Организация работы системы сотовой связи PDF Print E-mail
Written by Administrator   
Tuesday, 08 May 2012 17:05

Прежде чем приступить к описанию организации непосредственно процедур и режимов работы системы сотовой связи, нам придется уделить некоторое внимание организации информационного обмена по эфирному интерфейсу, с которым мы познакомились ранее. Дело в том, что кроме собственно информации речи по каналу связи должна передаваться так называемая сигнальная информация, или информация сигнализации (английский термин signaling), включающая информацию управления и информацию контроля состояния аппаратуры; для ее обозначения будем употреблять также наименование управляющая информация или просто управление. Поэтому в этой записи рассмотрим, как организуется использование каналов связи, и начнем с определения часто употребляемых при этом понятий частотных, физических и логических каналов.

Частотный канал – это полоса частот, отводимая для передачи информации одного канала связи. Правда, как мы фактически уже отмечали ранее, при использовании метода TDMA в одном частотном канале передается информация нескольких каналов связи, т.е. в одном частотном канале размещается несколько физических каналов, но это не противоречит приведенному определению частотного канала, а подробнее мы рассмотрим это ниже – при определении понятия физического канала. Поясним понятие частотного канала конкретными примерами.

В стандарте D-AMPS в США для передачи информации прямого канала (от базовых станций к подвижным) отводится полоса частот 869…894 МГц, а для передачи информации обратного канала – полоса 824…849 МГц, т.е. прямой и обратный каналы разнесены по частоте на 45 МГц (дуплексный разнос по частоте). Один частотный канал занимает полосу Af = 30 кГц, так что в пределах выделенного диапазона, с учетом защитных полос по краям, размещается 832 частотных канала. Частотным каналам присвоены номера от 1 до 799 (включительно) и от 991 до 1023; Иногда фигурирует и канал с номером 990, но фактически он не используется и не входит в указанное выше число 832 каналов. Центральная частота канала (в МГц) связана с его номером N соотношениями: обратный канал:

f0 = 825,000 + 0,030 N, 1 < N < 799,

f0 = 825,000 + 0,030 (N – 1023), 991 < N < 1023;

прямой канал:

fn = 870,000 + 0,030 N, 1 < N < 799,

fn = 870,000 + 0,030 (N – 1023), 991 < N < 1023.

Понятия «оператор А» и «оператор В» – специфически американские. Они связаны с тем, что в соответствии с законодательством США лицензии на операторскую деятельность в любом регионе выдаются сразу двум компаниям, между которыми и делится пополам от­веденный под сотовую связь частотный диапазон. Исторически одна из двух компаний обычно была компанией, оказывающей одновременно услуги проводной телефонной связи (wireline provider, или wireline carrier), – это «оператор В», а другая – компания, спе­циализирующаяся на беспроводной связи (non-wireline provider, или non-wireline carrier), – «оператор А».

Разумеется, принятое в США распределение частотных каналов, равно как и выделенный для сотовой связи частотный диапазон, не переносятся автоматически на другие страны, в том числе и на Россию. Однако поток американских публикаций по сотовой связи столь велик, что мы посчитали целесообразным привести изложенные выше сведения, так как без деталей такого рода понимание опубликованного материала бывает затруднительным.

В стандарте GSM 900 для передачи информации прямого канала отводится полоса 935…960 МГц, а обратного – 890…915 МГц, т.е. дуплексный разнос по частоте также составляет 45 МГц. Один частотный канал занимает полосу Δf = 200 кГц, так что всего в полном диапазоне, с учетом защитных полос, размещается 124 частотных канала. Центральная частота канала (в МГц) связана с его номером N соотношениями:

обратный канал:

f0 = 890,200 + 0,200 N, 1 < N < 124;

прямой канал:

fn = 935,200 + 0,200 N, 1 < N < 124.

Заметим, что один частотный канал, строго говоря, занимает две полосы Af (по 30 или 200 кГц – для стандартов D-AMPS и GSM соответственно) – одну под прямой, а другую под обратный канал связи. При использовании режима работы со скачками по частоте (раздел 2.4.5) для передачи информации одной и той же группы физических каналов последовательно во времени используются различные частотные каналы.

Перейдем к понятию «физический канал».

Физический канал в системе с множественным доступом на основе временного разделения (TDMA) – это временной слот с определенным номером (или пара слотов с номерами, отличающимися на 3 при полноскоростном кодировании в стандарте D-AMPS) в последовательности кадров эфирного интерфейса. Таким образом, в одном частотном канале в стандарте D-AMPS при полноскоростном кодировании передается информация трех физических каналов, при полускоростном кодировании – информация шести физических каналов, а в стандарте GSM всегда передается информация восьми физических каналов, но при полускоростном кодировании один физический канал со­держит два канала трафика, информация которых передается по очереди, через кадр. Иными словами, при этом реализуется временное уплотнение каналов в 3 или 8 раз соответственно при полноскоростном кодировании и в 6 или 16 раз – при полускоростном. В этом и заключается одно из основных преимуществ цифрового поколения сотовой связи по сравнению с аналоговым.

Логические каналы различаются по виду (составу) информации, передаваемой в физическом канале. В принципе в физическом канале может быть реализован один из двух видов логических каналов – канал трафика или канал управления; каждый из них, в свою очередь, может в общем случае существовать в одном из нескольких вариантов (типов).

С понятием канала управления мы по существу уже познакомились. Логический канал трафика – это канал передачи речи или данных (компьютерных данных, факсимильных сообщений), т.е. той информации, ради которой, собственно, и создается сотовая связь. Термин трафик происходит от английского traffic (информационный поток, поток транспорта) и в применении к связи определяется как совокупность сообщений, передаваемых по линии свяЗи, или как совокупность требований абонентов, обслуживаемых сетью связи. Коль скоро мы договорились, что в рамках данной книги ограничиваемся в основном передачей речи, то канал трафика оказывается для нас тождественным каналу передачи речи.

В стандарте D-AMPS версии IS-54, с его относительно простым эфирным интерфейсом, понятие «логические каналы» обычно не используется. Фактически на рис.2.9 представлена структура слота для логического канала трафика, в котором частично пере­дается и информация управления (поля SACCH, CDVCC, Sync). Логический канал управления здесь по существу представлен укороченной пачкой, используемой на этапе установления связи, и быстрым совмещенным каналом управления FACCH (Fast Associated Control Channel). Информация канала FACCH передается вместо информации речи, т.е. структура слота логического канала управления отличается от структуры слота логического канала трафика заменой поля Data на поле FACCH. Сегмент речи продолжительностью 40 мс при этом просто пропускается (теряется). Допустимая частота замены канала трафика каналом управления не регламентирована, но из общих соображений очевидно, что чем чаще это будет происходить, тем сильнее будет снижаться качество передачи речи. Замена информации речи информацией канала FACCH никак не помечается внутри слота, и характер информации выясняется лишь при ее декодировании.

Кроме того, в стандарте IS-54 используются так называемые выделенные каналы управления (табл.2.1), доставшиеся цифровой (или цифро-аналоговой) системе в наследство от аналоговой AMPS с небольшими дополнениями в части состава передаваемой информации. Эти частотные каналы всегда используются только как каналы управления, т.е. они никогда не бывают каналами трафика. Первичные выделенные каналы управления используются как в аналоговом, так и в цифровом стандарте. Вторичные выделенные каналы управления используются только в цифровом стандарте; в аналоговом стандарте соответствующие частотные каналы использовались как каналы трафика. Обычно для каждой базовой станции назначается один выделенный канал управления.

Информация в выделенных каналах управления передается в цифровой форме с использованием частотной манипуляции (Frequency Shift Keying – FSK) со скоростью 30 кбит/с. Передача информации организуется в виде кадров, длительность и структура которых различна в прямом и обратном каналах (рис.2.13).


Рис.2.13. Структура кадров сигнализации выделенных каналов управления системы D-AMPS: Dot - пунктир (Dotting) - последовательность чередующихся единиц и нулей (дает хорошо обнаруживаемую частотную составляющую 5 кГц); Sync -синхронизирующая последовательность, DCC - цифровой код цвета (Digital Color Code), А1...А5 - информационные слова для подвижных станций с четными номерами, В1...В5 - информационные слова для подвижных станций с нечетными номерами, W1...W5 - информационные слова.

В обоих случаях кадр начинается с пунктирной последовательности, означающей начало кадра, и синхронизирующей последовательности известной структуры. Затем следуют информационные слова, которые повторяются пятикратно для исключения слов с искажениями по мажоритарному принципу («3 из 5»), Для защиты от ошибок информационные слова дополнительно кодируются (код ВСН): из 40 бит слова прямого канала – 28 бит информационных и 12 контрольных; из 48 бит слова обратного канала – 36 информационных и 12 контрольных. В прямом канале информация передается синхронно (с жесткой привязкой ко времени), в обратном -асинхронно. Информационные поля кадра прямого канала содержат также так называемые биты «занято/свободно» – Busy/Idle (B/l) bits, по одному – в полях пунктира и синхронизации и по четыре – в каждом информационном слове; этими битами определяется временная привязка кадров сигнализации обратного канала (т.е. данная подвижная станция выдает свою информацию тогда, когда по состоянию бита «занято/свободно», канал не занят информацией, передаваемой другой подвижной станцией). Передаваемое сообщение может занимать более одного кадра.

В стандарте IS-136 выделенных каналов управления нет, т.е. все частотные каналы равноправны в отношении состава передаваемой информации, но в явном виде возникает необходимость в использовании понятия логических каналов – каналов трафика и каналов управления. Каналы трафика, как мы уже упоминали, в стандарте IS-136 не претерпели изменений по сравнению с IS-54. На структуре вновь появившихся цифровых каналов управления мы остановимся несколько подробнее.

Логические каналы управления стандарта Ib-i36 перечислены в табл. 2.2.
Таблица 2.2. Логические каналы управления стандарта IS-136Обратные каналы управления RACH
Прямые каналы управления ВССН: F-BCCH, Е-ВССН, S-BCCH SPACH: РСН, ARCH, SMSCH SCF


Для передачи информации логических каналов управления выделяется один физический канал, т.е. два слота в пределах одного кадра эфирного интерфейса при полноскоростном кодировании, по одному слоту в пределах каждого из двух блоков (рис. 2.10).

В обратном направлении (от подвижной станции к базовой) передается информация только одного логического канала управления – канала случайного доступа RACH (Random Access Channel). Информация этого канала используется для организации дос­тупа в систему сотовой связи со стороны подвижной станции и передается во всех слотах соответствующего физического канала.

В прямом направлении (от базовой станции к подвижной) передается информация нескольких логических каналов управления:
вещательного канала управления ВССН (Broadcast Control Channel) с подканалами быстрого вещательного управления F-BCCH (Fast ВССН), расширенного вещательного управления Е-ВССН (Extended ВССН) и вещательной передачи сообщений S-BCCH (Broadcast messaging);
канала SPACH с подканалами вызова РСН (Paging Channel), ответа на вызов ARCH (Access Response Channel) и передачи коротких сообщений по определенному адресу SMSCH («от точки к точке» – point-to-point Short Message Service Channel);
общего канала обратной связи SCF (Shared Channel Feedback).

Канал RACH (канал случайного доступа) используется при установлении связи по инициативе подвижной станции или, иными словами, для организации доступа в сеть со стороны подвижной станции. Канал SCF используется для передачи ответной инфор­мации в процессе организации этого доступа.

В канале ВССН передается информация, предназначенная для всех подвижных станций (вещательный режим передачи информации): это информация о состоянии сети (подканалы F-BCCH и Е-ВССН), а также вещательные короткие сообщения (подканал S-BCCH). Быстро изменяющаяся информация о состоянии сети, требующая частого обновления (параметры каналов управления и информация, существенная для организации доступа в сеть), передается в подканале F-BCCH, вся информация которого обновляется с частотой суперкадров. Менее срочная информация*передается в подканале Е-ВССН, передача одного сообщения в котором может растягиваться на несколько суперкадров.

Канал SPACH используется для передачи адресных сообщений, т.е. сообщений, адресованных конкретным подвижным станциям. В подканале РСН передается информация вызова, а также команды для подвижной станции. Подканал ARCH используется на завершающем этапе установления соединения подвижной станции с сетью. Подканал SMSCH предназначен для адресной передачи коротких сообщений.

Передача информации в прямых цифровых каналах управления организуется следующим образом. Информация канала SCF передается в соответствующем поле каждого слота канала управления. Информация остальных каналов размещается в полях Data и имеет определенную последовательность в пределах слотов суперкадра и гиперкадра. Всего в суперкадре при полноскоростном кодировании 32 слота канала управления. Первые слоты отводятся для подканала F-BCCH (от 3 до 10 слотов), следующие слоты – для Е-ВССН (от 1 до 8 слотов), затем – для S-BCCH (от 0 до 16 слотов) и в конце – для информации канала SPACH (от 2 до 28 слотов). Информация подканалов F-BCCH и РСН одинакова в обоих суперкадрах одного гиперкадра (дублирование информации с целью повышения достоверности ее приема); информация других подканалов в суперкадрах одного гиперкадра различна.

Принятая структура каналов управления предусматривает такую организацию вызова подвижной станции, которая поддерживает режим засыпания (sleep mode) последней. Для этого вызов повторяется с периодичностью кадра вызова, а длительность кадра вызова в зависимости от его класса составляет от 1,28 секунды до 123 секунд. Если говорить более конкретно, то длительность кадра вызова для классов 1…8 составляет соответственно 1, 2, 3, 6, 12, 24, 48 и 96 гиперкадров, и в обоих суперкадрах первого ги­перкадра в пределах кадра вызова передается информация вызова. Подвижная станция принимает (декодирует) информацию в первом (первичном) из двух указанных суперкадров, и если вызова в ее адрес нет, то «засыпает», т.е. отключается даже на прием до конца кадра вызова. Если декодировать информацию в первичном суперкадре не удается, например из-за искажений сигналов, вызванных помехами, то предпринимается попытка декодировать вторичный суперкадр, несущий ту же информацию подканалов F- ВССН и РСН, после чего подвижная станция также получает возможность «заснуть» до конца кадра вызова. По умолчанию, т.е. до первой регистрации в системе, подвижная станция использует кадр вызова класса 1, т.е. кадр вызова минимальной длительности (один гиперкадр). В дальнейшем длительность кадра вызова назначается сетью.

Структура логических каналов стандарта GSM в упрощенном виде приведена в табл. 2.3.
Таблица 2.3. Упрощенная структура логических каналов стандарта GSMВиды логических каналов Типы каналов в пределах видов
Каналы трафика ТСН TCH/FS, TCH/HS
Каналы управления ССН ВССН: FCCH, SCH СССН: РСН, RACH, AGCH SDCCH


ACCH: FACCH, SACCH


Логические каналы стандарта GSM делятся на каналы трафика и каналы управления.

Каналы трафика TCH (Traffic Channels), в свою очередь, делятся на полноскоростные TCH/FS (с полноскоростным кодированием; F – сокращение от Full – полный; S – Speech – речь) и полускоростные TCH/HS (Н – сокращение от Half – половина); в обоих случаях имеется в виду передача речи. Типы каналов трафика для передачи данных в табл.2.3 не включены (TCH/F9.6, TCH/F4.8, ТСН/Н4.8 и т.п.).

Каналы управления ССН (Control Channels) делятся на 4 типа: вещательные каналы управления ВССН (Broadcast Control Channels), общие каналы управления СССН (Common Control Channels), выделенные закрепленные каналы управления SDCCH (Standalone Dedicated Control Channels), совмещенные каналы управления ACCH (Associated Control Channels).

Вещательные каналы управления ВССН предназначены для. передачи информации от базовой станции к подвижным в вещательном режиме, т.е. без адресования к какой-либо конкретной подвижной станции. В число вещательных каналов управления входят: канал коррекции частоты FCCH (Frequency Correction Channel) – для подстройки частоты подвижной станции под частоту базовой, канал синхронизации SCH (Synchronization Channel) – для кадровой синхронизации подвижных станций, а также канал общей информации, не имеющий отдельного наименования.

Общие каналы управления СССН включают: канал вызова РСН (Paging Channel), используемый для вызова подвижной станции базовой; канал разрешения доступа AGCH (Access Grant Channel) – для назначения закрепленного канала управления, которое также передается от базовой станции на подвижную; канал случайного доступа RACH (Random Access Channel) – для выхода с подвижной станции на базовую с запросом о назначении выделенного канала управления. При передаче информации по общим ка­налам управления прием информации не сопровождается подтверждением.

Выделенные закрепленные каналы управления SDCCH (используются в двух вариантах, не отраженных в табл. 2.3) – автономные каналы управления для передачи информации с базовой станции на подвижную и в обратном направлении.


Рис.2.14. Структура мультикадра канала управления эфирного интерфейса системы GSM: R - канал RACH; F - канал FCCH; S - канал SCH; В - канал ВССН; С - канал AGCH/канал РСН; I - свободный кадр (Idle)

Совмещенные каналы управления АССН, также используемые для передачи информации в обоих направлениях (от базовой станции к подвижным и от подвижных к базовой) и имеющие несколько вариантов, не отраженных в табл.2.3, включают: медлен­ный совмещенный канал управления SACCH (Slow Associated Control Channel) – объединяется с каналом трафика (кадр 13 мультикадра канала трафика) или с каналом SDCCH; быстрый совмещенный канал управления FACCH (Fast Associated Control Channel) – совмещается с каналом трафика, заменяя в соответствующем слоте информацию речи, причем эта замена помечается скрытым флажком.

В отличие от дуплексных каналов – трафика и совмещенных каналов управления, размещаемых в канале трафика эфирного интерфейса, – симплексные каналы управления ВССН и СССН размещаются в нулевом слоте кадров канала управления эфирного интерфейса на так называемых несущих ВССН, имеющихся в ячейке.

Сообщения канала RACH могут быть переданы в нулевом слоте любого кадра в пределах 51-кадрового мультикадра канала управления (рис.2.14). Сообщение RACH передается подвижной станцией раз в 235 мс, т.е. только в одном из кадров мультикадра, при этом используется структура слота, соответствующая пачке доступа.

Сообщения каналов ВССН и СССН, передаваемые от базовой станции к подвижным (прямой канал), размещаются в нулевых слотах 50 кадров мультикадра канала управления эфирного интерфейса; последний, 51-й, кадр мультикадра остается свободным. Первые 50 кадров делятся на 5 блоков по 10 кадров: в начале каждого блока передается сообщение канала FCCH (структура слота – пачка коррекции частоты), далее – сообщение канала SCH (структура слота – пачка синхронизации), затем в первом блоке передается четыре сообщения канала ВССН и четыре сообщения канала AGCH или канала РСН, а в остальных четырех блоках все восемь сообщений отводятся под канал AGCH или РСН. Сообщения логических каналов управления в большинстве случаев кодируются со значительной избыточностью с целью защиты от ошибок при передаче информации.

И в заключение еще раз отметим, что изложенные сведения о структуре и организации работы логических каналов управления весьма схематичны и не претендуют на исчерпывающую полноту. Более того, такие сложные и ответственные разделы, как организация каналов управления, имеют тенденцию совершенствоваться со временем, так что детальное знакомство с их работой требует изучения новейших версий стандартов, содержащих последние изменения.