Услуги передачи данных в системе GSM PDF Print E-mail
Written by Administrator   
Friday, 04 May 2012 18:21

Предлагаемые системой GSM услуги можно разделить на два класса:

- телеуслуги (англ. Teleservices) - система GSM предоставляет полный спектр услуг в рамках сети; абонент может воспользоваться этими услугами без дополнительных внешних устройств. В число телеуслуг входит передача речи, SMS (англ. Short Message Service - служба коротких сообщений) и факсимильная передача;

- услуги передачи данных (англ. Bearer Services) - система GSM обеспечивает поддержку услуг нижнего уровня, т.е. реализует транспортный механизм между точками доступа. Для того чтобы воспользоваться этими услугами, на обоих концах соединения должен находиться портативный компьютер, карманный компьютер или сервер. Услуги передачи данных имеют свои собственные протоколы верхнего уровня. Система GSM осуществляет только перенос данных, не вдаваясь в подробности о конкретном типе предоставляемой услуги.

С точки зрения представленной классификации, передача данных относится ко второму типу услуг. Услуги передачи данных предъявляют различные требования к сети, которые зависят от вида конкретной услуги. Как уже упоминалось, данные могут передаваться с различной скоростью, как в синхронном, так и в асинхронном режиме. Перенос информации может быть реализован в виде передачи цифровой информации без ограничений (англ. Unrestricted Digital Information - UDI) или при помощи сигналов акустического модема с шириной полосы 3,1 кГц. По первому варианту выполняется обмен данными между абонентом сети GSM и абонентом ISDN или сети с коммутацией пакетов. По второму - при установлении соединения между абонентом сети GSM и абонентом сети PSTN или в том случае, когда сеть PSTN выступает в качестве промежуточной сети, к которой подключена сеть GSM. Канал передачи информации может соединять два индивидуальных терминала (режим передачи "точка-точка" - англ. Point-to Point - FTP), или же обеспечивать передачу данных с одного терминала на несколько терминалов (режим передачи "точка-многоточка" - англ. Pointto-Multipoint - PTM). Для обмена данными между двумя терминалами может быть реализован физический канал, предназначенный только для данного соединения (передача с коммутацией каналов) или же пакеты данных, дополненный адресами отправителя и получателя, пересылаются по сети между соседними узлами до достижения ими пункта назначения (передача с коммутацией пакетов). В стандартной системе GSM реализуется режим передачи "точка-точка" с коммутацией каналов.

Передача данных может быть прозрачной или непрозрачной. Мы полагаем, что передача является прозрачной (англ. transparent - Т), если при соединении между терминальным оборудованием, подвижной станцией и IWF-блоком на другом конце системы GSM не выполняются никакие процедуры автоматического повтора передачи ошибочных либо потерянных кадров или пакетов. В результате скорость передачи данных и задержка передачи остаются постоянными, а количество ошибок может меняться. Помимо этого, в сотовых системах скорость передачи данных, а, следовательно, и число ошибок, существенно возрастает во время хэндовера. Поэтому необходимо наличие защиты от ошибок на верхних уровнях передачи.

Передача считается непрозрачной (англ. non-transparent - NT), если при соединении между абонентским терминалом и IWF-блоком используется протокол с защитой от ошибок. В системе GSM терминал, подвижная станция или TAF-блок реализуют так называемый Radio Link Protocol (RLP - протокол радиоканала). В основе этого протокола лежит технология ARQ. Он позволяет достичь высокой надежности передачи данных, однако скорость потока данных и задержка становятся переменными. Скорость передачи данных существенно снижается во время передачи соединения в другую соту из-за необходимости повторять кадры, которые были потеряны при смене обслуживающей базовой станции. Необходимо отметить, что в обоих используемых в системе GSM типах передачи данных (прозрачная и непрозрачная) применяется кодирование с коррекцией и детектированием ошибок на физическом уровне, описанное в предыдущем разделе. С передачей данных связана 21 различная услуга, начиная с чрезвычайно медленной асинхронной передачи со скоростью 0,3 кбит/с и заканчивая прямым пакетным доступом в синхронном режиме со скоростью 9,6 кбит/с.
Адаптация скорости передачи

Во всех услугах, связанных с передачей данных, скорость передачи необходимо согласовать, с одной стороны, со скоростью 22,8 кбит/с, применяемой в пакетах GSM, а с другой стороны - со скоростью передачи данных в фиксированной сети, соединяющей BTS, BSC и MSC. В последнем случае выгодно объединять потоки данных различных пользователей в 16- или 64-кбит/с каналы, соединяющие BSS и MSC. Для того чтобы это можно было сделать, Рекомендация ITU-T V.110 была доработана соотносительно к системе GSM. В зависимости от конфигурации передачи данных используются различные адаптационные функции. Ниже приведено их краткое описание.

RA0 - адаптационная функция, используемая в асинхронном интерфейсе.

Эта функция преобразует генерируемый пользователем асинхронный поток в синхронный с первой более высокой допустимой скоростью. Это осуществляется путем прибавления или вычитания стоповых битов, содержащихся в асинхронном потоке.

RA1 - функция, используемая для адаптации потока данных к промежуточным скоростям. На вход RAI-блока поступают данные с выхода RA0-блока или просто синхронный поток данных. Этот блок трансформирует поток данных в 8- или 16-кбит/с поток путем повтора битов. Кадры потока на выходе этого блока содержат биты синхронизации, управляющие биты и повторенные информационные биты.

RA2 - адаптационная функция, используемая для конвертирования потока с выхода блока RA1 в 64-кбит/с поток (А-интерфейс) согласно Рекомендации ITU-T V,110. Биты информационного 8-кбит/с потока помещаются в позицию первого бита в каждый октет 64-кбит/с потока. Биты 16-кбит/с потока помещаются в первые две позиции каждого октета.

Оставшиеся биты октета заполняются логическими единицами. Неэффективного представления потока данных в блоке RA2 можно избежать путем мультиплексирования нескольких 8- или 16-кбит/с потоков данных. В этом случае биты мультиплексирования потоков данных располагаются в последующих разрядах октетов;

RA1 - адаптационная функция, которая трансформирует поток данных, полученных с терминала (DTE) в поток со скоростями, используемыми в радиоинтерфейсе. Поток данных дополняется управляющими битами.



Источником данных для RA1 служит выход RAO-блока или синхронный поток данных. Стоит упомянуть, что скорости 3,6; 6,0; 12,0 и 14,5 кбит/с относятся к потоку данных до канального кодирования. Рассмотрим адаптацию скорости асинхронной прозрачной передачи данных. Это всего лишь один из возможных вариантов обмена данными. В случае поступления на вход синхронного потока данных, первый блок (RAO) пропускается. Асинхронный поток данных преобразуется в синхронный с первой более высокой скоростью (функция RAO). При этом формируется синхронный поток данных со скоростью 2,4; 4,8 или 9,6 кбит/с. Применение функции RA1 преобразует его в поток со скоростью 3,6; 6,0 или 12,0 кбит/с. Затем применяется канальное кодирование с перфорированием и перемещением, соответствующее конкретной скорости потока данных. Это приводит к формированию потока данных со скоростью 22,8 кбит/с. Из этих данных компонуются пакеты GSM и передаются по радиоканалу. По получении в фиксированной части сети GSM данные декодируется в поток со скоростью 3,6; 6,0 или 12,0 кбит/с соответственно. Последний конвертируется в 8- или 16-кбит/с поток и, наконец, помещается в октеты ISDN (RA2).

Непрозрачная передача данных организована аналогичным образом. В ней используются более высокие скорости радиоинтерфейса. Рассмотрим адаптацию скорости синхронного обмена данных. При непрозрачной передаче блоки данных защищены протоколом RLP, который будет рассмотрен ниже в этом разделе. На рис. 9.3 представлены последовательные этапы адаптации скорости передачи данных в случае применения полноскоростного канала радиоинтерфейса. Можно использовать и полускоростной канал, что приведет к уменьшению пропускной способности. Заметим, что RLP-протокол является внешним по отношению к канальному кодированию.
Канальное кодирование

Канальное кодирование, используемое при передаче данных, зависит от скорости потока данных по радиоинтерфейсу. Как ранее упоминалось, результатом применения функции адаптации RA1 является поток данных со скоростью 3,6, 6,0 или 12,0 кбит/с. Этот поток может быть передан по полно- или полускоростному каналу. Все известные конфигурации канального кодирования рассмотрены в работе. Ниже приведены только два примера процедур канального кодирования, используемых при передаче данных в системе GSM.

Рассмотрим передачу данных со скоростью 9,6 кбит/с по полноскоростному каналу. Требуемая скорость передачи данных по радиоинтерфейсу составляет 12 кбит/с. Терминальное оборудование (англ. Data Terminal Equipment - DTE) подает на канальный кодер блоки данных длиной 60 битов каждые 5 мс. Кодер обрабатывает сразу по четыре блока (240 битов). В случае непрозрачной передачи данных 240 битов составляют один RLP-кадр. К блоку из 240 битов добавляются четыре нулевых бита, после чего он кодируется при помощи сверточного кода с коэффициентом 1/2. После кодирования блок имеет размер 488 битов, 32 из которых затем исключаются при помощи перфорирования. Таким образом, конечный размер блока составляет 456 битов. Затем производится перестановка и перемещение кодированных битов, и 456-битовый блок передается в виде 22 последовательных пакетов.

В качестве второго примера рассмотрим канальное кодирование, используемое при передаче данных со скоростью 2,4 кбит/с и менее. В этом случае скорость передачи данных по радиоинтерфейсу составляет 3,6 кбит/с. Каждые 10 мс DTE выдает 36 информационных битов. При кодировании обрабатывается сразу два блока (72 бита). К такому 72-битовому блоку добавляются четыре нулевых бита, после чего он кодируется при помощи сверточного кода с коэффициентом 1/6. Размер блока на выходе кодера составляет 456 битов. Перемежение и отображение перемеженных битов в нормальном пакете осуществляются точно так же, как и при передаче речевого сигнала с полной скоростью. Два приведенных примера демонстрируют то, что в зависимости от скорости входного потока данных и требуемого качества, уровень защиты может сильно отличаться.
RLP - протокол радиоканала

Прозрачная передача данных требует применения своеобразного протокола обмена данными, внешнего по отношению к системе GSM. Это позволит обеспечить высокое качество предоставляемых услуг. Такое решение не всегда можно реализовать в связи с необходимостью больших временных затрат и высокой ресурсоемкости, поскольку цепочка блоков при передаче сигнальной информации может быть очень длинной. Эта цепочка состоит из терминального оборудования (DTE), подвижной станции (MS), подсистемы базовой станции (BSS), центра коммутации подвижной связи (MSC), блока организации межсетевого взаимодействия (INF), внешней фиксированной сети и терминального оборудования второго пользователя. Если второй пользователь также является абонентом системы подвижной связи, то вся приведенная выше цепочка повторяется с его стороны в обратном порядке. Поэтому при непрозрачной передаче во многих случаях применение протокола RLP (англ. Radio Link Protocol) является более удобным. В случае использования протокола RLP защиту от ошибок обеспечивает ARQ-процедура между блоками TAF и IWF.

240-битовый RLP-кадр имеет очень простую структуру. Кадр начинается с 16-битового заголовка, при помощи которого реализуются такие управляющие функции, как установление или освобождение RLP-канала, подсчет кадров и передача сигналов об ошибочных кадрах, передачу которых необходимо повторить. Следующее поле имеет длину 200 битов и содержит пользовательские данные. Кадр заканчивается 24-битовой контрольный последовательностью кадра (англ. Frame Check Sequence - FCS), вычисляемой путем деления содержимого кадра на полином циклического кода.

Протокол RLP имеет два режима. Первый режим, называемый асинхронным режимом без установления соединения (англ. Asynchronous Disconnected Mode - ADM), означает, что канал RLP еще не установлен. Необходимое условие установления RLP-канала - это выделение канала трафика конкретному соединению. RLP находится в асинхронном балансном режиме (англ. Asynchronous Balanced Mode - АВМ), если имеет место обмен пронумерованными кадрами и подтверждение их приема.

В RLP-протоколе используются кадры трех типов. Кадры, относящиеся к первому типу, называются ненумерованными (англ. Unnumbered - U). Заголовок такого кадра, помимо всего прочего, содержит команды на установление и освобождение канала ILLP. Контрольные (англ. Supervisory - S) кадры используются во время обмена для передачи контрольной информации о статусе принятых кадров, статусе приемника и количестве принятых кадров. Кадры третьего типа представляют собой комбинацию контрольных кадров и блоков информации. Заголовки таких кадров содержат команды, указывающие количество принятых и отправленных кадров, а также статус принятого кадра и приемника.
Передача данных и доступ к различным сетям

Как нам известно, абонент системы GSM, передающий данные, может связываться с абонентами различных типов сетей. Сеть PSTN (ТфОП) - наиболее распространенная среди них. Цифровое соединение может быть также установлено с сетью ISDN или с сетью с коммутацией пакетов. Мы коротко рассмотрим характерные черты каналов для различных типов сетей. Хотя в наше время PSTN все чаще имеет цифровую реализацию, в момент установления соединения свойства канала PSTN оказываются еще не известными. Поэтому сеть GSM использует аналоговый модем IWF-блока для связи с удаленным оборудованием DTE (сервером или компьютером абонента), соединенным с сетью PSTN также через модем. Модем IWF-блока генерирует ИКМ-отсчеты аналогового сигнала. Таким образом, сигнал модема становится похожим на любой другой речевой или акустический информационный сигнал, представляемый в сети PSTN в цифровом виде.



Второй тип сети, с которой может соединяться сеть GSM, - это сеть ISDN. В этом случае канал полностью цифровой, поэтому аналоговые модемы больше не нужны. Вместо них должны использоваться блоки адаптации скорости, чтобы привести в соответствие скорость передачи данных терминала, присоединенного к сети GSM, со скоростью передачи данных в сети ISDN.

Взаимодействие сетей GSM и PSPDN более сложное. Абонент сети GSM может установить соединение с сетью с коммутацией пакетов через промежуточную сеть PSTN или напрямую. Если в качестве промежуточной сети выступает сеть PSTN, то необходимо использовать аналоговые модемы IWF, а также на стыке сетей PSTN и PSPDN. Если соединение сетей прямое GSM и PSPDN, модемы не нужны. Доступ к сети PSPDN может быть осуществлен при помощи блока сборки/разборки пакетов (англ. Packet Assembler/Disassembler - PAD) или же блока управления пакетами (англ. Packet Handler - PH), принадлежащего сети PSPDN. Тип используемого блока зависит от протокола, поддерживаемого терминалом мобильного абонента (DTE + MS). Если возможна передача данных с мобильного терминала в соответствии с пакетным протоколом Х.32, то используется блок PH. Если подвижный терминал не поддерживает данный протокол, то используется блок PAD.

Стандарты GSM нормализуют правила взаимодействия канала передачи данных с сетями общего пользования с коммутацией каналов (англ. Circuit-Switched Public Data Network - CSPDN), а также правила передачи факсов.