к MS. Эти каналы используются для передачи информации между сетью и MS. Общие каналы управления включают следующие каналы:

- широковещательный канал коротких сообщений {канал вызова) (РСН — Paging Channel): исходящий канал только от сети к MS; BTS информи­рует MS о входящих вызовах через РСН;

- канал предоставления доступа (AGCH): исходящий канал только от се­ти к MS; BTS распределяет ТСН или SDCCH к MS, таким образом раз­решая MS доступ к сети;

- канал с произвольным доступом (RACH): канал связи только от MS к сети; позволяет MS запрашивать SDCCH. Это делается в ответ на широ­ковещательный запрос или на вызов по принципу случайного доступа.

Специализированные (выделенные) каналы управления (DCCH — Dedicated Control Channel) предназначены, например, для обслуживания: роуминга, изменения местоположения, передачи соединения (хэндовер), шифрования, и т.д.

DCCH включают следующие каналы:

- автономный  выделенный  канал управления  {SDCCH — Stand-alone Dedicated Control Channel) соединяет MS и BTS для передачи сигналов в течение установления вызова прежде, чем будет найден канал трафика (ТСН). Он необходим, например, для реализации хэндовера; применяет­ся также для несрочных процедур, например, для измерения радиосиг­налов, управления мощностью (только исходящий канал от сети к MS);

- низкоскоростной совмещенный канал управления (SACCH — Slow Asso­ciated Control Channel) передает непрерывные сообщения об измерени­ях (например напряженность поля); параллельно с ним могут работать ТСН или SDCCH. Он необходим, например, для решений хэндовера; применяется подобно ТСН или SDCCH для несрочных процедур, в ча­стности, для измерения радиосигналов, управления мощностью (только исходящий канал от сети к MS);

- быстродействующий совмещенный канал управления (FACCH — Fast Associated Control Channel). Его работа похожа на SDCCH, но он может использоваться временно как ТСН в режиме перераспределения каналов (borrowing mode) совместно с SDCCH, если скорость передачи данных SDCCH  недостаточна.  Дополнительная  пропускная  способность  используется, например, для процедур, связанных с установлением под­линности (аутентификацией), установлением соединения, хэндовером и т.д.

Почти все сигнальные каналы используют формат нормального пакета, кроме RACH, FCCH и SCH.

 

 

1.4.8.   Некоторые примеры работы сети GSM

Обслуживание вызова от абонента стационарной сети к абоненту мобильной сети GSM

 

Приведенный пример [33, 36, 40, 81, 84, 86, 98, 107] описывает обслужи­вание вызова от абонента стационарной сети к абоненту мобильной сети GSM (рис. 1.11).

В рассматриваемом примере порядок действий следующий:

1. Входящий вызов поступает от ТфОП на вход шлюза MSC (GMSC — Gateway MSC).

2. На основе международного опознавательного кода (IMSI) вызываемого мобильного   абонента   определяется   домашний   регистр   местоположения (HLR).

3. Затем запрашивается соответствующий визитный регистр местополо­жения (VLR) для того, чтобы определить номер для услуг роуминга мобиль­ной станции (рис. 1.12) — MSRN (Mobile Station Roaming Number).

4. Этот номер передается обратно в HLR GMSC.

5. Затем соединение переключается к соответствующему MSC.

6. MSC вырабатывает запрос VLR.

7. Теперь VLR делает запрос зоны местоположения LA и состояния (дос­тупности) мобильного абонента. Если MS отмечена как доступная, то выпол­няется п. 8.

8. Передается широковещательный вызов по всей зоне нахождения, запи­санной в VLR.

9. Мобильный абонентский телефон отвечает на широковещательный за­прос из текущей радиосоты.

10. После этого выполняются все необходимые процедуры безопасности (аутентификация и обмен шифровальными ключами). Если они выполнены успешно, то выполняется п. 11.

11. VLR указывает MSC, что вызов закончен, и передает MSC временный опознавательный код мобильной станции TMSI (рис. 1.12).

12. MSC передает TMSI к MS и информирует о начале работы.

 

На рис. 1.12 отдельно отображен процесс изменения номеров в процессе установления входящего вызова.

 

Регистрация в сети

 

При каждом включении мобильного телефона после выбора сети начинает­ся процедура регистрации (рис. 1.13). Рассмотрим наиболее общий случай — регистрацию не в домашней, а в чужой, так называемой гостевой, сети. Будем предполагать, что услуга роуминга абоненту разрешена.

При этом выполняются следующие действия (рис. 1.13):

1. MS по широковещательному каналу управления (ВССН) проводит ска­нирование не менее 16 соседних сот; формируется список шести лучших кан­дидатов на возможную передачу соединения, основанную на полученной на­пряженности поля сигналов.

2. MS находит канал ВССН с наиболее высоким уровнем сигнала, прово­дит синхронизацию, расшифровывает идентификатор BTS и передает эту информацию к BSC и MSC.

3. По запросу MSC производит запрос MS с номером IMSI.

4. MS передает IMSI абонента. IMSI начинается с кода страны «припис­ки» его владельца, далее следуют цифры, определяющие домашнюю сеть, а уже потом — уникальный номер конкретного подписчика. Начало IMSI соот­ветствует коду страны и оператору (например, 250 — Россия, 99 — Билайн).

5. По IMSI VLR гостевой сети определяет домашнюю сеть и запрашивает ее HLR.

6. Домашний регистр мобильного центра коммутации (MSC/HLR) пере­дает всю необходимую информацию об абоненте в VLR, который сделал за­прос, а у себя размещает ссылку на этот VLR, чтобы в случае необходимости знать, где «искать» абонента.

7. MSC совместно с VLR проводит проверку полномочий.

8. В положительном случае MSC включает MS в обслуживание.

После процедуры идентификации и взаимодействия гостевого VLR с до­машним HLR запускается счетчик времени, задающий момент перерегистрации в случае отсутствия каких-либо сеансов связи. Обычно период обяза­тельной регистрации составляет несколько часов. Перерегистрация необхо­дима для того, чтобы сеть получила подтверждение, что телефон по-прежнему находится в зоне ее действия. Дело в том, что в режиме ожидания «трубка» только отслеживает сигналы, передаваемые сетью, но сама ничего не излучает. Процесс передачи начинается только в случае установления со­единения, а также при значительных перемещениях относительно сети (ниже это будет рассмотрено подробно). В таких случаях таймер, отсчитывающий время до следующей перерегистрации, запускается заново. Поэтому при «выпадении» телефона из сети (например, был отсоединен аккумулятор, или вла­делец аппарата зашел в метро, не выключив телефон) система об этом «не уз­нает».

При первом подключении абонента к сети выполняется операция закреп­ления международного опознавательного кода мобильной станции IMSI. Об­ратная закреплению процедура — открепление — позволяет сети «знать», что мобильная станция недостижима, и устраняет необходимость напрасно распределять каналы и передавать широковещательные сообщения. Процеду­ра закрепления похожа на обновление местоположения и сообщает, что мобильная станция доступна снова.

Все пользователи случайным образом разбиваются на 10 равноправных классов доступа (с номерами от 0 до 9). Абоненту присваивается класс досту­па. Существует несколько специальных классов с номерами с 11 по 15 (раз­ного рода аварийные и экстренные службы, служебный персонал сети). Ин­формация о классе доступа хранится в SIM-карте. Особый 10-й класс доступа позволяет совершать экстренные вызовы (по номеру 112), если пользователь не принадлежит к какому-либо разрешенному классу или вообще не имеет IMSI. В случае чрезвычайных ситуаций или перегрузки сети некоторым клас­сам может быть на время закрыт доступ в сеть.

 

Обновление местоположения

 

При подвижной связи в случае включенной мобильной станции осущест­вляется постоянное слежение за местоположением даже в случае отсутствия соединения. В частности это необходимо для установления входящей связи. Включенная мобильная станция информируется о входящем вызове широко­вещательным сообщением, передаваемым по широковещательному каналу коротких сообщений (РСН — Paging Channel).

Один из вариантов определения местоположения — периодически сооб­щать о расположении объектов в каждой соте. При этом, если объект редко меняет свое местоположение (соту), это было бы излишним расходом пропускной способности радиосети. Другой крайний случай — уведомлять систему при изменении местоположения мобильной станции широковещательным сообщением. Это очень расточительно из-за большого количества мобильных станций, обновляющих свое местоположение. Компромиссное решение, используемое в GSM, относится к оповещению о местоположении при смене группы сот в области местоположения, приводящей к ухудшению связи. Обновляющие сообщения требуются при перемещении между областями местоположения, и подвижные станции просматриваются в сотах их теку­щей области местоположения.

Процедуры обновления местоположения и соответствующая последую­щая маршрутизация используют центр коммутации мобильной связи и реги­стры HLR и VLR в тех случаях, когда мобильная станция:

- переключается на другие BTS и BSC в области местоположения;

- перемещается в новую область местоположения;

- переходит к другому оператору сети связи общего пользования для на­земных объектов (PLMN).

Это перемещение должно регистрироваться сетью с целью указания ее текущего местоположения. В нормальном случае сообщение об обновлении местоположения передается новому центру коммутации мобильной связи (визитному регистру местоположения VLR), который записывает информа­цию об области местоположения и затем передает эту информацию домаш­нему регистру местоположения абонента. Информация, принимаемая HLR (обычно через ОКС-7), — это адрес нового VLR, хотя это может быть и но­мер направления. Если абонент имеет право на обслуживание в новой облас­ти местоположения, HLR передает набор абонентской информации, необхо­димой для управления вызовом, новому центру коммутации мобильной связи (MSC/VLR) и сообщение старому визитному регистру центра коммутации (MSC/VLR) об отмене старой регистрации.

 

Аутентификация и защита

 

Так как к радиосреде имеют доступ много устройств и абонентов, требу­ется аутентифицировать пользователей [56, 107]. Эта процедура (рис. 1.14) устанавливает подлинность и принадлежность к сети абонента и оборудова­ния, определяет права и полномочия абонента и право доступа к сетевым ре­сурсам. Аутентификация проводится с помощью двух функциональных объ­ектов: SIM-карты в мобильной станции и центром аутентификации (АиС — Authentication Center).

При регистрации АиС в домашней сети генерирует 128-битовое случай­ное число — RAND, пересылаемое телефону. Внутри SIM-карты с помощью ключа Kj (ключ шифрования — так же как и IMSI, он содержится в SIM-карте), и алгоритма идентификации A3 вычисляется 32-битовый ответ — SRES* (Signed Response) по формуле SRES* =Aj©RAND. Точно такие же вычисления проделываются одновременно и в АиС (по выбранному из до­машнего регистра Kj пользователя). Если SRES*, вычисленный в телефоне, совпадет со SRES, рассчитанным АиС, то процесс авторизации считается ус­пешным, и абоненту присваивается TMSI, который служит исключительно для повышения безопасности взаимодействия абонента с сетью и может периодически меняться (в том числе при смене VLR).

 

То же самое случайное начальное число и абонентский ключ шифрования также используются, чтобы вычислить ключ шифрования, который использу­ет алгоритм шифрования речи. Этот ключ шифрования вместе с номером кадра TDMA алгоритм использует для того, чтобы создать последователь­ность из 114 битов, применяя операцию «исключающее ИЛИ» к 114 битам пакета (два блока по 57 битов).

Другой уровень защиты выполняется непосредственно в MS, обеспечивая защиту оборудования от несанкционированного использования. Как упомя­нуто ранее, каждый терминал GSM идентифицирован уникальным междуна­родным опознавательным кодом подвижной аппаратуры IMEI. Список IMEI в сети сохраняется в регистре идентификации оборудования EIR (Equipment Identity Register), и в ответ на запрос кода IMEI к EIR терминалу возвращается одно из следующих состояний в соответствии с тем, в каком списке нахо­дится номер абонента:

белый список — терминалу позволяют соединиться с сетью;

серый список — терминал находится под наблюдением сети ввиду воз­можных проблем;

черный список — терминал заявлен как украденный или некорректный тип для сети GSM. Терминалу не позволяют соединиться с сетью.

 

Передача соединения (хэндовер)

 

В сотовой сети радиоресурсы и фиксированные линии связи в процессе вызова не остаются занятыми постоянно. Хэндовер (передача соединения), или хэндофф (handoff), как его называют в Северной Америке, — это пере­ключение каналов и линий по мере перемещения подвижного объекта по раз­личным каналам или ячейкам сотовой сети. Обнаружение и измерение уров­ня радиосигналов для хэндовера составляют одну из основных функций уров­ня управления радиоресурсами RRM (Radio Resources Management).

Хэндовер принято разделять на четыре типа, указанных соответствую­щими цифрами на рис. 1.15:

1. Смена каналов в пределах одной базовой станции.

2. Смена канала одной базовой станции на канал другой станции, нахо­дящейся под управлением того же BSC.

3. Переключение каналов между базовыми станциями, контролируемыми разными BSC, но одним MSC

4. Переключение каналов между базовыми станциями, за которые отве­чают не только разные BSC, но и разные MSC.

В общем случае проведение хэндовера — задача MSC. Но в двух первых случаях, называемых внутренними хэндоверами, чтобы снизить нагрузку на коммутатор и служебные линии связи, процесс смены каналов управляется BSC, a MSC лишь информируется о результате.

Первые два типа передачи соединения охватывают только один контрол­лер базовой станции. Чтобы сохранять способность обмена сигналами, доста­точно взаимодействия BSC без использования управления из центра комму­тации мобильной связи (MSC). После завершения передачи соединения (хэн­довера) необходимо уведомить об этом событии MSC.

Последние два типа передачи соединения называются внешними переда­чами соединения и обрабатываются MSC, участвующими в соединении.

Хэндовер может быть инициализирован мобильной станцией или MSC. Как указывалось, MS по широковещательному каналу управления (ВССН) проводит сканирование не менее 16 соседних сот, формируется список шести лучших кандидатов на возможную передачу соединения, основанную на по­лученной напряженности поля сигналов. Эта информация передается к BSC и MSC не менее одного раза в секунду для использования алгоритмом передачи соединения.

Алгоритм определения момента времени, когда должно быть принято ре­шение о передаче соединения (хэндовер), не определен в рекомендациях GSM. Есть два основных используемых алгоритма, тесно связанных с управ­лением мощностью. Это объясняется тем, что базовая станция обычно «не знает», является ли плохое качество сигнала следствием замирания из-за многолучевости или следствием перемещения мобильной станции к другой ячейке, что особенно часто имеет место при небольших городских ячейках.

Алгоритм «минимально допустимая характеристика» [49] отдает приори­тет управлению мощностью, а не передаче соединения (хэндоверу): когда сигнал ухудшается до некоторого заданного уровня, уровень мощности мо­бильной станции увеличивается посредством управления. Если дальнейшие увеличение мощности не улучшает сигнал, то начинается передача соедине­ния (хэндовер). Это — наиболее простой и наиболее общий метод, но он создает эффект «расплывчатой границы» соты, когда мобильная станция переда­ет сигналы, используя пиковую мощность при проходе некоторого расстоя­ния вне границы ячейки исходной соты в другую соту.

Алгоритм «бюджета мощности» [49] предоставляет приоритет хэндоверу, при этом целью является поддержание или улучшение качества сигнала при том же самом или более низком уровне мощности. При этом методе отсутст­вует проблема «расплывчатой границы» соты, что уменьшает межканальные помехи, но это весьма усложняет алгоритм.

Рассмотрим процесс обмена сигналами, показанный на рис. 1.16 как хэндовер 4-го типа (см. рис. 1.15) [33]. Ниже приводится его описание.

1. Когда MS включена, она периодически извещает о качестве сигналов BTS1 с помощью сообщения об измерении. Это сообщение передается в каж­дом SACCH (низкоскоростной совмещенный канал управления) с периодич­ностью 480 мсек. Сообщение об измерении содержит характеристики качест­ва сигналов соседних ячеек.

2. Если качество сигнала хорошее, то MS не предпринимает никаких дей­ствий. Когда MS достигает границы между зонами обслуживания MSC2 и MSC1, она извещает BTS1 о том, что получила слабый сигнал.

3. BTS1 принимает решение об инициализации процесса хэндовера для того, чтобы улучшить качество обслуживания MS, и передает результаты из­мерений, включая измерения качества сигналов соседних ячеек BSC1.

4. BSC1 проводит анализ результатов измерения для того, чтобы опреде­лить зону обслуживания с лучшим качеством.

5. Если BSC1 решает запросить хэндовер, то он передает MSC1 номер ис­пользуемой соты, список целевых сот с лучшими показателями, чем у ис­пользуемой соты. При этом станция BTS2 включена в список целевых сот. На BSC1 включается таймер для того, чтобы ограничить время ожидания начала хэндовера (поступления сигнала от MCS1 о начале процесса хэндовера).

6. MCS1 передает запрос на хэндовер к MSC2. При этом из регистра MSC1 (это может быть VLR или HLR) передаются данные для маршрутиза­ции и аутентификации. На MSC1 включается таймер для того, чтобы ограни­чить время ожидания начала хэндовера в зоне обслуживания MSC2 (время ответа от BSC2).

7. Запрос на передачу соединения обрабатывается на MSC2 как новый ис­ходящий вызов, и выбирается канал для нового вызова. Новые данные запи­сываются в VLR MSC2, который обеспечивает присвоение номера «блуж­дающей» подвижной станции (MSRN — Mobile Station Roaming Number). Процедурами установления подлинности во время обработки вызова управ­ляет VLR MSC2.

8. Передается подтверждение запроса хэндовера от MSC2 (начало хэндо­вера) к MSC1. На MSC1 отключается таймер, ограничивающий время ожида­ния начала хэндовера (см. п. 6), так как получена команда о начале хэндовера. Если MSC1 был центром визита, то данные на VLR MSC1 стираются. Если он был домашним центром, то текущий адрес VLR абонента, содержащийся в HLR, обновляется.

9. MSC1 передает BSC1 сообщение о том, что соединение закончено.

10. BSC1 освобождает канал, информирует MSC1 о том, что разъедине­ние закончено.

11.  MSC1 освобождает оборудование и передает MSC2 сигнал окончания

процедуры.

 

Роуминг

 

Роуминг — одна из самых важных функций сотовой связи. Необходи­мость в роуминге возникает каждый раз, когда абонент изменяет свое место­положение и перемещается в сеть, принадлежащую другому оператору. Ро­уминг бывает локальный (переезд внутри города или в пригород), нацио­нальный (в другой город или область) и международный (переезд в другую страну).

При перемещении абонента в другую сеть ее центр коммутации (MSC/VLR) запрашивает информацию в первоначальной сети (MSC/HLR) и при наличии подтверждения полномочий абонента регистрирует его. Данные о местополо­жении абонента постоянно обновляются в центре коммутации первоначальной сети (MSC/HLR), и все поступающие туда вызовы автоматически переадресо­вываются в ту сеть, где в данный момент находится абонент.

По способу регистрации различают следующие виды роуминга:

- автоматический, т.е. с возможностью провести процесс хэндовера;

- полуавтоматический, когда предварительно следует оповестить опера­тора о намерении посетить соответствующий регион;

- ручной, при котором абоненту вручается радиотелефон, включенный в сеть визита.

Для обеспечения роуминга необходимо выполнение следующих условий:

- наличие в требуемых регионах сотовых систем стандарта, совместимого со стандартом компании, у которой был приобретен радиотелефон;

- наличие соответствующих организационных и экономических соглаше­ний о роуминговом обслуживании абонентов;

- наличие между системами каналов связи, обеспечивающих передачу звуковой, сигнальной и другой информации для роуминговых абонен­тов.

При организации роуминга недостаточно провести только технические мероприятия по соединению различных сетей сотовой связи. Очень важно еще решить проблему взаиморасчетов между операторами этих сетей.

Кроме того, для организации передачи сигнальных сообщений при ав­томатическом роуминге требуется создать соответствующие сигнальные каналы и программное обеспечение. Это требует определенных затрат. По­этому между областями обслуживания различных операторов существует большая потребность в обмене информацией по обслуживанию роуминго-вой связи [9].

 

 

1.5.  Протоколы сети GSM

1.5.1.   Общая структура

 

Основное описание протоколов сети GSM дано в документах ETSI. Эти доку­менты представляют собой некоторые группы, систематизированные по верси­ям [76-79].

Рассмотренные выше функции регистрации (registration), аутентификации (authentication), маршрутизации вызова (call routing), обновления координат местоположения, механизм передачи соединения (handover) выполняются подсистемой сети, главным образом используя протоколы сигнализации сис­темы мобильной связи, основанные на протоколах системы ОКС-7 [1, 10, 11, 36]. Структура этих протоколов показана на рис. 1.17.

Протоколы в GSM разделены на три уровня [7, 10, 17, 49, 117] в зависи­мости от интерфейса, как показано на рис. 1.17.

 

Участок «мобильная станция — базовая станция» использует следующие уровни. Уровень 1 — физический уровень, который использует структуры канала, рассмотренные выше, по «воздушному интерфейсу». Уровень 2 — уровень звена передачи данных по интерфейсу Um, уровень звена передачи данных — это модифицированная версия процедуры LAPD, применяемой в ISDN, называемая LAPDm [93, 94]. Уровень 3 — протокол, использующий также модифицированную версию LAPD, самостоятельно разделен на три следующих подслоя.

Управление радиоресурсами (RRM — Radio Resources Management) — управляет первоначальной установкой оконечных устройств, включением ра­дио- и фиксированных каналов, их обслуживанием, а также обеспечивает процедуру хэндовера.

Управление передвижением (ММ — Mobility Management) — управ­ляет обновлением местоположения и процедурами регистрации, а также за­щитой и аутентификацией.

Управление соединением (СМ — Connection Management) — осущест­вляет общий процесс управления установлением соединения и сигнализацией и управляет дополнительными услугами, а также службой передачи коротких сообщений.

При взаимодействии базовой приемопередающей станции (BTS) с кон­троллером базовой станции (BSC) используется интерфейс AbiS, который обеспечивает управление базовой приемопередающей станцией (BTSM — Base Transceiver Station Management).

Передача сигналов между различными объектами в фиксированной части сети (интерфейс А) использует следующие протоколы: на уровне 1 — МТР (Message Transfer Part — подсистема передачи сообщений); на уровне 2 — SCCP (Signaling Connection Control Part — подсистема управления соединени­ем канала сигнализации) [1, 10, 11, 35], принадлежащий системе сигнализа­ции ОКС-7. На уровне 3 применяют перечисленные выше протоколы GSM — ММ и СМ.

Подсистема третьего уровня BSSAP (BSS Application Part — прикладная часть системы базовой станции) предназначена для связи контроллера базо­вой станции (BSS) с центром коммутации мобильной связи (MSC). Специфи­кация MAP весьма сложна и изложена на более чем 500 страницах, это — один из самых длинных документов в рекомендациях GSM [78].

 

 

1.5.2.   Подсистемы сигнальных протоколов

Основные сведения о подсистеме управления соединением

 

Для передачи сигнальных сообщений между центром коммутации мо­бильной связи и системой базовой станции [1, 10, 11, 17, 35] используются подсистемы МТР и SCCP, применяемые в системе ОКС-7. Рассмотрим крат­ко содержание подсистемы SCCP.

Подсистема управления соединением канала сигнализации SCCP (Signal­ing Connection Control Part) управляет логическими соединениями в сети ОКС для передачи блоков данных сигнализации. Она выполняет функции третьего уровня (сетевой уровень) модели взаимодействия протоколов ОКС [10, 11, 35, 115]. SCCP управляет передачей данных по сети ОКС при установлении соединения и при техническом обслуживании. Это управление непосредст­венно не связано с конкретным каналом речи или передачи данных.

Подсистема SCCP предоставляет два класса услуг: ориентированных на соединение и не ориентированных на соединение.

В первом случае перед началом обмена данными устанавливается соеди­нение. В этом случае доставка сообщений может быть гарантирована в порядке их передачи. Для ориентированных на соединения услуг различаются постоянные и кратковременные (полупостоянные) соединения для сигнали­зации. При этом для полупостоянных соединений предусмотрены три фазы: фаза установления соединения, фаза обмена данными и фаза освобождения соединения. При реализации услуг, не ориентированных на соединение, SCCP обеспечивает передачу данных в двух режимах: с контролем последо­вательности доставки сообщений и без контроля. В последнем случае не га­рантируется прием данных в порядке их передачи, так как они маршрутизи­руются в сети сигнализации по-разному и могут быть повторно запрошены при воздействии помех.

Структура сообщения SCCP детально представлена в [1, 10, 11, 35]. Ниже приведем только часть заголовков, связанных с подвижной системой.

Примеры типов сообщений для системы, ориентированной на соедине­ние, следующие:

- запрос на соединение между двумя узлами (CR);

- подтверждение соединения (СС) в ответ на сообщение CR;

- запрос на разъединение (RLSD);

- подтверждение разъединения (RLSC) со стороны любого из узлов;

- подтверждение разъединения (процесс освобождения завершен);

- данные для прозрачной передачи данных между двумя узлами (DT);

- разрешенная подсистема (SSA).

Последнее сообщение содержит следующие параметры рис. 1.18

Само сообщение «разрешенная подсистема» имеет код 0000 0001. Коди­рование поля «номер задействованной подсистемы» представлено в табл. 1.5.

В табл. 1.5 «жирной» линией обведены коды, относящиеся к передаче сигналов мобильных систем (необязательно к системе GSM).

 

Прикладная часть системы базовой станции BSSAP

 

Одна из пользовательских функций подсистемы управления соединени­ем канала сигнализации SCCP (Signaling Connection Control Part) реализует­ся прикладной частью системы базовой станции (BSSAP — Base Station System Application Part). Она предназначена для обслуживания взаимодей­ствия BSS и MSC (см. рис. 1.17). В случае соединения типа «точка-точка» BSSAP использует сигнальное соединение с активной мобильной станцией, имеющей один или более активизированных процессов для передачи сооб­щений уровня 3. При этом для прикладной системы BSSAP используется один сигнальный канал между BSS и MSC. Этот канал может использоваться несколькими процессами для передачи сообщений на уровне 3. В случае конференцсвязи или широковещательного вызова кроме сигнального канала «главного абонента» могут использоваться несколько дополнительных сиг­нальных каналов.

Прикладная подсистема BSSAP подразделяется на две отдельные группы:

- прикладная часть для прямой передачи (DTAP — Direct Station Applica­tion Part) используется для передачи транзитных сообщений между MSC и MS. Информация уровня 3 в таких сообщениях не интерпретируется BSS;

- прикладная часть  административного управления  системой  базовой станции (BSSMAP — Base Station System Management Application Part) поддерживает другие процедуры 3-го уровня, связанные с управлением ресурсами, управлением передачей соединения (хэндовером) в данной соте и в пределах BSS. Описание протокола BSSMAP содержится в Ре­комендации ETSI GSM 08.08 [76, 79].

При применении BSSAP используются процедуры без установления со­единения и ориентированные на соединение. Рекомендация ETSI GSM 08.08 указывает для каждой процедуры уровня 3 случаи, когда должно использо­ваться соединение или необходима работа без установления соединения. Процедуры, ориентированные на соединение, используются, чтобы поддер­жать процедуры прямой передачи транзитных сообщений — DTAP. Функция распределения, размещенная в BSSAP, осуществляет разделение между дан­ными, использующими одну из этих двух частей.

Сообщения BSSAP включают поля, показанные на рис. 1.19.

Разделение {Discrimination). Разделяет сообщения, принадлежащие ука­занным выше двум подсистемам: BSSMAP и DTAP.

Идентификатор управления звеном передачи данных (DLCI —Data Link Control Identifier). Применяется только для DTAP. Используется в MSC для передачи сообщений к BSS, указывает на тип данных, исходящих первона­чально от соединения по радиоинтерфейсу.

Длина. Параметр, указывающий длину сообщения уровня 3.

 

 

 

Формат прикладной части административного управления системой базовой станции (BSSMAP)

 

Эта система взаимодействует с обеими частями SCCP — ориентирован­ными на соединение и не ориентированными на соединение.

Прикладная система управления базовой станцией поддерживает все про­цедуры между MSC и BSS, которые требуют интерпретации и обработки ин­формации, связанной с обслуживанием отдельных вызовов и управлением ресурсами. Некоторые из процедур BSSMAP в конечном итоге вызываются сообщениями управления радиоресурсами RRM (Radio Resource Manage­ment), определенными в спецификациях ETSI [76, 79].

Формат сообщения протокола BSSMAP представлен на рис. 1.20.

Тип сообщения. Обязательное поле из одного байта, определяющее тип сообщения, уникально определяет функцию и формат каждого сообщения BSSMAP.

Информационный элемент. Каждый информационный элемент кодирован единственным кодом из восьми бит (идентификатором). Длина информаци­онного элемента может быть фиксированная или переменная и включать или не включать в себя индикатор длины.

 

Форматы прикладной подсистемы для прямой передачи (DTAP)

 

Подсистема DTAP (Direct Transfer Application Part) применяется для пере­дачи сообщений управления соединением и управления мобильностью между MS и MSC. Сообщения прямой передачи не обрабатываются в BSS, а только преобразуются в соответствующие сигналы радиоинтерфейса и обратно. Для передачи сообщений DTAP используется формат, приведенный на рис. 1.21.

Флаг указывает, какой стороной назначена транзакция. Если MS, то флаг имеет значение 0, если MSC, то 1.

Значение идентификатора транзакции является целым числом и назна­чается инициатором связи. Значение идентификатора уникально на той сто­роне интерфейса, которая явилась инициатором, оно не меняется в течение времени жизни транзакции и имеет смысл только в данном интерфейсе.

Поле дискриминатор протокола указывает тип подуровня (RM, СМ, ММ), к которому принадлежит сообщение.

Тип сообщения и информационные элементы для каждого подуровня (RM, CM, MM) приведены ниже.

 

1.5.3.   Сигнальные протоколы третьего уровня

Управление радиоресурсами

 

Уровень управления радиоресурсами (RRM — Radio Resource Manage­ment) наблюдает за установлением соединения по радио- и фиксированной сети между подвижной станцией и центром коммутации подвижной связи (MSC). Главные функциональные компоненты этого уровня — подвижная станция, подсистема базовых станций, центр коммутации подвижной связи. Уровень RRM предназначен для управления радиосеансом [49, 56]. Сеанс — это время, которое мобильная станция находится в режиме соединения, управляя конфигурацией радиоканалов, включая распределение специализи­рованных каналов.

Радиосеанс всегда инициализируется подвижной станцией с помощью про­цедуры доступа либо для исходящего вызова, либо в ответ на широковеща­тельный вызов при входящем вызове. Рассмотренные выше процедуры исхо­дящего вызова, широковещательного вызова, такие как назначение выделенно­го канала для сигнализации мобильной станции, определение структуры широ­ковещательного подканала, осуществляются на уровне RRM. Кроме того, этот уровень содержит процедуры управления мощностью, прерывистой передачи и приема.

 

Управление мобильностью

 

Уровень управления мобильностью ММ относится к верхнему уровню управления радиоресурсами и выполняет функции, обусловленные передви­жением абонента (изменение местоположения), а также функции защиты и аутентификации. Управление при изменении местоположения включает про­цедуры, которые дают возможность системе «знать» текущее местоположе­ние включенных подвижных станций для того, чтобы управлять маршрутиза­цией входящих вызовов.

 

Управление соединением

 

Уровень управления соединением СМ отвечает за управление вызовом, управление дополнительными видами услуг и управление службой передачи коротких сообщений. Каждое из них можно рассматривать, как отдельный подслой в пределах уровня управления соединением. Процедура управления вызовом почти совпадает с процедурами цифровой сети ISDN, приведенными в Рекомендации Q.931, хотя маршрутизация к (от) подвижного объекта оче­видно является в GSM уникальной. Другие функции подслоя управления вы­зовом включают: установление соединения, выбор типа обслуживания (включая чередование услуг в течение вызова) и отбой.

 

Форматы сообщений и состав сигналов 3-его уровня

 

Как уже указывалось выше, система протоколов взаимодействия на уча­стке MS-BTS (CM, MM, RRM) является подмножеством протоколов третье­го уровня. Основные положения этого протокола рассмотрены при описании протоколов сети ISDN. Ниже приведены некоторые форматы и команды, ка­сающиеся протоколов участка MS-BTS [13,18,19, 33]. Содержание каждого сигнала следует из его названия. Для более детального рассмотрения этих сигналов можно рекомендовать [10, 11, 17].

Обмен сигнальной информацией уровня RRM производится в виде сооб­щений, каждое из которых имеет вид, представленный на рис. 1.23.

 

 

Сообщение содержит следующие области: дискриминатор протокола, метка соединения и тип сообщения. Метка устанавливается в 0 на вызываю­щей стороне стыка и в 1 на стороне назначения.

Дискриминатор протокола служит для того, чтобы отделить процедуры управления вызовом от любых других сообщений, а также отделить сооб­щения, передаваемые в системе ISDN, от сообщений других систем, в част­ности, GSM. Дискриминатор протокола кодируется в соответствии с табл. 1.6 [17, 39].

 

Из других полей формата сообщений уровня 3 в протоколах GSM ис­пользуется поле «тип сообщения». В табл. 1.7-1.9 приведены значения, ко­торые применяются на уровнях CM, MM, RRM. Заглавные буквы в англий­ском значении терминов обозначают буквы, входящие в сокращенное обо­значение сообщений.

 

BTSM — протокол взаимодействия контроллера базовой станции и базовой приемопередающей станции

 

BTSM представляет собой протокол взаимодействия BSC-BTS (Base Sta­tion Controller — Base Transceiver Station) или интерфейс AbiS.

Сообщения передаются в формате, представленном на рис. 1.23. Поле «тип сообщения» состоит при этом из двух байт (используется бит расшире­ния). В первом байте передается дискриминатор сообщения, во втором — тип сообщения.

Дискриминатор протокола. Используется один из кодов табл. 1.6 в раз­деле «сообщения управления вызовом» (ООПхххх).

Дискриминатор сообщения (табл. 1.10). Одно байтовое поле, указываю­щее на тип обработки поступающих сообщений:

- Radio Link Layer Management — сигналы управления радиоканалом;

- Dedicated Channel Management — управление выделенным каналом;

- Common Channel Management — управление общим каналом;

- TRXManagement — управление приемопередатчиком.

Первый бит используется для указания прозрачности (transparent). Для указания типа обработки используются 7 последующих битов октета.

 

Остальные коды зарезервированы на будущее.

Тип сообщения. Представляет собой сообщение, старший бит которого отведен для возможности расширения сообщения, а остальные предназначе­ны для кодирования типа сообщения, отображающего его функции. Коды ти­па сообщений приведены в табл. 1.11.

Назначение рассматриваемых команд легко устанавливается из их назва­ния, поэтому, не останавливаясь на описании, приведем пример их использо­вания при установлении соединения от станции ISDN к мобильной станции.

Этот пример был предварительно рассмотрен для участка MS-BTS (см. рис. 1.9). В данном случае приведены конкретные команды и сигналы на других участках. На рис. 1.24 сообщения на участке MS-BTS совпадают с указанными на рис. 1.9, но в начале каждой команды указан уровень прото­кола, которому принадлежат сообщения (RRM (RR), ММ, СМ). По коду сиг­нала можно определить, к какому классу принадлежит сообщение (например, сообщения организации соединения, сообщения информационной фазы со­единений, сообщения разъединения).

К рис. 1.24 дадим некоторые дополнительные комментарии. При его опи­сании используются следующие команды системы ISDN:

- IAM (Initial address) — начальное сообщение;

- ACM (Address complete) — абонент определен;

- ANM (Answer) — ответ абонента.

Команда SABM (Set Asynchronous Balanced Mode) — установить сбалан­сированный асинхронный режим, используется в процедуре LAPD для уста­новления по сети режима, предшествующего входу в синхронизм, для пере­дачи в этом режиме команд управления. При этом отсутствует механизм за­щиты от ошибок (сообщение не нумеровано). На диаграмме эта команда ис­пользуется для того, чтобы указать, что обмен идет в асинхронном режиме.

Команда UA (Unnumbered Acknowledge) — ненумерованное подтвержде­ние, используется для подтверждения сигналов в асинхронном режиме.

На рис. 1.24 отмечены символами:

*     фаза посылки вызова;

**   контроль посылки вызова;

* * * ответ абонента.

Следует также обратить внимание на то, что многие сигналы идут транзи­том через BTS и BSC. Эти сигналы в дискриминаторе сообщений содержат тип обработки Transparent (прозрачный режим).

На рис. 1.25 показан обмен сигналами для случая — отбой от MS без за­держки отбоя со стороны абонента.

 

1.6.  Частотный план в стандарте GSM

 

На рис. 1.26 показан принцип образования каналов в системе GSM [32, 36, 49, 115].

 

Для радиодоступа в GSM-900 выделены две полосы частот:

- 890-915 МГц — для канала связи от абонента к станции (направление от MS к BS);

- 935-960 МГц — для исходящего канала от станции к абоненту (направ­ление от BS к MS).

Полосы по 25 МГц разделены на 124 пары каналов, которые работают в дуплексном режиме с интервалом несущей частоты 200 кГц, используя мно­гостанционный доступ с частотным разделением каналов (FDMA — Fre­quency Division Multiple Access). Каждый радиоканал с шириной полосы 200 кГц разделен на временные слоты, которые создают 8 логических кана­лов. При этом используется многостанционный доступ с временным разделе­нием (TDMA — Time Devision Multiple Access). Напомним, что многостанци­онный доступ заключается в том, что группа пользователей имеет возмож­ность использовать одну несущую частоту в разные моменты времени.

Канал, переносящий информацию (канал трафика или логический канал), определяется номером несущей частоты и номером одного из 8 временных положений. Информация переносится в виде коротких пакетов (burst), объе­диненных в кадры.

Многостанционный доступ с временным разделением, использующий 8 слотов и 248 физических полудуплексных каналов, составляет группу из 1984 полудуплексных каналов. При размере кластера 7 (см. 1.4.4) число по­лудуплексных каналов в одной соте равно примерно 283 (1984/7). Как было показано ранее, разбиения, содержащего семь наборов частот, достаточно, чтобы охватить произвольно большую область, используя повторное исполь­зование частот с учетом допустимого расстояния между сотами.

 

 

1.7.  Структура кадров в стандарте GSM

1.7.1.   Структура кадров трафика

 

Каналы трафика (ТСН) используются для доставки данных и речи. Структура образования кадров трафика показана на рис. 1.27 [33, 36, 49, 115].

 

 

Мультикадр трафика содержит 26 кадров TDMA, каждый из которых со­стоит из 8 пакетов (burst) трафика. Длительность мультикадра — 120 мс. По­этому длительность кадров — 120 мс/26 = 4,615 мс, а длительность времен­ного положения (слота) трафика равна 120/(26x8) = 0,577 мкс. Из 26 кадров 24 используются для трафика, один (12-й кадр) используется как низкоскоро­стной выделенный канал управления (SACCH — Slow Associated Control Channel) и один (25-й) в настоящее время не используется.

Пакет содержит:

- два поля данных по 57 бит, т.е. в одном пакете содержится 114 бит;

- поле обучающей последовательности. Эта последовательность исполь­зуется для оценки характеристик радиоканала. Она представляет собой набор заранее заданных знаков, по искажению которых определяют ка­чество радиоканала;

- «хвостовые биты» ТВ (tail bits), располагающиеся по краям одного бло­ка и указывающие его границы. Они защищают информацию при сдви­ге слота;

- однобитовые поля, представляющие собой флажки, которые определя­ют тип информации.

Пакет может использоваться как для передачи трафика, так и для переда­чи кадров управления. Кадры сигнализации рассмотрены далее.

ТСН прямого и обратного направления разделены во времени на 3 перио­да передачи пакета. Поэтому мобильная станция не может одновременно по­лучать и принимать информацию по одному и тому же каналу, что упрощает схемную часть.

Данные передаются в пакетах, которые помещены в слоты. Общее число битов в мультикадре трафика равно 156,25x8x26 = 32500 битов. Эти биты пе­редаются за время 120 мсек. Поэтому скорость передачи информации — 270,833 кбит/с (32500/0,12 = 270833 бит/с) Время передачи одного бита — 3,69 мкс. Чтобы нейтрализовать влияние ошибок в настройке времени, пакет данных должен быть немного короче чем временной интервал. Он составляет для одного пакета 148 из 156,25 битов, передаваемых в пределах слота.

В дополнение к каналам ТНС с полной скоростью могут применяться ка­налы ТНС с полускоростью. Последние фактически могут удвоить емкость системы, так как в них предусматривается кодирование речи со скоростью 11,4 кбит/с вместо 22,8 кбит/с. Полускоростные ТНС также используются для передачи сигналов управления. В рекомендациях они названы автономными выделенными каналами управления (SDCCH — Stand-alone Dedicated Control Channels) [81].

Использование полускоростного кодирования увеличивает число слотов до шестнадцати. При этом в четных кадрах мультикадра содержится инфор­мация слотов 0... 7, а в нечетных — 8... 15.

 

1.7.2.      Структура кадров управления

 

Кадры управления уже рассматривались выше. Структура этих кадров и мультикадров показана на рис. 1.28. Мультикадр состоит из 51 кадра TDMA, каждый из которых содержит 8 слотов.

Содержание слотов управления и защитный интервал зависят от их на­значения и представлены на рис. 1.29.

Слот подстройки частоты (FB — Frequency correction Burst) предназна­чен для синхронизации частот мобильной станции. Для передачи этих слотов выделяется канал подстройки частоты (FCCH — Frequency Correction Channel).

 

Слот синхронизации (SCH — Synchronization Burst) предназначен для синхронизации по времени базовой и мобильной станций. Слот содержит синхропоследовательность (64 бита), зашифрованную информацию о номере кадра TDMA и коде идентификации базовой станции (два блока по 39 битов каждый). Для передачи этих слотов выделяется отдельный канал синхрониза­ции (SCH — Synchronizing Channel).

Пустой слот (DB — Dummy Burst) — это вспомогательный пакет, содер­жит два поля по 58 битов, не несущих информации. Такой пакет передается с целью оповещения о том, что станция находится в работоспособном состоя­нии.

Слот доступа (АВ — Access Burst) предназначен для разрешения дос­тупа MS к BSS, передается по каналу произвольного доступа (RACH — Random Access Channel). Этот слот используется в качестве первого запро­са, когда станции еще не вошли в синхронный режим и неизвестно время прохождения сигнала. Он содержит концевую комбинацию ТВ (в данном случае она содержит 8 бит), последовательность синхронизации для базо­вой станции — 41 бит, что позволяет базовой станции начать процесс син­хронизации и обеспечить правильный прием последующих 36 битов. Большой защитный интервал (68,25 бита длительностью 252 мкс) обеспечивает максимальное время для защиты кадров от эффекта межсимвольно­го искажения.

Слоты имеют одинаковую длину 156,25 бита и длительность 235 мкс. Все слоты кроме слота доступа имеют три концевых бита и защитный интер­вал — 8,25 бита.

На рис. 1.30 показано объединение кадров управления и трафика в еди­ный поток. Суперкадр состоит либо из 26 мультикадров канала управления, либо из 51 мультикадра канала трафика. Всего суперкадр содержит 1326 кад­ров и имеет длительность 6,12 с.

 

 

 

1.7.3.      Организация физических каналов

 

Для передачи быстродействующего совмещенного канала управления (FACCH — Fast Associated Control Channel) и низкоскоростного совмещенно­го канала управления (SACCH — Slow Associated Control Channel) использу­ются каналы трафика. Как уже говорилось и показано на рис. 1.30, пакет тра­фика может использоваться как для передачи трафика, так и для передачи кадров управления, для чего используются однобитовые флажки, которые указывают тип информации.

Как указывалось, из 26 кадров 24 используются для трафика, один (12-й кадр) используется как низкоскоростной канал управления SACCH. Один (25-й) в настоящее время не используется, но при полускоростном режиме он может использоваться для организации второго канала SACCH. Для передачи в 12-ом кадре могут использоваться 8 слотов.

Поскольку один канал SACCH при полноскоростном режиме занимает один слот с информационным полем 114 бит (см. рис. 1.27), а время передачи 0,12 с, то скорость передачи по этому каналу 114/0,12 = 950 бит/с.

Слоты канала FACCH передаются со скоростью слота трафика.

Остальные каналы управления передаются в мультикадре управления (см. рис. 1.28), содержащем 51 кадр. Организация каналов управления [13, 29] в таком мультикадре показана на рис. 1.31.

Широковещательный канал управления ВССН или общий канал управле­ния СССН могут использоваться всеми абонентами, находящимися в данной соте.

При передаче в направлении от сети к MS весь мультикадр разбивается на 5 групп, по 10 кадров в каждой. Каждая группа начинается кадром канала подстройки частоты FCCH, за которым следует кадр канала синхронизации SCH. Остальные 8 кадров разделяются на два блока по 4 кадра. Первая груп­па первого блока предназначена для передачи ВССН. Второй блок этой груп­пы и остальные 8 блоков (всего 9 блоков), принадлежащие другим группам, предназначены для передачи кадров СССН, а именно, входящих в него ши­роковещательного канала коротких сообщений РСН (канал вызова) и канала предоставления доступа AGCH. Эти блоки называются блоками передачи ка­налов вызова. Таким образом, в рассматриваемом случае используются 4 кадра для передачи ВССН, 5 кадров — для передачи FCCH, 5 кадров — для SCH и 36 кадров (9 блоков вызова) — для AGCH, либо РСН

Линия от MS к сети используется только для передачи кадров канала с произвольным доступом RACH.

В табл. 1.12 сведены итоговые сведения по организации каналов управле­ния.

 

 

1.8.              Преобразование речи

 

Рис. 1.32 отражает последовательность действий при преобразовании речи в радиосигнал и обратном преобразовании.

 

1.8.1.      Речевое кодирование

 

На основании субъективных показателей качества речи и сложности реализа­ции (которая связана со стоимостью, задержкой обработки и потребляемой мощностью) в GSM выбрано кодирование с линейным предсказанием с воз­буждением регулярной импульсной последовательностью (RPE-LPC, Regu­lar Pulse Excitation - Linear Predictive Coding). В основу этого метода положен принцип предсказания, когда информация от предыдущих временных отсче­тов используется, чтобы предсказать текущий временной отсчет . Коэффици­енты линейной комбинации предыдущих временных отсчетов, плюс закоди­рованная форма остаточных, разность между предсказанным и фактическим временным отсчетом представляют собой сигнал. Для восстановления сигна­ла на приеме используются коэффициенты предсказания, линейная комбина­ция предыдущих временных отсчетов, закодированные значения разности между предсказанным и фактическим временным отсчетом.

Временные отсчеты речевого аналогового сигнала осуществляются с ин­тервалом 20 мс. Каждый отсчет закодирован 260 битами, что определяет пол­ную скорость передачи информации 13 кбит/с. Это — так называемое коди­рование речи на полной скорости (full rate). В [3] рассмотрены принципы реализации кодеров с линейным предсказанием.

В настоящее время в системе GSM используются усовершенствованные кодеры. Обобщенная блок-схема такого кодера приведена на рис. 1.33. Она отличается наличием двух устройств: медленного анализатора (синтезатора) и быстрого, улучшающих систему предсказания [30, 36].

Некоторыми североамериканскими операторами в системе GSM-1900 был реализован алгоритм преобразования речи «усовершенствованная полная

скорость» (EFR — Enhanced Full-Rate). Он обеспечивает улучшенное речевое качество, используя существующую скорость 13 кбит/с [70, 85].

 

1.8.2.      Канальное кодирование и модуляция

 

Из-за влияния естественных или искусственных электромагнитных помех за­кодированная речь или данные, передаваемые по радиоинтерфейсу, должны быть защищены от ошибок. Стандарт GSM использует сверточное кодирова­ние (convolution encoding) и чередование блоков (block interleaving) [8, 25]. Конкретные алгоритмы отличаются для речи и для различных скоростей пере­дачи данных. Метод, используемый для речевых блоков, описан ниже.

Рассмотрим речевой кодер-декодер, который формирует блок длиной 260 битов для каждых 20 временных отсчетов речи каждые 20 мс (рис. 1.34).

 

 

Субъективные испытания показали, что некоторые биты этого блока были более важны для качества речевого восприятия, чем другие. Поэтому биты разделены на три класса:

- Класс 1а — 50 битов наиболее чувствительные к ошибкам;

- Класс Ib — 132 бита умеренно чувствительные к ошибкам;

- Класс II — 78 битов наименее чувствительные к ошибкам.

К классу 1а добавлен циклический избыточный код (3 бита) для обнару­жения ошибок. Если ошибка обнаружена, кадр оценивается как «значительно поврежденный» и удаляется. Он может быть заменен несколько укороченной версией предыдущего правильно полученного кадра. Эти 53 бита вместе с 132 битами класса Ib и концевой последовательностью ТВ длиной 4 бита составляют в сумме 189 битов.

Напомним, что сверточное кодирование (convolution coding) [6, 22] — это метод передачи с исправлением ошибок, при котором каждое поле входной последовательности длиной К преобразуется в канальный поток данных дли­ной п. Величина К — называется длиной кодового ограничения (constrain length). Она указывает длину регистра сдвига, запоминающего поле входного потока. Каждый бит выходной последовательности получается путем комби­нирования бита исходной последовательности и бита, получаемого как ре­зультат суммирования по модулю 2 нескольких последовательно передавае­мых символов входной последовательности (рис. 1.35). Отношение длины исходной информационной последовательности к длине кодированной по­следовательности называется скоростью кодирования (code rate) и обознача­ется г. На рис. 1.35 показан принцип сверточного кодирования при К = 3 и г = 1/2, при этом выполняется следующая последовательность действий:

 

В стандарте GSM используется сверточный кодер с кодовым ограничени­ем К= 5. Каждый входной бит закодирован двумя битами выходного потока (г = 1/2), базируясь на комбинации предыдущих 5 входных битов. Таким об­разом, сверточный кодер передает на выход 378 битов, к которым добавля­ются 78 остающихся битов класса II, не защищенные помехоустойчивым ко­дированием. Таким образом, 20-миллисекундные временные отсчеты речи закодированы в виде 456 битов (рис. 1.36) и требуют скорости передачи ин­формации 22,8 кбит/с.

Цифровой сигнал модулируется на аналоговую несущую частоту, исполь­зуя гауссовскую манипуляцию с минимальным частотным сдвигом (GMSK — Gaussian Minimum Shift Keying). Этот вид модуляции [3, 22] является одним из вариантов минимальной частотной манипуляции (MSK). Напомним, что этот вид частотной модуляции отображает двоичные импульсные сигналы двумя сигнальными частотами, сдвинутыми по фазе на 180° на каждом так­товом интервале. GMSK отличается тем, что импульсы входной последова­тельности сглаживаются с помощью фильтра нижних частот и приводятся к форме гауссовской кривой. Такая форма обеспечивает более низкий уровень внеполосного излучения и уменьшает влияние на соседние каналы. Однако этот способ модуляции по сравнению с другими имеет меньшую спектраль­ную эффективность. Например, он позволяет передавать около 0,7 бит/с на Гц (теоретическая спектральная эффективность для квадратурной фазовой манипуляции равна 2 бит/с на Гц) и увеличивает энергетические затраты.

Способ GMSK был выбран как компромисс между спектральной эффек­тивностью, сложностью передатчика и уменьшением побочного излучения. Сложность передатчика связана с потребляемой мощностью, которая должна быть минимальна для подвижной станции. Побочное излучение в заданной ширине полосы должно строго управляться, чтобы ограничить помехи от со­седнего канала и обеспечить сосуществование GSM и старых аналоговых систем (по крайней мере, в настоящее время).

Для оценки правильности передачи 50 битов, чувствительных к ошибкам (класс 1а), используется избыточность в виде трех битов, которые получаются уже ранее рассмотренными методами с использованием полинома G(X)=X3 +X + 1. При обнаружении ошибок нарушенный блок заменяется образом предыдущего блока для исключения помех в разговоре (шорохи и трески).

Для декодирования сверточного кода применяется алгоритм Витерби [3, 7]. Он состоит в том, что получаемая часть входной последовательности (напри­мер 2 бита) анализируется для того, чтобы получить все возможные исходные последовательности, из которых она может быть получена. Из таких после­довательностей выбирается наиболее «правдоподобная» (согласно вероятно­сти перехода). Обоснование этого метода требует достаточно сложного ма­тематического аппарата, поэтому приведем ссылку на один из источников [76-78], который отличается доступным изложением.

 

1.8.3.      Перестановка/деперестановка. Шифрование/дешифрование

 

Перестановка (перемежение) информации — это изменение позиций блоков информации относительно друг друга, которое позволяет разнести стоящие рядом символы, принадлежащие одному и тому же сообщению. При этом групповые ошибки преобразуются в одиночные и эффективно исправляются, например сверточным декодером. Имеются несколько алгоритмов переста­новки (перемежения) [41, 49]. Например, алгоритм перестановки блоков ин­формации в соответствии с таблицей (табличное перемежение), алгоритм диагонального перемежения и т.д. Ниже рассмотрен один наиболее простой алгоритм [115], который используется чаще всего в сочетании с другими.

Принцип перестановки в данном случае заключается в том, что времен­ные отсчеты в стандарте GSM длиной 456 битов (для полной скорости пере­дачи речи) разбиваются на 8 групп по 57 битов. Каждая такая группа переда­ется в различных пакетах трафика и в различных кадрах. Биты в каждом па­кете пронумерованы и разделены на четные и нечетные. В соответствии с этим они включаются в различные пакеты трафика. Принцип перестановки информации показан на рис. 1.37. Структура кадров рассмотрена ранее (см. рис. 1.27).

 

Основной недостаток принципа перестановки — это вносимая задержка на накопление пакетов информации, их перестановку и передачу.

В стандарте GSM защита информации представлена средствами шифро­вания передаваемых данных. Метод шифрования не зависит от типа переда­ваемых данных (речь, пользовательские данные или сообщения сигнализа­ции). Шифрование применяется только к нормальным пакетам (normal burst).

Шифрование осуществляется преобразованием с помощью операции «ис­ключающее ИЛИ». Эта операция проводится между псевдослучайной много­разрядной последовательностью и 114 полезными битами нормального паке­та (все информационные биты кроме двух контрольных флагов). Псевдослу­чайная последовательность формируется на основе номера пакета и сеансо­вого ключа (session key). Ключ устанавливается в начале сеанса путем обмена сигналами между приемником и передатчиком и используется только в тече­ние одного сеанса связи. После окончания сеанса ключ автоматически стира­ется. Расшифровка использует тот же самый ключ шифрования.

 

1.9.             Методы улучшения качества передачи сигналов

 

Подавление искажений из-за многолучевого распространения

 

В диапазоне работы радиосредств системы GSM радиоволны отражаются от всего — зданий, холмов, автомобилей, самолетов, и т.д. Таким образом, приемной антенны может достигнуть множество отраженных сигналов с раз­личными фазами и вызвать замирание (fade). Замирание — явление, при ко­тором в течение определенного интервала времени происходит то постепен­ное усиление, то ослабление сигнала. Подавление искажений из-за многолу­чевого распространения (multipath propagation) используется для того, чтобы извлечь желательный сигнал из нежелательных отражений. Оно работает, оп­ределяя как известный переданный сигнал искажен замиранием из-за много­лучевого распространения, и настраивает обратный фильтр, чтобы извлечь остальную часть переданного сигнала. Этот известный сигнал — 26 битов обучающей последовательности, передаваемой в середине каждого времен­ного интервала пакета. Практическая реализация подавления искажений в спецификациях стандарта GSM не определена.

 

Скачок частоты

 

Мобильная станция позволяет использовать любую из заданных частот. Это означает, что значение частоты может изменяться между передатчиком и приемником и управляться в пределах одного кадра TDMA. Станции, рабо­тающие в стандарте GSM, используют эту свойственную для стандарта под­вижность частоты, чтобы осуществить медленный скачок частоты, когда время смены частоты существенно больше временного интервала, соответст­вующего одному информационному символу. При этом мобильная станция и BTS передают информацию в течение короткого интервала времени на раз­личных несущих частотах. Процесс управления скачком частоты является широковещательным и выполняется по широковещательному каналу управ­ления ВССН. Так как замирание из-за многолучевости зависит от несущей частоты, медленные скачки частоты помогают облегчить проблему помех. Отметим также, что межканальные помехи в действительности случайны и взаимно не связаны.

 

Прерывистая передача

 

Уменьшение межканальных помех — цель любой сотовой системы, так как обеспечивает лучшее обслуживание для данной скорости передачи или увеличивает скорость передачи, а следовательно, полную емкость системы.

 

1.10.        Методы улучшения качества передачи сигналов

 

Подавление искажений из-за многолучевого распространения

 

В диапазоне работы радиосредств системы GSM радиоволны отражаются от всего — зданий, холмов, автомобилей, самолетов, и т.д. Таким образом, приемной антенны может достигнуть множество отраженных сигналов с раз­личными фазами и вызвать замирание (fade). Замирание — явление, при ко­тором в течение определенного интервала времени происходит то постепен­ное усиление, то ослабление сигнала. Подавление искажений из-за многолу­чевого распространения (multipath propagation) используется для того, чтобы извлечь желательный сигнал из нежелательных отражений. Оно работает, оп­ределяя как известный переданный сигнал искажен замиранием из-за много­лучевого распространения, и настраивает обратный фильтр, чтобы извлечь остальную часть переданного сигнала. Этот известный сигнал — 26 битов обучающей последовательности, передаваемой в середине каждого времен­ного интервала пакета. Практическая реализация подавления искажений в спецификациях стандарта GSM не определена.

 

Скачок частоты

 

Мобильная станция позволяет использовать любую из заданных частот. Это означает, что значение частоты может изменяться между передатчиком и приемником и управляться в пределах одного кадра TDMA. Станции, рабо­тающие в стандарте GSM, используют эту свойственную для стандарта под­вижность частоты, чтобы осуществить медленный скачок частоты, когда время смены частоты существенно больше временного интервала, соответст­вующего одному информационному символу. При этом мобильная станция и BTS передают информацию в течение короткого интервала времени на раз­личных несущих частотах. Процесс управления скачком частоты является широковещательным и выполняется по широковещательному каналу управ­ления ВССН. Так как замирание из-за многолучевости зависит от несущей частоты, медленные скачки частоты помогают облегчить проблему помех. Отметим также, что межканальные помехи в действительности случайны и взаимно не связаны.

 

Прерывистая передача

Уменьшение межканальных помех — цель любой сотовой системы, так как обеспечивает лучшее обслуживание для данной скорости передачи или увеличивает скорость передачи, а следовательно, полную емкость системы.

Прерывистая передача (DTX — Discontinuous Transmission mode) — метод, преимущество которого основано на том, что фактически человек при нор­мальном сеансе связи говорит меньше 40 % времени. Поэтому возможно вы­ключать передатчик в течение периодов молчания. Дополнительное преиму­щество состоит в том, что DTX экономит энергию мобильной станции.

Самый важный компонент DTX, конечно, устройство обнаружения голо­совой активности (VAD — Voice Activity Detector). Оно должно отличить речь от шумов — задача, которая не так тривиальна, как это кажется. Если речевой сигнал неправильно интерпретируется как шум, передатчик выклю­чается и возникает очень раздражающий эффект, называемый клиппировани-ем на приемном конце. Если, с другой стороны, шум ошибочно интерпрети­руется слишком часто как речевой сигнал, эффективность DTX резко умень­шается. Другой фактор, который следует учитывать, состоит в том, что, когда передатчик выключен, то на приемном конце устанавливается полная тишина из-за цифрового характера GSM. Чтобы дать знать пользователю на прием­ном конце, что соединение существует, требуется подключение шума ком­форта на приемном конце, который бы соответствовал характеристикам фо­новых шумов, поступающих с передающего конца.

 

Прерывистый прием

Другой метод сохранения энергии в подвижной станции — прерывистый прием. Широковещательный канал коротких сообщений (РСН), используе­мый для того, чтобы сигнализировать о вызове базовой станции к мобильной станции, разделяется на подканалы. Каждой подвижной станции выделяется свой собственный подканал. Работа подканалов осуществляется в различные интервалы времени. В режиме ожидания вызова во время между последова­тельными интервалами работы мобильная станция может переходить в ре­жим, когда энергия почти не потребляется.

 

Управление мощностью

В соответствии с пиковой мощностью передатчика существует пять клас­сов подвижных станций с номиналами мощности 20, 8, 5, 2, и 0,8 Вт. Чтобы снизить межканальные помехи и сохранить энергию электропитающего при­бора, приемопередатчики мобильных станций и базовые станции работают на самой низкой мощности, которую выбирают, исходя из небходимости под­держания приемлемого качества сигнала. Мощность передатчика может под­бираться путем ступенчатого увеличения или уменьшения ее значения на 2 дБ относительно пикового.

Подвижная станция измеряет мощность и качество сигнала (основанное на коэффициенте битовых ошибок — BER) и передает информацию на кон­троллер базовой станции (BSC), который, в конечном счете, решает, изме­нить ли и когда изменить уровень мощности. Управление мощностью должно осуществляться с учетом влияния на соседние станции и зоны, поскольку оно может стать причиной неустойчивой работы сети. В зоне этой станции име­ются соседние подвижные станции, которые увеличивают свою мощность в ответ на увеличение межканальных помех, вызванных другими подвижными станциями, что может привести к отказу сети. Практически это явление ма­ловероятно, оно находится в стадии изучения.