Сотовая система связи стандарта GSM PDF Print E-mail
Written by Administrator   
Friday, 04 May 2012 16:56

Характеристики стандарта GSM-900. В стандарте GSM-900 используется кодек преобразования речи с регулярным импульсным возбуждением (долговременным предсказанием и линейным предикативным кодированием с предсказанием). При этом общая скорость преобразования речевого сигнала составляет 13 кбит/с, скорость передачи сообщения в радиоканале - 270,833 кбит/с. Метод разнесения каналов - перемежение и скачки по частоте, о чём подробнее будет сказано ниже. Эквивалентная полоса частот, выделяемая на речевой канал, 25 кГц. Требуемое отношение несущая'интерференция 9 дБ. Максимальное число каналов, организуемых в базовой станции, 16-20. Ширина полосы предмодуляционного гауссовского фильтра 81,2 кГц. Число скачков по частоте в секунду 217. Временное разнесение в интервалах кадра (передача/приём) для подвижной станции-2. Радиус соты 0,5... 35 км.

Стандарт GSM использует полосу частот 890...915 МГц-для передатчиков подвижными приёмников базовым станций, а 935...960 МГц-для передатчиков базовых и приёмников подвижных станций. Ширина полосы канала связи составляет 200 кГц. что позволяет организовать в сетях GSM 124 частотных канала. Частоты, выделенные для передачи сообщений подвижной станции на базовую и в обратном направлении, группируются парами, образуя дуплексный канал с разносом 45 МГц. Эти пары частот сохраняются и при перескоках частоты. Каждая сота характеризуется фиксированным присвоением определённого количества пар частот.

Каждая из 124-м несущих содержит восемь временным позиций многостанционного доступа с временным разделением каналов (Time Division Multiply Access - ТDМА), размещённых в восьми временных окнах в пределах кадра и в последовательности кадров. Каждый физический канал использует одно и то же временное окно в каждом временном кадре.

До формирования физического канала сообщение и данные, представленные в цифровой форме, группируются и объединяются в логические каналы двум типов: каналы связи-для передачи кодированной речи или данных (КС); каналы управления -для передачи сигналов управления и сигнализации (КУ). Более чем один тип логического канала может быть размещён на одном и том же физическом канале, но только при их соответствующей комбинации.

В стандарте GSM применяется гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK), при которой последовательность информационным бит до модулятора проходит через фильтр нижних частот с гауссовской характеристикой, что приводит к существенному уменьшению полосы частот излучаемого радиосигнала. В радиосигнале с GMSK-модуляцией на интервале одного информационного бита фаза несущей изменяется на 90°. Индекс манипуляции составляет 0,3.

Квадратурный GMSK-модулятор состоит из двух умножителей и одного сумматора. Один умножитель изменяет амплитуду синусоидального, а второй косинусоидального колебания. Входной сигнал до умножителя разбивается на две квадратурные составляющие. Для модуляции GMSK характерны: постоянная по уровню огибающая, которая позволяет использовать эффективные передающие устройства с усилителями мощности в режиме класса С, компактный спектр с низким уровнем внеполосного излучения на выходе усилителя мощности передатчика, высокая помехоустойчивость канала связи.

Структура сети GSM. Структурная схема сети (рис. 6) состоит из системы управления и системы обеспечения радиосвязи, включающей оборудование базовых станций и подсистему коммутации.

При передаче информации начальным (и конечным) пунктом системы связи GSМ, как и любой другой сотовой системы, является абонентский терминал-подвижная станция (ПС) (либо абонент в телефонной сети общего пользования). В ней речевой сигнал обрабатывается по определённому алгоритму и после модуляции передаётся на оборудование базовой станции (БС). В БС входят ряд приёмо-передающим станций (ППС), где принятый сигнал демодулируется и попадает на контроллер базовой станции (КБС), управляющий работой приёмо-передающих станций, обрабатывающий сигналы и распределяющий каналы. После КБС сигнал поступает на транскодирующее устройство (ТКУ), которое осуществляет кодирование и декодирование информации при обмене между ППС и центром коммутации подвижной связи (ЦКС), передачу управляющей информации и согласование различных скоростей в сети GSM. Устройства ППС, КБС и ТКУ образуют оборудование базовой станции, которая, в свою очередь, вместе с ПС образует радиосистему.

Рис. 6


При определении местоположения подвижной станции ЦКС посылает запрос к РПр. Если станция проявляет инициативу по определению местоположения с ЦКС, он информирует свой РПр, который заносит при каждом переходе ПС из одной области местоположения в другую всю изменяющуюся информацию в свои регистры. Если абонент изменяет некоторые свои данные или запрашивает специальные дополнительные услуги, ЦКС также информирует об этом РПр, который регистрирует все изменения и передаёт их на РПл. При всех этих действиях обмен информацией между ЦКС и РПр происходит посредством В-интерфейса. Кроме регистрации местоположения, В-интерфейс используется при установлении исходящих и входящих соединений, а также при передаче информации по аутентификации абонента.

В конце сеанса связи ЦКС может послать сообщение регистру положения для тарификации и оплаты абонентом разговора. Если фиксированная телефонная сеть не способна осуществить процедуру маршрутизации для подвижного абонента, ЦКС может послать запрос о местоположении абонента РПл. В этих случаях задействуется С-интерфейс.

Все данные о местоположении подвижной станции для пополнения регистра положения из регистра перемещения при передвижении ПС, а также некоторые команды управления связью передаются посредством 0-интерфейса. При переходе абонента из одной зоны связи чёткое взаимодействие ЦКС обеспечивается с помощью Е-интерфейса. Для связи КБС с центром управления и обслуживания предназначен 0-интерфейс. Сетевой управляющий интерфейс между ЦО и элементами сети является аналогом интерфейса 0.3. Стандартные интерфейсы обеспечивают взаимодействие элементов сети связи через сети передачи данных (СПД) или локальные сети связи.

Структура ТDМА кадров и формирование радиосигнала в стандарте GSM поясняются с помощью рис. 7. Для организации каналов связи и управления в стандарте GSM используются два вида мультикадров: 26- и 51-позиционные кадры с временным разделением каналов. Суперкадр может содержать 51 мультикадр I первого типа (для реализации каналов связи) или 26 мультикадров II второго типа (для реализации каналов управления}. Каналы связи делятся на каналы передачи речи и каналы передачи данных. Каналы управления могут быть четырех видов и обеспечивают передачу сигналов управления и синхронизации.

Рис. 7


Однако, как для каналов связи, так и для каналов управления ТDМА кадр состоит из восьми слотов (пачек), имеющих разную структуру и информационное содержание в зависимости от их назначения. Пачки бывают пяти видов: нормальные, коррекции частоты, синхронизации, доступа и установки.

Нормальная пачка (НП) допускает передачу 114 бит кодированной информации (КИ). Информационный блок состоит из двух блоков по 57 бит в каждом, разделённых между собой 26-битовой обучающей последовательностью (ОП), использующейся для подстройки приемника в соответствии с характеристиками канала связи в момент передачи по нему информации. Двухбитовая флаговая комбинация (Ф) определяет начало и конец передачи информации. Перед первым и в конце второго блоков идут хвостовые биты (ХБ) или концевая комбинация. Завершает пачку защитный интервал (ЗИ) в 8,25 бит.

Пачка коррекции частоты (ПКЧ) используется для синхронизации по частоте мобильной станции с базовой; 142 бита, образующие установочный блок, являются нулевыми (МБ), что соответствует передаче немодулированной несущей. Повторяющиеся ПКЧ образуют канал установки частоты.

Пачка временной синхронизации (ПС) несёт в себе расширенную обучающую синхропоследовательность (РОП) в 64 бита, характеризующую номер ТОМА кадра и идентификационный код базовой станции. Повторяющиеся ПС образуют канал синхронизации.

Пачка доступа (ПД) используется для установления связи между мобильной станцией и новой базовой станцией. Такая пачка содержит большой защитный интервал. Пачка установки (ПУ) устанавливает связь и тестирует канал связи.

Для обеспечения частотного разнесения в радиоканалах с многолучевым распространением радиоволн в процессе сеанса связи в сети С8М используются медленные скачки по частоте. При этом сообщение, передаваемое абоненту в выделенном временном интервале информационного кадра, в каждом последующем кадре передаётся на новой несущей частоте (рис.6.9). Применение медленных скачков по частоте позволяет уменьшить вероятность групповых ошибок в передаваемом сигнале за счет уменьшения замираний. Так как рэлеевские замирания являются частотно селективными, то при переходе с одной частоты, на которой имело место замирание, на другую частоту, не обязательно слишком удалённую от первой, замирания с большой вероятностью не будет Таким образом, снижается вероятность замираний, а значит и групповых ошибок

Рис. 8


В процессе скачков по частоте постоянно сохраняется дуплексный разнос частот 45 МГц между каналами приёма и передачи. Каждому активному абоненту ставится в соответствие определённая ортогональная формирующая последовательность, что исключает взаимные помехи между абонентами в соте. Параметры последовательности передаются мобильной станции от базовой в процессе установления канала. В смежных сотах используются разные последовательности.

Структура логических каналов управления. Каналы управления обеспечивают передачу сигналов управления и синхронизации. Различают четыре вида каналов управления; передачи сигналов управления, общие, индивидуальные и совмещённые.

Каналы передачи сигналов управления используются от базовой на все подвижные станции. Они несут информацию, необходимую подвижным станциям для работы в системе связи. Различают три вида таких каналов: канал подстройки частоты для передачи немодулированной несущей с фиксированным частотным сдвигом относительно номинального значения частоты канала связи, канал временной синхронизации и канал управления передачей.

Общие каналы управления включают: канал вызова от базовой станции к подвижной для её вызова, канал параллельного доступа от подвижной станции к базовой для запроса о назначении индивидуального канала управления и канал разрешённого доступа для передачи с базовой станции на подвижную.

Индивидуальные каналы управления, используемые в двух направлениях для связи между базовой и подвижной станциями, состоят либо из четырёх, либо из восьми подканалов. По этим каналам обеспечивается запрос подвижной станции о требуемом виде обслуживания, контроль правильного ответа базовой станции и выделение, если это возможно, свободного канала связи.

Совмещённые каналы управления также используются между базовой и подвижной станциями. Они передают команду управления от БС к ПС и информацию от ПС к БС о статусе подвижной станции. Быстрый совмещённый канал управления обеспечивает передачу команд при передвижении ПС из одной соты в другую, а медленный - установку выходной мощности передатчика ПС. Совмещённые каналы управления всегда объединяются либо с каналами связи, либо с индивидуальными каналами управления. При этом различают шесть видов объединённых каналов управления.

Организация физических каналов. Для передачи информации каналов связи, а также быстрых либо медленных совмещённых каналов управления используется 26-кадровый мультикадр. В полноскоростном канале связи в каждом 13-м временном кадре мультикадра передаётся пакет информации медленного совмещённого канала управления. При этом каждый 26-й временной кадр мультикадра свободен. В полу скорости ом канале связи пакет информации быстрого совмещённого канала управления передаётся в каждом 13-м и 26-м временных кадрах мультикадра.

Для одного физического канала в каждом ТDМА кадре используется 114 бит. Поскольку в мультикадре для передачи информации канала связи используется 24 временных кадра из 26-ти, а длительность мультикадра составляет 120 мс. общая скорость передачи информационных сообщений по каналу связи составляет 22,8 кбит/с. Медленный совмещённый канал управления занимает в полноскоростном канале связи только один кадр (114 бит). Тогда скорость передачи по этому каналу составит 950 бит/с. Полная скорость передачи в двух этих объединённых каналах с учетом пустого 26-го временного кадра составит 24,7 кбит/с.

За время 26-ти кадрового мультикадра (в одном физическом канале) может передаваться информация двух полускоростных каналов связи, каждый по 12 ТDМА кадров. Пустой 2б-й кадр в полноскоростном канале связи отводится для медленного совмещённого канала управления во втором полу скорости ом канале связи. Для каждого полу скор ости о го канала связи скорость передачи составляет 11,4 кбит/с; полная скорость передачи в объединённом полу скорости ом канале связи и медленном совмещённом канале управления остаётся прежней - 24,7 кбит/с. Информация быстрого совмещённого канала управления передаётся половиной информационных бит временного интервала кадра в канале связи, с которым он совмещается в восьми последовательных кадрах. Для передачи информации каналов управления, за исключением совмещёных, используется 51-кадровый мультикадр.