Марсель бавария смотреть онлайн прямую трансляцию видео футбол олимпик марсель видео.
Системы GSM PDF Print E-mail
Written by Administrator   
Tuesday, 08 May 2012 17:26

Сотовые или персональные коммуникационные системы, а также мобильные радиосистемы третьего поколения, — все это сотовые беспроводные сети связи, предоставляющие услуги передачи голоса и данных. Сотовые системы делят территории стран и континентов на малые области радиосвязи, связанные друг с другом. Каждая сота, обслуживающая зону, имеет один или несколько приемопередатчиков, взаимодействующих с мобильными телефонами внутри данной местности. Сотовая система связи соединяет мобильные радиотелефоны (мобильные станции) с помощью радиоканалов с базовыми станциями. Некоторые радиоканалы используются для передачи управляющих сигналов, некоторые для передачи голоса и данных пользователя. Каждая базовая станция содержит блоки, преобразующие радиосигналы в электросигналы, которые передаются на коммутационный центр мобильной связи (КЦМС). Вычислительно-коммутационные блоки КЦМС видоизменяют и передают эти сигналы на другие базовые станции или в стационарную телефонную сеть. КЦМС содержат также информационные базы с данными об активных абонентах в данной зоне связи. Программное обеспечение системы обрабатывает вызовы, определяет и предоставляет по запросу нужные услуги и поддерживает соединение через систему КЦМС до конечного коммуникационного устройства, такого как другой сотовый телефон или телефон стационарной телефонной сети.Связанные между собой зоны радиопокрытия в городах формируют структуры, похожие на соты пчел. Соты спроектированы так, что их границы взаимоперекрываются с другими сотами, обеспечивая передачу абонентов из одной зоны обслуживания в другую. Когда клиент (также называемый абонентом) движется через сотовую систему, КЦМС координирует и передает вызовы из одной соты в другую, поддерживая непрерывность соединения.

Ключевыми факторами развития системы мобильной связи являются новые беспроводные технологии и услуги. Так, обычные мобильные телефоны заменяют и вытесняют телефоны со встроенными видео- и фотокамерами, цветными дисплеями, расширенными вспомогательными функциями органайзера, почтового ящика электронной почты и т. п. Вследствие перехода к новым технологиям, ведущим к увеличению эффективности систем связи и к новым услугам, растет число производителей, желающих освоить данный рынок услуг. Все это ведет к росту предложения коммуникационных услуг В настоящее время наиболее интенсивно развиваются беспроводные сети, основанные на технологии Bluetooth. Включение этой технологии в телефонные устройства ведет к интеграции коммуникационных устройств в домашние компьютерные сети, облегчает подключение беспроводных наушников, обмен данных с персональными компьютерами различной мощности от карманных до мощных настольных систем, облегчает передачу данных на принтеры.

Технологии, используемые в работе мобильных систем связи

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ВВЕДЕНИЕ В СИСТЕМЫ GSM

В этой главе предоставляется обзор сотовой системы GSM с акцентом на радиоинтерфейс. Целью не является детальный обзор возможностей системы, напротив суммаризируются элементарные понятия системы с целью облегчить читателю понимание дальнейших тем.

Первый шаг в развитии системы GSM был сделан в 1979 г., когда для нее был выделен диапазон 900 мГц. Дальнейшее развитие система получила в 1982 г., когда было принято решение о создании в Европе всеобщей услуги мобильной связи. Именно так и расшифровывается данная аббревиатура.

Предлагаемая система должна была соответствовать следующим условиям:

— хорошее в субъективном плане качество речи, сравнимое с обычными телефонными сетями;

— приемлемые по цене сотовые телефоны и оплата за услуги связи;

— адаптируемость телефонов к требованиям законодательств разных стран;

— поддержка услуг, внедрямых по мере их возникновения;

— улучшенная эффективность телефонов по сравнению с аппаратами первого поколения;

— совместимость с сетью передачи голоса и данных, реализованных с стационарных телефонных сетях (ISDN);

— надежность связи.

Для решения этих проблем в качестве базы была выбрана цифровая технология передачи данных. Базовый проект системы был реализован в 1987 г. после многочисленных дис­куссий, приведших к выбору ключевых элементов системы, таких как узкополосная схема доступа с разделением по времени — TDMA или модуляционная схема. В 1989 г. ответственность за развитие GSM была передана Европейскому институту телекоммуникационных стандартов (ETSI). ETSI была поставлена задача унификации европейских правил в телекоммуникационном секторе, и в 1990 г. была опубликована первая фаза спецификаций GSM. Вторая фаза рекомендаций была опубликована в 1995 г.

Первый GSM телефон был продемонстрирован в 1991 г. в Женеве, на выставке Telecom’91, коммерческие услуги сети начали предоставляться в этом же году, а два года спустя данная технология уже имела 36 операторов в 22 странах. Система была стандартизирована в Европе, на данный момент она функционирует в 160 странах у 436 операторов. Число абонентов системы растет огромными темпами, и на май 2001 г. составляло 500 миллионов.

Тысячи страниц рекомендаций GSM определяют работу операторов, инфраструктуру сети и разработки производителей техники мобильной связи, гарантируя тем самым надежное взаимодействие между компонентами системы

GSM все еще находится в процессе эволюции, определяя новые функции и развивая существующие. Развитие системы находит свое отражение в выпуске новых рекомендаций, впервые опубликованных как фаза 1, затем последовали фаза 2 и 2+. В настоящее время выпуск рекомендаций производится каждый год (выпуски 96,97,98,99 и выпуски 4 и 5 в 2000 и 2001 г.).

Как уже указывалось, ответственность за спецификации GSM были возложены на ETSI в конце 1999 г. В течение 2000 г. ответственность за выпуск рекомендаций была передана партнерскому проекту третьего поколения (3GPP). Эта всемирная организация была создана для выработки спецификаций и технических отчетов для создания мобильных систем связи третьего поколения. Партнеры согласились сотрудничать для поддержки и развития технических спецификаций GSM, включая развитие технологий радиодоступа, одной из которых является GPRS.

В настоящее время участниками проекта являются:

— Европейская Ассоциация Телекоммуникационных Стандартов — ETSI;

— Японская Ассоциация Радиопромышленных Предприятий и Комитет телекоммуникационных технологий Японии — ARIB и TTS;

— Ассоциация Телекоммуникационных Технологий Кореи — ТТА;

— Т1 — Организация Американских Стандартов;

— Группа Китайских Беспроводных Стандартов — CWTS — китайская организация стандартов.

Основные понятия и термины системы GSM

Первые поколения мобильных систем были аналоговыми. Они получили резкое развитие в Европе в начале 80-х гг. Так, существовавшие тогда в скандинавских странах системы связи не были совместимы с системами, имевшимися в Великобритании и Италии. По сравнению с этими системами GSM имела следующие преимущества:

— стандартизация;

— емкость;

— качество;

— надежность.

Стандартизация гарантирует совместимость между системами разных стран, позволяя абонентам использовать свои телефоны в странах, адаптированных к цифровым стандартам. Отсутствие стандартов в системах первого поколения ограничивало услугу границами одной страны. Мобильность улучшилась с тех пор, когда перемещение абонента не ограничивалось зоной покрытия определенной системы. Звонки могли тарифицироваться по одному личному иденитификатору даже при перемещении абонента из одной страны в другую.

Операторы также могли закупать оборудование разных производителей и составлять компоненты своей сети с учетом стоимостных характеристик оборудования. Все это вело к созданию приемлемых экономических условий, как для абонентов, так и для операторов, ввиду создания условий конкурентоспособности для различных производителей.

Что касается емкости, то использование радиодиапазона более эффективно у цифровых систем, таких как GSM, чем у аналоговых систем. Это значит, что большее число поль­зователей обслуживается на той же полосе пропускания. Это становится возможным при использовании таких технологий цифровой связи, как алгоритмы сжатия голоса, ко­дирование каналов и множественный доступ.

Качество цифровой системы передачи выше ввиду применения схем кодирования каналов, что улучшает надежность передачи при наличии помех в каналах связи и взаимодействии систем связи различных операторов. Улучшение качества сигнала также достигается контролем над качеством радиосигнала, мощностью передатчика и другими параметрами.

Надежность и конфиденциальность достигается введением техник опознания и шифрации как для голоса, так и для данных, что гарантирует защиту доступа к сети.

Сотовая телефония

В мобильных радиосистемах самым важным фактором является использование частотного спектра. Для наилучшего использования полосы пропускания система проектируется так, что зона обслуживания делится на смежные участки обслуживания. По теории связи эти ячейки имеют шестиугольную форму, что привело к формированию термина «сота» в отношении зоны или ячейки обслуживания и к формированию понятия сотовой сети обслуживания.

Каждая ячейка содержит базовую станцию — приемопередатчик, который работает на другом диапазоне каналов, чем соседние станции, во избежание взаимодействия с ними. Это разделение позволяет использовать одни и те же частоты в несмежных ячейках. Группа ячеек, использующая весь частотный спектр, доступный оператору связи, называется кластером.

Форма зон радиообслуживания на самом деле непрерывно меняется. Она зависит от местоположения базовых станций, которые не могут быть установлены в правильном геометрическом порядке, от рельефа местности, от распространения сигнала при наличии помех на местности и других причин.

В нысыщеной городской среде важным фактором является плотность сетевого трафика в определенных участках местности. Для того чтобы иметь возможность обслужить большее число пользователей в этих зонах, оператору приходится уменьшать радиус зоны обслуживания, чтобы увеличить емкость системы в данной географической местности. Это достигается уменьшением мощности сигнала базовой станции. Кроме того, возможно использовать те же частотные диапазоны в этих ячейках. Но вместе с тем, необходимо увеличивать расстояние между ячейками, использующими одни частотные каналы, чтобы избежать взаимодействия частот и возникновения паразитных связей.

Публичная мобильная телефонная сеть

Это сеть, предназначенная для предоставления услуг мобильной связи общего пользования. Может рассматриваться как расширение стационарной телефонной сети общего пользования или как ее неотъемлемая часть.

Многополосные сотовые телефоны

Из-за различных требований к мобильным сетям в разных странах сотовые телефоны проектируются с учетом требований многополосности. Действительно, во избежание насыщения сети в высоконаселенных городах сотовые телефоны должны поддерживать возможность работы на разных частотных диапазонах, что бы позволить абонентам взаимодействовать в любой местности и в любое время.

Двухполосные телефоны могут работать на разных частотных диапазонах по одной и той же технологии. Например, 900- и 1800- мегагерцовый частотный диапазон для GSM Кроме того, на рынке также присутствуют трехполосные телефоны GSM, работающие в диапазонах 900, 1800 и 1900 мГц. Телефоны таких типов (1800 и 1900 мГц) никогда не продаются в одной стране, поскольку предназначены для абонентов, использующих такой телефон в различных странах.

SIM-карта

Одной из самых интересных особенностей GSM является то, что данные об абоненте не хранятся в самом телефонном аппарате. Вместо этого импользуется смарт-карта «умная карта» или карта со встроенным микропроцессором — модуль идентификации абонента или по-английски SIM.

Для разрешения связи карта должна быть установлена в аппарат. Вследствие этого можно звонить не со своего телефона или иметь несколько телефонов для одной карты. Это удобно для абонентов, бывающих в разных странах, использующих разные частотные диапазоны связи. Так в Европе можно взять напрокат телефон, работающий в диапазоне 1900 мгц в США, используя одну SIM-карту. SIM-карта используется для хранения имен и телефонных номеров в дополнение к тем, что хранятся в памяти самого телефона.

Карта также используется для защиты абонента, позволяя опознавать абонента, а также кодировать и декодировать разговоры.

Мобильность

GSM — это сотовая система связи, поддерживающая мобильность на больших территориях. В отличие от беспроводных телефонных систем они поддерживают местоположение, перемещение и переключение.

Возможность определять местоположение пользователя не поддерживалась в сотовых системах первого поколения. Это значило, что когда телефон получал входящий звонок, то сеть выдавала широковещательный сигнал на всю зону действия. В GSM, напротив, имеются группы ячеек, определяемых оператором, называющиеся зонами расположения. Система в состоянии определить зону расположения, в которой находится абонент. Таком образом, когда абонент получает звонок, извещение передается только в эту зону. Это более эффективно использует физические ресурсы.

Перемещение. Системы GSM обладают возможностью международного перемещения или возможностью принимать и совершать международные звонки, не покидая дома. Это возможно в силу двусторонних соглашений между операторами. Для обеспечения роуминга SIM-карта содержит список сетей, между которыми возможен роуминг.

Когда абонент перемещается в другую страну, телефон автоматически определяет сеть из списка SIM карты в порядке очередности расположения сетей, но этот порядок может быть изменен абонентом вручную. Домашняя мобильная сеть — это сеть в которой абонент прописан, гостевая мобильная сеть — это сеть, куда перемещается абонент. Ког­да абонент получает звонок в гостевой мобильной сети, перемещение вызова осуществляется оператором домашней мобильной сети в гостевую мобильную сеть.

Переключение. Когда пользователь во время соединения перемещается из зоны действия одной соты в другую соту, радиосвязь между базовой станцией и сотовым телефоном заме­щается радиосвязью между другой базовой станцией и телефоном. Переключение осуществляется незаметно для абонента. Для двухполосных телефонов возможно переключение с одного диапазона, например 900 мГц на диапазон 1800 мГц.

Опорный канал

Для каждой базовой станции сети имеется широковещательный канал для передачи информации об этой станции в систему. Мощность этого сигнала максимальна в данной соте, так что любой сотовый телефон в зоне действия этой соты может получить данный сигнал.

Режим ожидания сотового телефона

При отсутствии соединения сотовый телефон находится в режиме ожидания. Это значит, что он находится в режиме экономного потребления энергии, что не мешает ему син­хронизироваться с сетью и возможностью передавать и принимать вызовы.

Услуги GSM

В спецификациях телекоммуникационных стандартов, таких как GSM, первым шагом является определение услуг, предлагаемых системой. GSM — это цифровая сотовая си­стема, спроектированная для поддержки широкого спектра услуг в зависимости от контракта абонента и возможностей сети и сетевого оборудования.

В терминологии GSM телекоммуникационные услуги делятся на две большие группы:

— передачи — телекоммуникационные сервисы, предоставляющие возможности передачи сигналов между точками доступа (взаимодействие «пользователь — сеть»). На­пример, синхронный выделенный пакетный режим передачи данных — это сервис передачи;

— телесервисы, или удаленные сервисы — телекоммуникационные сервисы, предоставляющие полные возможности связи между пользователями, включая функции оконечного оборудования, в соответствии с протоколами, установленными соглашениями между операторами связи.

Сервисы передачи

Существуют следующие категории:

— неограниченный цифровой доступ — предоставляет цифровую связь по схеме точка-точка;

— частота 3,1 кГц, являющаяся внешней частотой для мобильной сети общего пользования и служащая для предоставления неограниченного цифрового доступа к сети ISDN или к стационарной телефонной сети через модем;

— услуга сборки/разборки асинхронной информации (PAD) позволяет получить доступ пользователям из мобильной сети в пакетно-ориентированную сеть передачи данных;

— пакет — позволяет иметь синхронный доступ в пакетно- ориентированную сеть передачи данных и выбирать между голосом и данными, переключаясь с одного на другое в течение вызова;

— голос с переходом на данные во время вызова. Нельзя переключаться обратно на передачу голоса.

Телесервисы

В терминах приложений телесервисы объединяют конечное оборудование с сервисами передачи.

Предоставляют доступ к двум типам приложений:

— между двумя совместимыми терминалами;

— из точки доступа мобильной сети в систему, включающую высокоуровневые услуги, например, к серверу. Безусловно, основным телесервисом является телефония, передающая оцифрованный голос по радиоканалу. Голосовые вызовы также включают аварийные вызовы, для которых оператор выделяет трехцифровой дозвонный номер.

Другие телесервисы:

— услуги передачи данных со скоростью передачи от 2,4 до 14,4 Кбит/с. Основаны на передаче, ориентированной на соединение.

— сервис коротких сообщений — двусторонняя передача коротких символьных сообщений длиной до 160 символов;

— доступ к услуге голосовых сообщений;

— передача факсов.

Дополнительные сервисы

Дополнительные сервисы включают в себя некоторые типы переадресации звонка, например, в случае недоступности абонента в локальной сети, идентификацию звонка, ожидание звонка, конференции, исключение входящих и исходящих звонков. Ограничение на звонки удобно при перемещении абонента в другую страну, когда вопрос экономии средств стоит достаточно остро.

Архитектура сети GSM

Структура сети GSM определяется таким образом, чтобы описывать ее функционирование в терминах функций и интерфейсов. Три основные подсистемы:

— мобильные сотовые терминалы, в частности сотовые телефоны;

— подсистема базовых станций;

— система организующая сеть и коммутаторы. Мобильные терминалы состоят из собственно оборудования и модуля идентификации абонента — SIM. Сотовый терминал ответственен:

— за прием и передачу радиосигнала;

— кодирование и декодирование канальной информации;

— модуляцию и демодуляцию голосовой информации;

— обработку аудиосигнала при прохождении его по аппаратуре (микрофон — усиление, телефон — усиление);

— доступ к радиоканалу, контроль мощности сигнала, частотные переходы при звонке.

SIM контролирует список услуг, доступных клиенту, позволяет делать вызовы и принимать их. Кроме того, он содержит уникальный идентификатор абонента или, в наших терминах, федеральный номер. Оборудование сотового телефона также имеет уникальный идентификатор. Эти идентификаторы независимы друг от друга.

Подсистема базовых станций

Состоит из базовых приемопередатчиков и устройств их управления — контроллеров. Один контроллер может обслуживать несколько приемопередатчиков. Базовые приемо­передатчики ответственны за связь с мобильным оборудованием. Их функции:

— модуляция — демодуляция;

— кодирование — декодирование канала;

— шифрование сигнала;

— высокочастотное излучение сигнала, управление мощностью излучателя.

Физически базовые передатчики делятся на три типа по решаемым задачам: нормальный тип, микропередатчик для работы в масштабах улицы и третий тип — для работы внутри помещений.

Контроллер управляет использованием радиоресурсов базовых передатчиков.

— захватом и высвобождением радиоканала;

— переходом на различные частотные полосы;

— управлением мощностью;

— передачей абонента в различные зоны действия передатчиков;

— выбором алгоритма шифрования;

— контролированием радиосоединения.

Сетевая подсистема

Коммутатор мобильных услуг является центром сетевой подсистемы. Он ответственен за переключение вызовов между мобильными пользователями, между абонентами мобильной и стационарной телефонной сети, управляет входящими и исходящими звонками из различных сетей — ISDN, стационарной телефонной сети, сетей пакетной передачи данных. Также управляет опознанием и регистрацией абонентов. Обновляет информацию о местоположении клиента, передает управление клиентом на другой коммутатор, управляет маршрутом вызова.

Для своей работы коммутатор имеет две базы — журнал местной регистрации и журнал гостевой регистрации. Журнал местной регистрации, или журнал местных абонентов, содержит информацию управляющего свойства обо всех абонентах внутри сети. В этой информации содержится международный идентификатор абонента и список услуг, на которые подписан абонент. В журнале местной регистрации также содержится текущая информация о клиенте, прописанном в журнале гостевой регистрации.

Гостевой журнал содержит информацию, по сути своей являющейся временной, об абонентах, находящихся в данный момент времени в зоне действия данного коммутатора.

Несмотря на то, что функционально эти части независимы, фактически в каждом коммутаторе содержится журнал гостевой регистрации.

Коммутатор не содержит информации об оборудовании, находящемся в его зоне действия. Для этого имеется журнал регистрации оборудования, база, хранящая информацию о всех мобильных телефонах сети с помощью международного идентификатора оборудования. Идентификатор оборудования может быть помечен как недействительный, что приведет к невозможности работы данного устройства, даже при наличии действующей SIM-карты. Данная возможность предназначена для защиты от краж оборудования.

Кроме указанных баз есть еще центр опознания, защищенная база, хранящая копии ключей, содержащихся в SIM-картах. Центр опознания проверяет достоверность або­нента, запрашивающего услугу связи. Центр, помимо этого, предоставляет услугу шифровки информации абонента.

Есть еще два компонента — центр поддержки работы сети и проведения операций и центр управления сетью. Они предоставляют возможность локального и удаленного управления сетью, ее конфигурирования, тестирования оборудования, ведения и управления счетом абонента, оценкой производительности и сбором прочей информации, необходимой для формирования отчета о трафике клиента и пре­доставления на ее основе счета к оплате.

Характеристики радиоинтерфейса

В настоящее время GSM функционирует в разных странах, используя при этом различные частотные диапазоны. GSM-900 действует в большинстве стран Европы и почти во всем мире. Его расширение называется E-GSM. DCS-1800 действует на частоте 1800 мГц и в основном действует в Европе. Его используют в зонах городов с высокой плотностью абонентов. Также он используется, с целью избежать перенасыщения сети в протоколе GSM-900. PCS-1900 используется в Северной Америке. В настоящее время для этого протокола разрабатывается вторая полоса связи GSM-850. GSM-400 используется в скандинавских странах. Данная частота выбрана по причине существования аналоговой сети «Мобильная северная телефония».

Система основана на принципе частотного разделения с двусторонней одновременной передачей информации (дуплексирование с частотным разделением). Это значит, что связь от мобильного устройства к сети (телефон передает, база принимает — условное обозначение «uplink» — ап- линк) и oт сети к мобильному устройству (телефон принимает, база передает — условное обозначение «downlink» — даунлинк) занимают различные частотные диапазоны.

Например, в 900 мегагерцовом диапазоне E-GSM полоса 880—915 мГц используется при связи от телефона к сети, а блок 925—960 мГц — от сети к телефону. Ниже приведена таблица основных каналов связи для различных систем GSM.Частотные полосы систем GSM
Uplink полоса Downlink полоса
GSM-900 890-915 мГц 935-960 мГц
E-GSM-900 880-915 мГц 925-960 мГц
DCS-1800 1710-1785 мГц 1805-1880 мГц
PCS-1900 1850-1910 мГц 1930-1990 мГц
GSM-400 GSM-450 450,4-457,6 мГц 460,4-467,6 мГц
GSM-480 478,8-486 мГц 488,8-496 мГц
GSM-850 824-849 мГц 869-894 мГц


Оператор может реализовать сети, реализующие комбинации различных частотных полос, особенно при наличии многополосных телефонов.

Используются различные способы разделения физических ресурсов среди всех пользователей радиосистемы, для этого понятия используют термин «метод множественного доступа». Имеются следующие схемы разделения ресурсов — схемы, поддерживающие одновременные соединения и разделяющие радиоресурсы системы, носят названия множественный доступ с делением частоты (FDMA), множественный доступ с разделением времени (TDMA) и множественный доступ с кодированием (CDMA). GSM одновременно использует методы FDMA и TDMA.

Разделение по частоте заключается в разделении диапазона 25 мГц на отдельные каналы, каждый из которых имеет ширину 200 кГц и используется для передачи мо­дулированного сигнала или несущей. Каждая пара «uplink»/«downlink» называется абсолютным радиочастотным каналом (ARFC) и обозначается номером абсолютного радиочастотного канала (ARFCN). ТОМА делит каждый частотный канал на временные слоты — последовательные отрезки времени равной длительности. Временное разделение позволяет восьми пользователям (максимальная величина) использовать одну несущую, при этом каждый пользователь может использовать только один временной слот. Последовательность восьми временных слотов называется фреймом. Каждый слот времени идентифицируется номером (TN) от 0 до 7.

Логические каналы

Пара «частотный канал — слот времени» определяет физический канал как для «uplink», так и для «downlink». На физические каналы накладываются (картируются) логические каналы, цель которых состоит в передаче голосовой и сигнальной информации. Сигнальная информация служит для создания соединения (вызова), и для подстройки радиосоединения на изменения окружающей среды.

Логические каналы можно разделить на два типа: передачи информации пользователя и передачи информации системы — канал трафика и управляющий канал. По функциям управляющие каналы можно разделить на 4 типа — широковещательный, выделенный, общего значения и объединенный. Широковещательный канал используется сетью только для передачи к мобильным устройствам информацию общего пользования.

Канал называется выделенным, если только один мобильный терминал занимает физический канал, и общим, если по каналу передается информация нескольких пользо­вателей.

Объединенный канал соединен с мобильным устройством в добавление к выделенному каналу и передает сигнальную информацию об операциях по этому каналу.

Широковещательные логические каналы передаются на частоте опорного канала. Они служат для:

— синхронизации времени и частоты между мобильной станцией и системой базовых станций. Синхронизация нужна для доступа к услугам соты;

— оценки качества связи во время соединения, когда измеряется качество сигнала (мощность) от базовой станции, поддерживающей связь в данный момент времени, и от других станций с тем, чтобы определить момент перехода в зону обслуживания другой базовой станции;

— для доступа к общей информации соты, необходимой для выполнения операций мобильного телефона, для идентификации опорных частот соседних сот, для опре­деления объема услуг соты.

Канал широковещательного управления (ВССН) постоянно передает общую информацию о соте — идентификатор базовой станции, используемые частоты, последовательности перехода с частоты на частоту. Информация передается внутри блоков системной информации (СИ). Частота передачи СИ зависит от типа информации.

Канал управления частотой (FCCH) используется сотовым телефоном для подстройки частоты собственного генератора от генератора базовой станции.

Канал синхронизации (SCH) используется сотовым телефоном для подстройки времени с базовой станцией.

Четыре канала образуют каналы общего управления — три для управления вызовом с мобильного телефона, один — для передачи вызова на мобильный телефон.

Канал случайного доступа служит для запросов мобильного телефона к сети, для установления соединения по случайному слоту.

Канал извещения служит для информирования мобильного телефона (МТ) о поступившем вызове.

Канал разрешения доступа предназначен для присоединения физических ресурсов к МТ, следует за каналом случайного доступа.

Широковещательный канал соты служит для передачи новостей на все телефоны в зоне действия соты.

Выделенные каналы

Отдельный выделенный канал управления служит для опознания, регистрации, установления вызова, обновления данных о положении.

Медленный ассоциированный канал управления служит для передачи управляющих сигналов со связанным с ним каналом данных пользователя или с отдельным выделенным каналом управления. Информация этого канала касается управления качеством радиосигнала, то есть мощности сигнала связанного канала или синхронизации времени МТ и базовой станции.

Быстрый ассоциированный канал управления служит для передачи сигналов от сети к МТ для извещения о переходе из соты в соту.

Канал данных пользователя или канал трафика зависит от услуги, предоставляемой пользователю — голос или данные, передаваемые с различной скоростью.Таблица логических каналов и их назначения
Логический канал Сокра­щение Uplink/ Down­link Задача
Широковеща­тельные кана­лы (ВСН) Широковещательный канал управления ВССН DL Вещание систем­ной информации
Канал управления частотой FCCH DL Синхронизация с частотой соты
Канал синхронизации SCH DL Синхронизация со временем соты и опознание
Каналы общего управления (СССН) Канал извещения РСН DL Извещение MT
Канал случайного до­ступа RACH UL Случайный доступ
Канал разрешения доступа AGCH DL Присоединение ресурсов
Канал широковещания соты СВСН DL Широковещание SMS-сооб- щений
Выделенный канал


управления Отдельный выделенный канал управления SDCCH UL/DL Общая информация
Медленный ассоци­ированный канал управления SACCH UL/DL Информация связанная каналом пользователя
Быстрый ассоцииро­ванный канал управления FACCH UL/DL Информация, о переходе из соты в соту
Канал данных пользователя или канал трафика Голосовая информация TCH/FS UL/DL Передача голоса на полном ресурсе
Голосовая информация TCH/HS UL/DL Передача голоса на половинном ресурсе
Канал данных на ско­ростях 2,4 Кбит/с, 4,8 Кбит/с, 9,6 Кбит/с, 14,4 Кбит/с TCH/F2.4 TCH/F4.8 TCH/F9.6 TCH/F14.4 UL/DL Канал данных на полном ресурсе
Канал данных на ско­ростях 2,4 Кбит/с, 4,8 Кбит/с ТСН/Н2.4 ТСН/Н4.8 UL/DL Канал данных на половинном ресурсе


Отображение логических каналов на физические каналы

Временная структура метода TDMA

Базовой единицей времени является слот времени или временной интервал длительностью 15/26 миллисекунды. Информация, передаваемая в этом интервале времени, называется пакетом или английским словом «burst». Длительность восьми слотов времени, то есть фрейма, составляет 4,615 миллисекунды. Слоты времени пронумерованы от 0 до 7. Фреймы uplink и downlink соединений смещены друг относительно друга по времени. Слот 0 содинения uplink соответствует слоту 3 соединения downlink. Это временное смещение позволяет МТ переключаться с одного соединения на другое или с одной частоты на другую.

Как указывалось ранее, физический канал определяется как последовательность фреймов TDMA и является двунаправленным как от приемника к передатчику, так и обратно. Для поддержки режима криптозащиты должны быть определены фреймы очень большой длительности или гиперфреймы. Их временная длительность составляет 3 часа 28 минут 53 секунды и 760 миллисекунд. Фреймы TDMA нумеруются внутри гиперфрейма от 0 до 2 715 647.

Один гиперфрейм делится на 2048 суперфреймов длительностью 6,12 с. Суперфрейм делится на мультифрей- мы. В GSM имеются два типа мультифреймов, они содержат 26 и 51 фрейм TDMA. Мультифрейм 26 используется для передачи канала трафика, а также быстрого и медленного ассоциированных каналов управления. Мультифрейм 51 используется для передачи данных по широковещательному каналу, по каналам общего управления, отдельному выделенному каналу управления совместно с быстрым ассоциированным каналом управления. В качестве примечания запомним, что суперфрейм состоит из 26 мультифреймов 51 или из 51 мульти- фрейма 26.

Отображение канала трафика и медленного ассоциированного канала управления на мультифрейм 26

Канал трафика является двунаправленным каналом. Различают два типа каналов: полноскоростной и полускоростной. Полноскоростной канал трафика использует один временной слот для каждого фрейма в мультифрейме, за исключением фреймов 12 и 25. Фрейм 12 используется для передачи медленного ассоциированного канала управления, а фрейм 25 используется для ожидания, то есть ни один канал не передается в течение этого интервала времени.

Пол у скоростной канал трафика использует один временной слот каждого второго фрейма в мультифрейме. Таким образом, в мультифрейме передаются два полускоростных канала трафика. Фрейм 12 используется для медленного ассоциированного канала управления первого полускоростного канала, фрейм 25 — для медленного ассоциированного канала управления второго полускоростного канала

Отображение быстрого ассоциированного канала управления на мультифрейм 26

Быстрый ассоциированный канал управления связан с каналом трафика и передает высокоскоростные сигналы управления, требуемые для установления соединения, опоз­нания абонента и управления переходом из одной зоны в другую. Появление этого канала в мультифрейме строго не фиксировано, как для медленного канала. Вместо этого быстрый канал появляется во фрейме, зарезервированном для канала трафика. Мультиплексирование каналов возможно при замене голосового пакета пакетом информации быстрого канала. Приемное устройство извещается об этом путем установки флага подмены. Этот принцип позволяет не терять качество речи, если быстрый канал не появляется в канале трафика достаточно часто.

Отображение отдельного выделенного канала управления на мультифрейм 51

Данный канал несет управляющую информацию более высокого уровня в системе. С этим каналом связан медленный канал управления.

Во фрейме 51 возможно два режима совмещения каналов

— Отдельный выделенный канал управления совместно с медленным каналом. Отдельный канал отображается на четыре фрейма мультифрейма 51. Восемь каналов, выделенных для восьми мобильных устройств, также отображаются на этот мультифрейм. Незанятые фреймы мультифрейма используются для отображения восьми медленных ассоциированных каналов. Отображение этих связанных каналов производится на двух последовательных мультифреймах 51.

— Отдельный и медленный канал отображаются совместно с общими каналами управления, широковещательным каналом, каналами синхронизации времени и частоты. Методика захвата фрейма, как в случае быстрого канала,

в канале трафика не срабатывает с отдельным выделенным каналом управления по причине достаточно высокой скорости передачи сигнала перехода в другую зону через отдельный выделенный канал управления.

Отображение широковещательных каналов управления и каналов общего назначения на мультифрейм 51

Эти каналы мультиплексируются в мультифрейме на частоте сервиса передачи. Канал коррекции частоты передается в слоте времени 0, фреймах 0, 10, 20, 30, 40. Канал синхронизации времени также передается в слоте времени 0, фреймах 1, 11,21,31,41. Широковещательный канал передается в слоте времени 0, во фреймах, не занятых двумя предыдущими. Кроме того, он может передаваться в слотах времени 2, 4, 6.

Канал разрешения доступа и канал извещения динамически размещаются в мультифрейме в зависимости от загрузки сети. Они тоже используют слот времени 0, а также могут использовать слоты времени 2, 4, 6. Широковещательный канал и каналы общего управления отображаются динамически, точное значение отображения передается на мобильное устройство в блоке системной информации, передаваемой через широковещательный канал.

Один из параметров широковещательной информации также сообщает о том, объединяются ли каналы общего управления с отдельным выделенным и медленным каналами или нет.

Суммарные комбинации отображения логических каналов.

Для того, чтобы помочь читателю облегчить запоминание и понимание возможных комбинаций логических каналов приведем их в сжатой форме.
TCH/F + FACCH/F + SACCH/TF
ТСН/Н+ FACCH/H + БАССНЯН
FCCH + SCH + ВССН + СССН
FCCH + SCH + ВССН + СССН + SDCCH + SACCH
ВССН + СССН
SDCCH + SACCH

Другие логические каналы существуют для пакетно-ориентированных услуг и рассматриваются далее в разделах о GPRS.