Архитектура сотовых сетей связи и сети абонентского доступа

Каждый подвижный абонент на время пользования системой связи получает стандартный модуль подлинности абонента (SIM), который содержит: международный идентификационный номер (IMSI), свой индивидуальный ключ аутентификации (Ki), алгоритм аутентификации (A3). С помощью записанной в SIM информации в результате взаимного обмена данными между подвижной станцией и сетью осуществляется полный цикл аутентификации и разрешается доступ абонента к сети.

Процедура проверки сетью подлинности абонента реализуется следующим образом. Сеть передает случайный номер (RAND) на подвижную станцию. На ней с помощью Ki и алгоритма аутентификации A3 определяется значение отклика (SRES), т.е. SRES = Ki * [RAND]. Подвижная станция посылает вычисленное значение SRES в сеть, которая сверяет значение, принятое SRES, со значением SRES, вычисленным сетью. Если оба значения совпадают, подвижная станция приступает к передаче сообщений. В противном случае связь прерывается, и индикатор подвижной станции показывает, что опознавание не состоялось. Для обеспечения секретности вычисление SRES происходит в рамках SIM. Несекретная информация (например, Ki) не подвергается обработке в модуле SIM.

EIR -- регистр идентификации оборудования, содержит централизованную базу данных для подтверждения подлинности международного идентификационного номера оборудования подвижной станции (IMEI). Эта база данных относится исключительно к оборудованию подвижной станции.

База данных EIR состоит из списков номеров IMEI, организованных следующим образом:

§ Белый список -- содержит номера IMEI, о которых есть сведения, что они закреплены за санкционированными подвижными станциями.

§ Черный список -- содержит номера IMEI подвижных станций, которые украдены или которым отказано в обслуживании по другой причине.

§ Серый список -- содержит номера IMEI подвижных станций, у которых существуют проблемы, выявленные по данным программного обеспечения, что не является основанием для внесения в "черный список". К базе данных EIR получают дистанционный доступ MSC данной сети, а также MSC других подвижных сетей.

Как и в случае с HLR, сеть может иметь более одного EIR, при этом каждый EIR управляет определенными группами IMEI. В состав MSC входит транслятор, который при получении номера IMEI возвращает адрес EIR, управляющий соответствующей частью базы данных об оборудовании.

IWF -- функциональный межсетевой стык, является одной из составных частей MSC. Он обеспечивает абонентам доступ к средствам преобразования протокола и скорости передачи данных так, чтобы можно было передавать их между его терминальным оборудованием (DIE) сети GSM и обычным терминальным оборудованием фиксированной сети. Функциональный межсетевой стык также "выделяет" модем из своего банка оборудования для сопряжения с соответствующим модемом фиксированной сети. IWF также обеспечивает интерфейсы типа прямого соединения для оборудования, поставляемого клиентам, например, для пакетной передачи данных PAD по протоколу Х. 25.

ЕС -- эхоподавитель, используется в MSC со стороны PSTN для всех телефонных каналов (независимо от их протяженности) из-за физических задержек в трактах распространения, включая радиоканал, сетей GSM. Типовой эхоподавитель может обеспечивать подавление в интервале 68 миллисекунд на участке между выходом ЕС и телефоном фиксированной телефонной сети. Общая задержка в канале GSM при распространении в прямом и обратном направлениях, вызванная обработкой сигнала, кодированием/декодированием речи, канальным кодированием и т.д., составляет около 180 мс. Эта задержка была бы незаметна подвижному абоненту, если бы в телефонный канал не был включен гибридный трансформатор с преобразованием тракта с двухпроводного на четырехпроводный режим. Его установка необходима в MSC, так как стандартное соединение с PSTN является двухпроводным. При соединении двух абонентов фиксированной сети эхо-сигналы отсутствуют. Без включения ЕС задержка от распространения сигналов в тракте GSM будет вызывать раздражение у абонентов, прерывать речь и отвлекать внимание.

ОМС -- центр эксплуатации и технического обслуживания, является центральным элементом сети GSM, который обеспечивает контроль и управление другими компонентами сети и контроль качества ее работы. ОМС соединяется с другими компонентами сети GSM по каналам пакетной передачи протокола Х. 25. ОМС обеспечивает функции обработки аварийных сигналов, предназначенных для оповещения обслуживающего персонала, и регистрирует сведения об аварийных ситуациях в других компонентах сети. В зависимости от характера неисправности ОМС позволяет обеспечить ее устранение автоматически или при активном вмешательстве персонала. ОМС может обеспечить проверку состояния оборудования сети и прохождения вызова подвижной станции. ОМС позволяет производить управление нагрузкой в сети. Функция эффективного управления включает сбор статистических данных о нагрузке от компонентов сети GSM, записи их в дисковые файлы и вывод на дисплей для визуального анализа. ОМС обеспечивает управление изменениями программного обеспечения и базами данных о конфигурации элементов сети. Загрузка программного обеспечения в память может производиться из ОМС в другие элементы сети или из них в ОМС.

NMC -- центр управления сетью, позволяет обеспечивать рациональное иерархическое управление сетью GSM. Он обеспечивает эксплуатацию и техническое обслуживание на уровне всей сети, поддерживаемой центрами ОМС, которые отвечают за управление региональными сетями. NMC обеспечивает управление трафиком во всей сети и обеспечивает диспетчерское управление сетью при сложных аварийных ситуациях, как, например, выход из строя или перегрузка узлов. Кроме того, он контролирует состояние устройств автоматического управления, задействованных в оборудовании сети, и отражает на дисплее состояние сети для операторов NMC. Это позволяет операторам контролировать региональные проблемы и, при необходимости, оказывать помощь ОМС, ответственному за конкретный регион. Таким образом, персонал NMC знает состояние всей сети и может дать указание персоналу ОМС изменить стратегию решения региональной проблемы.

NMC концентрирует внимание на маршрутах сигнализации и соединениях между узлами с тем, чтобы не допускать условий для возникновения перегрузки в сети. Контролируются также маршруты соединений между сетью GSM и PSTN во избежание распространения условий перегрузки между сетями. При этом персонал NMC координирует вопросы управления сетью с персоналом других NMC. NMC обеспечивает также возможность управления трафиком для сетевого оборудования подсистемы базовых станций (BSS). Операторы NMC в экстремальных ситуациях могут задействовать такие процедуры управления, как "приоритетный доступ", когда только абоненты с высоким приоритетом (экстренные службы) могут получить доступ к системе. NMC может брать на себя ответственность в каком-либо регионе, когда местный ОМС является необслуживаемым, при этом ОМС действует в качестве транзитного пункта между NMC и оборудованием сети. NMC обеспечивает операторов функциями, аналогичными функциям ОМС. NMC является также важным инструментом планирования сети, так как NMC контролирует сеть и ее работу на сетевом уровне, а следовательно, обеспечивает планировщиков сети данными, определяющими ее оптимальное развитие.

BSS -- оборудование базовой станции, состоит из контроллера базовой станции (BSC) и приемо-передающих базовых станций (BTS). Контроллер базовой станции может управлять несколькими приемо-передающими блоками. BSS управляет распределением радиоканалов, контролирует соединения, регулирует их очередность, обеспечивает режим работы с прыгающей частотой, модуляцию и демодуляцию сигналов, кодирование и декодирование сообщений, кодирование речи, адаптацию скорости передачи для речи, данных и вызова, определяет очередность передачи сообщений персонального вызова.

BSS совместно с MSC, HLR, VLR выполняет некоторые функции, например: освобождение канала, главным образом, под контролем MSC, но MSC может запросить базовую станцию обеспечить освобождение канала, если вызов не проходит из-за радиопомех. BSS и MSC совместно осуществляют приоритетную передачу информации для некоторых категорий подвижных станций.

ТСЕ -- транскодер, обеспечивает преобразование выходных сигналов канала передачи речи и данных MSC (64 кбит/с ИКМ) к виду, соответствующему рекомендациям GSM по радиоинтерфейсу (Рек. GSM 04.08). В соответствии с этими требованиями скорость передачи речи, представленной в цифровой форме, составляет 13 кбит/с. Этот канал передачи цифровых речевых сигналов называется "полноскоростным". Стандартом предусматривается в перспективе использование полускоростного речевого канала (скорость передачи 6,5 кбит/с). Снижение скорости передачи обеспечивается применением специального речепреобразующего устройства, использующего линейное предикативное кодирование (LPC), долговременное предсказание (LTP), остаточное импульсное возбуждение (RPE -- иногда называется RELP). Транскодер обычно располагается вместе с MSC. Тогда передача цифровых сообщений в направлении к контроллеру базовых станций BSC ведется с добавлением к потоку (со скоростью передачи 13 Кбит/с) дополнительных битов (стафингование) до скорости передачи данных 16 кбит/с. Затем осуществляется уплотнение с кратностью 4 в стандартный канал 64 кбит/с. Так формируется определенная Рекомендациями GSM 30-канальная ИКМ линия, обеспечивающая передачу 120 речевых каналов. Шестнадцатый канал (64 кбит/с), "временное окно" выделяется отдельно для передачи информации сигнализации и часто содержит трафик SS N7 или LAPD. В другом канале (64 кбит/с) могут передаваться также пакеты данных, согласующиеся с протоколом X.25 МККТТ. Таким образом, результирующая скорость передачи по указанному интерфейсу составляет 30х64 кбит/с + 64 кбит/с + 64 кбит/с = 2048 кбит/с.

MS -- подвижная станция, состоит из оборудования, которое служит для организации доступа абонентов сетей GSM к существующим фиксированным сетям электросвязи. В рамках стандарта GSM приняты пять классов подвижных станций от модели 1-го класса с выходной мощностью 20 Вт, устанавливаемой на транспортном средстве, до портативной модели 5-го класса, максимальной мощностью 0,8 Вт (табл. 2). При передаче сообщений предусматривается адаптивная регулировка мощности передатчика, обеспечивающая требуемое качество связи. Подвижный абонент и станция независимы друг от друга. Как уже отмечалось, каждый абонент имеет свой международный идентификационный номер (IMSI), записанный на его интеллектуальную карточку. Такой подход позволяет устанавливать радиотелефоны, например, в такси и автомобилях, сдаваемых на прокат. Каждой подвижной станции также присваивается свой международный идентификационный номер (IMEI). Этот номер используется для предотвращения доступа к сетям GSM похищенной станции или станции без полномочий.

Таблица 2. Классификация классов мощности подвижных станций.

Сетевые и радиоинтерфейсы

При проектировании цифровых сотовых систем подвижной связи стандарта GSM рассматриваются интерфейсы трех видов: для соединения с внешними сетями; между различным оборудованием сетей GSM; между сетью GSM и внешним оборудованием.

Интерфейсы с внешними сетями

Соединение с PSTN

Соединение с телефонной сетью общего пользования осуществляется MSC по линии связи 2 Мбит/с в соответствии с системой сигнализации SS N 7. Электрические характеристики 2 Мбит/с интерфейса соответствуют Рекомендациям МККТТ G.732.

Соединение с ISDN

Для соединения с создаваемыми сетями ISDN предусматриваются четыре линии связи 2 Мбит/с, поддерживаемые системой сигнализации SS N 7 и отвечающие Рекомендациям Голубой книги МККТТ Q.701-Q.710, Q.711-Q.714, Q.716, Q.781, 0.782, 0.791, 0.795, 0.761 - 0.764, 0.766.

Соединение с существующей сетью NMT-450

Центр коммутации подвижной связи соединяется с сетью NMT-450 через четыре стандартные линии связи 2 Мбит/с и системы сигнализации SS N7. При этом должны обеспечиваться требования Рекомендаций МККТТ по подсистеме пользователей телефонной сетью (TUP -- Telephone User Part) и подсистеме передачи сообщений (МТР -- Message Transfer Part) Желтой книги. Электрические характеристики линии 2 Мбит/с соответствуют Рекомендациям МККТТ G.732.

Соединения с международными сетями GSM

В настоящее время обеспечивается подключение сети GSM в Москве к общеевропейским сетям GSM. Эти соединения осуществляются на основе протоколов систем сигнализации (SCCP) и межсетевой коммутации подвижной связи (GMSC).

Внутренние GSM-интерфейсы

Интерфейс между MSC и BSS (А-интерфейс) обеспечивает передачу сообщений для управления BSS, передачи вызова, управления передвижением. А-интерфейс объединяет каналы связи и линии сигнализации. Последние используют протокол SS N7 МККТТ. Полная спецификация А-интерфейса соответствует требованиям серии 08 Рекомендаций ETSI/GSM.

Интерфейс между MSC и HLR совмещен с VLR (В-интерфейс). Когда MSC необходимо определить местоположение подвижной станции, он обращается к VLR. Если подвижная станция инициирует процедуру местоопределения с MSC, он информирует свой VLR, который заносит всю изменяющуюся информацию в свои регистры. Эта процедура происходит всегда, когда MS переходит из одной области местоопределения в другую. В случае если абонент запрашивает специальные дополнительные услуги или изменяет некоторые свои данные, MSC также информирует VLR, который регистрирует изменения и при необходимости сообщает о них HLR.

Интерфейс между MSC и HLR(С-интерфейс) используется для обеспечения взаимодействия между MSC и HLR. MSC может послать указание (сообщение) HLR в конце сеанса связи для того, чтобы абонент мог оплатить разговор. Когда сеть фиксированной телефонной связи не способна исполнить процедуру установления вызова подвижного абонента, MSC может запросить HLR с целью определения местоположения абонента для того, чтобы послать вызов MS.

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

Интерфейс между MSC (Е-интерфейс) обеспечивает взаимодействие между разными MSC при осуществлении процедуры HANDOVER -- "передачи" абонента из зоны в зону при его движении в процессе сеанса связи без ее перерыва. Интерфейс между BSC и BTS(A-bis интерфейс) служит для связи BSC с BTS и определен Рекомендациями ETSI/GSM для процессов установления соединений и управления оборудованием, передача осуществляется цифровыми потоками со скоростью 2,048 Мбит/с. Возможно использование физического интерфейса 64 кбит/с. Интерфейс между BSC и ОМС (О-интерфейс) предназначен для связи BSC с ОМС, используется в сетях с пакетной коммутацией МККТТ Х.25.

Внутренний BSC-интерфейс контроллера базовой станции обеспечивает связь между различным оборудованием BSC и оборудованием транскодирования (ТСЕ); использует стандарт ИКМ-передачи 2,048 Мбит/с и позволяет организовать из четырех каналов со скоростью 16 Кбит/с один канал на скорости 64 Кбит/с. Интерфейс между MS и BTS (Um-радиоинтерфейс) определен в сериях 04 и 05 Рекомендаций ETSI/GSM. Сетевой интерфейс между ОМС и сетью, так называемый управляющий интерфейс между ОМС и элементами сети, определен ETSI/GSM. Рекомендациями 12.01 и является аналогом интерфейса Q.3, который определен в многоуровневой модели открытых сетей ISO OSI. Соединение сети с ОМС могут обеспечиваться системой сигнализации МККТТ SS N7 или сетевым протоколом Х.25. Сеть Х.25 может соединяться с объединенными сетями или с PSDN в открытом или замкнутом режимах.

GSM -- протокол управления сетью и обслуживанием также должен удовлетворять требованиям Q.3 интерфейса, который определен в ETSI/GSM Рекомендациях 12.01. Интерфейсы между сетью GSM и внешним оборудованием -- интерфейс между MSC и сервис-центром (SC) -- необходим для реализации службы коротких сообщений. Он определен в ETSI/GSM Рекомендациях 03.40. Каждый центр управления и обслуживания сети должен соединяться с другими ОМС, управляющими сетями в других регионах или другими сетями. Эти соединения обеспечиваются Х-интерфейсами в соответствии с Рекомендациями МККТТ М.ЗО. Для взаимодействия ОМС с сетями высших уровней используется ОЗ-интерфейс.

Структура служб и передача данных в стандарте GSM

Стандарт GSM содержит два класса служб: основные службы и телеслужбы. Основные службы обеспечивают: передачу данных (асинхронно) в дуплексном режиме со скоростями 300, 600, 1200, 2400, 4800 и 9600 бит/с через телефонные сети общего пользования; передачу данных (синхронно) в дуплексном режиме со скоростями 1200, 2400, 4800 и 9600 бит/с через телефонные сети общего пользования, коммутируемые сети передачи данных общего пользования (CSPDN) и ISDN; доступ с помощью адаптера к пакетной асинхронной передаче данных со стандартными скоростями 300 - 9600 бит/с через коммутируемые сети пакетной передачи данных общего пользования (PSPDN), например, Datex-P; синхронный дуплексный доступ к сети пакетной передачи данных со стандартными скоростями 2400 - 9600 бит/с.

При передаче данных со скоростью 9,6 кбит/с всегда используется канал связи с полной скоростью передачи. В случае передачи на скоростях ниже 9,6 кбит/с могут использоваться полускоростные каналы связи. Перечисленные функции каналов передачи данных предусмотрены для терминального оборудования, в котором используются интерфейсы МККТТ со спецификациями V.24 или Х.21 серий. Эти спецификации определяют вопросы передачи данных по обычным каналам телефонной связи.

Телеслужбы предоставляют следующие услуги:

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

§ передача коротких сообщений;

§ доступ к службам "Видеотекс", "Телетекст";

§ служба "Телефакс".

Дополнительно стандартизован широкий спектр особых услуг (передача вызова, оповещения о тарифных расходах, включение в закрытую группу пользователей). Так как ожидается, что большинство абонентов будет использовать услуги GSM в деловых целях, особое внимание уделяется аспектам безопасности и качеству предоставляемых услуг. К передаче данных относится и новый вид службы, используемый в GSM, -- передача коротких сообщений (передача служебных буквенно-цифровых сообщений для отдельных групп пользователей).

При передаче коротких сообщений используется пропускная способность каналов сигнализации. Сообщения могут передаваться и приниматься подвижной станцией. Для передачи коротких сообщений могут использоваться общие каналы управления. Объем сообщений ограничен 160 символами, которые могут приниматься в течение текущего вызова либо в нерабочем цикле. В управление радиоканалами, защиту от ошибок в радиоканале, кодирование - декодирование речи, текущий контроль и распределение данных пользователя и вызовов, адаптацию по скорости передачи между радиоканалом и данными, обеспечение параллельной работы нагрузок (терминалов), обеспечение непрерывной работы в процессе движения.

Используется три типа оконечного оборудования подвижной станции: МТО (Mobile Termination 0) -- многофункциональная подвижная станция, в состав которой входит терминал данных с возможностью передачи и приема данных и речи: МТ1 (Mobile Termination 1) -- подвижная станция с возможностью связи через терминал с ISDN; МТ2 (Mobile Termination 2) -- подвижная станция с возможностью подключения терминала для связи по протоколу МККТТ V или Х серий. Терминальное оборудование может состоять из оборудования одного или нескольких типов, такого как телефонная трубка с номеронабирателем, аппаратуры передачи данных (DTE), телекс и т. д. Различают следующие типы терминалов:

1. ТЕ1 (Terminal Equipment 1) -- терминальное оборудование, обеспечивающее связь с ISDN;

2. ТЕ2 (Terminal Equipment 2) -- терминальное оборудование, обеспечивающее связь с любым оборудованием через протоколы МККТТ V или Х серий (связь с ISDN не обеспечивает).
Терминал ТЕ2 может быть подключен как нагрузка к МТ1 (подвижной станции с возможностью связи с ISDN) через адаптер ТА. Система характеристик стандарта GSM, принятая функциональная схема сетей связи и совокупность интерфейсов обеспечивают высокие параметры передачи сообщений, совместимость с существующими и перспективными информационными сетями, предоставляют абонентам широкий спектр услуг цифровой связи.

3.Структура TDMA кадров и формирование сигналов в стандарте GSM

В результате анализа различных вариантов построения цифровых сотовых систем подвижной связи (ССПС) в стандарте GSM принят многостанционный доступ с временным разделением каналов (TDMA). Длина периода последовательности в этой структуре, которая называется гиперкадром, равна Т_г = 3 ч 28 мин 53 с 760 мс (12533,76 с). Гиперкадр делится на 2048 суперкадров, каждый из которых имеет длительность Т_е = 12533,76/2048 = 6,12 с.

Суперкадр состоит из мультикадров. Для организации различных каналов связи и управления в стандарте GSM используются два вида мультикадров:

1. 26-позиционные TDMA кадры мультикадра.

2. 51-позиционные TDMA кадры мультикадра.

Суперкадр может содержать в себе 51 мультикадр первого типа или 26 миультикадров второго типа. Длительности мультикадров соответственно: Т_а= 6120/51 = 120 мс; Т_а = 6120/26 = 235,385мс (3060/13 мс). Длительность каждого TDMA кадра: Т_а = 120/26 = 235,385/51 = 4,615 мс (60/13 мс). Т_а = 120/26 = 235,385/51 = 4,615 мс (60/13 мс). Таким образом, гиперкадр состоит из 2715647 TDMA кадров. Необходимость такого большого периода гиперкадра объясняется требованиями применяемого процесса криптографической защиты, в котором номер кадра NF используется как входной параметр. TDMA кадр делится на восемь временных позиций с периодом Т_о = 60/13:8 = 576,9 мкс (15/26 мс) Каждая временная позиция обозначается TN с номером от 0 до 7. Физический смысл временных позиций, которые иначе называются окнами, -- время, в течение которого осуществляется модуляция несущей цифровым информационным потоком, соответствующим речевому сообщению или данным. Цифровой информационный поток представляет собой последовательность пакетов, размещаемых в этих временных интервалах (окнах). Пакеты формируются немного короче, чем интервалы, их длительность составляет 0,546 мс, что необходимо для приема сообщения при наличии временной дисперсии в канале распространения. Информационное сообщение передается по радиоканалу со скоростью 270,833 кбит/с.

Это означает, что временной интервал TDMA кадра содержит 156,25 бит. Длительность одного информационного бита 576,9 мкс/156,25 = 3,69 мкс. Каждый временной интервал, соответствующий длительности бита, обозначается BN с номером от 0 до 155; последнему интервалу длительностью 1/4 бита присвоен номер 156. Для передачи информации по каналам связи и управления, подстройки несущих частот, обеспечения временной синхронизации и доступа к каналу связи в структуре TDMA кадра используются пять видов временных интервалов (окон): NB используется для передачи информации по каналам связи и управления, за исключением канала доступа RACH. Он состоит из 114 бит зашифрованного сообщения и включает защитный интервал (GP) в 8,25 бит длительностью 30,46 мкс.

Информационный блок из 114 бит разбит на два самостоятельных блока по 57 бит, разделенных между собой обучающей последовательностью в 26 бит, которая используется для установки эквалайзера в приемнике в соответствии с характеристиками канала связи в данный момент времени. В состав NB включены два контрольных бита (Steeling Flag), которые служат признаком того, содержит ли передаваемая группа речевую информацию или информацию сигнализации. В последнем случае информационный канал (Traffic Channel) "украден" для обеспечения сигнализации. Между двумя группами зашифрованных бит в составе NB находится обучающая последовательность из 26 бит, известная в приемнике. С помощью этой последовательности обеспечивается оценка частоты появления ошибок в двоичных разрядах по результатам сравнения принятой и эталонной последовательностей. В процессе сравнения вычисляется параметр RXQUAL, принятый для оценки качества связи. Конечно, речь идет только об оценке связи, а не о точных измерениях, так как проверяется только часть передаваемой информации.

Параметр RXQUAL используется при вхождении в связь, при выполнении процедуры "эстафетной передачи" (Handover) и при оценке зоны покрытия радиосвязью. Особенность стандарта GSM -- возможность обеспечения связью подвижных абонентов в сотах с радиусом около 35 км. Время распространения радиосигнала в прямом и обратном направлениях составляет при этом 233,3 мкс. В структуре GSM строго определены временные характеристики огибающей сигнала, излучаемого пакетами на канальном временном интервале TDMA кадра, и спектральная характеристика сигнала.

Одна из особенностей формирования сигналов в стандарте GSM -- использование медленных скачков по частоте в процессе сеанса связи. Главное назначение таких скачков (SFH -- Slow Frequency Hopping) обеспечение частотного разнесения в радиоканалах, функционирующих в условиях многолучевого распространения радиоволн. SFH используется во всех подвижных сетях, что повышает эффективность кодирования и перемежения при медленном движении абонентских станций. Принцип формирования медленных скачков по частоте состоит в том, что сообщение, передаваемое в выделенном абоненту временном интервале TDMA кадра (577 мкс), в каждом последующем кадре передается (принимается) на новой фиксированной частоте.

В соответствии со структурой кадров время для перестройки частоты составляет около 1 мс. В процессе скачков по частоте постоянно сохраняется дуплексный разнос 45 МГц между каналами приема и передачи. Всем активным абонентам, находящимся в одной соте, ставятся в соответствие ортогональные формирующие последовательности, что исключает взаимные помехи при приеме сообщений абонентами в соте. Параметры последовательности переключения частот (частотно-временная матрица и начальная частота) назначаются каждой подвижной станции в процессе установления канала. Ортогональность последовательностей переключения частот в соте обеспечивается начальным частотным сдвигом одной и той же (по алгоритму формирования) последовательности. В смежных сотах используются различные формирующие последовательности.

Для сравнения можно отметить, что по результатам экспериментальных исследований, проведенных на действующих сетях GSM, пространственное разнесение приемных антенн на базовой станции дает выигрыш 3 - 4 дБ. Принятая структура TDMA кадров и принципы формирования сигналов в стандарте GSM в совокупности с методами капельного кодирования позволили снизить требуемое для приема отношение сигнал/помеха до 9 дБ, тогда как в стандартах аналоговых сотовых сетей связи оно составляет 17 - 18 дБ.

4. Принципы построения макросотовых систем

Разделить обслуживаемую территорию на макро-зоны можно двумя способами: статистическим, основанным на измерении статистических параметров распространения сигналов в системах связи, или детерминированным, основанным на измерении или расчете параметров распространения сигнала для конкретного района. При статистическом способе вся обслуживаемая территория разделяется на одинаковые по форме зоны, и с помощью статистических законов распространения радиоволн определяются их допустимые размеры и расстояния до других зон, в приделах которых выполняются условия допустимого взаимного влияния.

Чтобы оптимально разделить территорию на макро-зоны, т. е. без перекрытия или пропусков участков, могут быть использованы только три геометрические фигуры -- треугольник, квадрат и шестиугольник. Наиболее подходящей фигурой является шестиугольник, так как если антенну устанавливать в его центре, то круговая форма диаграммы направленности будет покрывать почти всю его площадь.

Абоненты подвижной связи (ПС), находящиеся в макро-зонах, могут связаться БС, находящейся в центре этой зоны. Все макро-зоны связаны соединительными линиями с главной БС. В качестве соединительных линий могут использоваться кабели, радиорелейные линии. Главная БС (ЦС) соединяется с телефонной сетью. Таким образом, при связи абонента АТС с абонентом ПС сигнал вызова из телефонной сети попадает на ЦС, от нее по соединительным линиям к одной из макро-Зоновых ЦС (МЗЦС) и затем по радиоканалу к абоненту ПС.

Передатчик МЗЦС имеет сравнительно небольшую мощность, необходимую для связи с абонентами ПС в макро-зоне, поэтому уровень создаваемых им помех значительно ниже. Это дает возможность использовать те же частоты и в других ячейках. Расстояние до этих ячеек, в которых могут быть использованы одни и те же рабочие частоты, зависят от условий распространения радиоволн, допустимого уровня помех и числа радиостанций, расположенных вокруг данной ячейки. Считается допустимым, чтобы в сотовой шестиугольной структуре частоты повторялись через две ячейки. Это означает, что, используя 7 рабочих каналов, можно перекрыть всю зону обслуживания. Если интенсивность нагрузки по всей зоне одинакова, то и размеры всех ячеек выбирают одинаковыми.

Обычно распределение абонентов ПС по всей обслуживаемой территории неравномерно (уменьшается от центра к периферии), поэтому целесообразно так изменять ячейки, чтобы их размеры увеличивались к периферии. Это позволяет уменьшить стоимость ССсПО в целом за счет уменьшения необходимого числа БС. Однако в этом случае мощности передатчиков центральных и подвижных радиостанций будут зависеть от размеров ячеек, поэтому целесообразно использовать автоматически регулируемую по сигналу корреспондента мощность передатчика. Кроме того, для территорий с зонами разного размера надо более тщательно определять те из них, в которых можно повторно использовать рабочие каналы. При статическом способе в большинстве случаев получаемый интервал между зонами, в которых используются одинаковые рабочие каналы, получается больше необходимого с точки зрения поддержания взаимных помех на допустимом уровне.

Наиболее оптимален детерминированный способ разделения на зоны. При нем тщательно измеряют или рассчитывают параметры системы для определения минимального числа центральных станций, обеспечивающих удовлетворительное обслуживание абонентов по всей территории. При этом учитывается рельеф местности для определения оптимального места расположения ЦС, имеется возможность использовать направленные антенны, пассивные ретрансляторы и центральные смежные станции в момент пиковой нагрузки и т.д. Однако этот способ сложен и требует в ряде случаев моделирования с использованием ЭВМ. В сотовых системах необходимо определить, какую ЦС подключить для связи с абонентом ПС, т. е. определить местоположение абонента ПС на территории обслуживания. При этом не требуется высокая точность определения местоположения подвижного объекта. Достаточно определить только зону, в которой он находится. При входящей связи, т. е. от ЦС к абоненту ПС, сигнал вызова может передаваться либо по специальным вызывным, либо по свободным каналам, на которые радиостанции ПС настраиваются автоматически. Местоположение определяется по уровню сигнала, поступающего от радиостанции абонента ПС на ближайшую БС, которая и включается для ведения переговоров с абонентами ПС. При переезде в зону действия другой БС радиостанция ПС автоматически переходит на канал новой БС. При этом постоянно должен обеспечиваться контроль за радиостанцией ПС, для чего в процессе ведения разговора с абонентом ПС на БС и далее в ЦС совместно с речью передаются контрольные сигналы.

Существуют различные методы определения координат: наиболее распространенный из них трехсторонний дальномерный метод для оценки дальности импульсными или фазометрическими системами, а также триангуляционный метод для измерения азимута абонента ПС по отношению к базовым станциям, принимающим его сигнал. Есть также предложения по использованию метода электронного оповещения, при котором на границах зон устанавливаются электронные посты оповещения, предназначенные для передачи абоненту ПС информации о пересекаемой области. Эта информация запоминается радиостанцией абонента ПС и может быть затем передана на ЦС, принимающую заявку на обслуживание абонентов ПС. Однако такая система требует дополнительной аппаратуры, устанавливаемой на всей территории обслуживания. Следует отметить, что методы определения координат абонента ПС и алгоритмов выделения ЦС еще требуют дополнительных исследований. После выделения одной из нескольких ЦС для связи с абонентом ПС необходимо выделить рабочий канал. В простейших сотовых системах с относительно равномерной средней нагрузкой используется фиксированное распределение каналов, при котором за каждой зоной закрепляется один канал, а радиостанция абонента ПС может переключаться на каналы всех зон автоматически по мере перехода из одной зоны в другую. В более сложных системах за каждой зоной может быть закреплена группа каналов (стволов), радиостанция абонента ПС при работе в данной зоне автоматически выбирает канал, свободный в данный момент от связи. При переходе в другую зону она автоматически переключается на другую группу каналов и на поиск свободного канала в новой зоне.

Существенным является вопрос о частном планировании в СССПО. В соответствии с принятыми принципами каждой БС выделяется определенный набор частотных каналов, который может повторяться. Как уже упоминалось, БС, на которых допускается повторное использование выделенного набора частот, разделяются между собой защитным интервалом D. Именно возможность повторного использования одних и тех же частот определяет высокую эффективность применения частотного спектра в СССПО. Смежные БС, использующие различные наборы частотных каналов, образуют группу из С станций. Если каждой БС выделяется набор из каналов с шириной полосы K, то общая ширина полосы, занимаемая СССПО, будет F_c = F_к*m*C, где m -- число каналов. Таким образом, величина С определяет минимально возможное число каналов в системе, поэтому ее часто называют "частотным параметром" системы (в некоторых источниках -- "коэффициентом повторения частот").

Тогда эффективность использования спектра частот определяется выражением, из которого следует, что величина эффективности не зависит от числа каналов в наборе и увеличивается по мере уменьшения радиуса ячейки. Таким образом, использование меньших радиусов ячеек дает возможность увеличить повторяемость частот. Кроме того, видно, что целесообразно выбирать малые значения С. Применение шестиугольной формы ячеек позволяет минимизировать необходимый частотный диапазон, поскольку обеспечивает оптимальное соотношение между величиной С и защитным интервалом. Кроме того, шестиугольная форма наилучшим образом вписывается в круговую диаграмму направленности БС, установленной в центре ячейки.

Остановимся более подробно на вопросе о выборе размеров ячеек (радиусе R). Эти размеры определяют защитный интервал D между ячейками, в которых одни и те же частоты могут быть использованы повторно. Заметим, что величина интервала зависит также от допустимого уровня помех и условий распространения радиоволн. В предположении, что интенсивность нагрузки в пределах всей зоны одинакова, ячейки выбираются одинаковых размеров. При заданном размере зоны обслуживания (радиус R0) радиус ячейки R определяет также число абонентов N, способных одновременно вести переговоры на всей территории обслуживания. Из этого соотношения также видно, что уменьшение радиуса ячейки позволяет не только повысить частотную эффективность и увеличить пропускную способность системы, но и уменьшить мощность передатчиков и чувствительность приемников БС и АС. Это улучшает условия электромагнитной совместимости СССПО с другими радиоэлектронными средствами и системами и снижает ее стоимость.

С другой стороны, чрезмерное уменьшение радиуса ячеек приводит к значительному увеличению числа пересечений абонентом ПС границ ячеек, что может вызвать перегрузку устройств управления и коммутации системы. Кроме того, возможно увеличение числа случаев возникновения взаимных помех. И, наконец, при малых значениях R в реальных условиях даже незначительное отклонение положения антенны относительно геометрического центра ячейки может вызвать ощутимое уменьшение отношения сигнал/помеха в системе. В связи с этим в реальных условиях при выборе величины R приходится принимать компромиссное решение. Типовые значения радиусов выбираются на основе расчетов и опыта эксплуатации и составляют величину 0,5 - 2,5 км (в Лондоне и Стокгольме). В перспективе (в особенности для районов с плотным трафиком) эта величина, как полагают, будет уменьшаться.

Исключительно важным вопросом, определяющим в значительной степени основные характеристики ССПР, является распределение частотных каналов между БС. Оно позволяет обеспечить низкий уровень межканальных помех, оказывающих значительное влияние на помехоустойчивость системы. Существуют три способа распределения частотных каналов: фиксированное, динамическое и гибридное.

При фиксированном распределении каждой БС выделяется определенный набор каналов. АС подвижных абонентов при нахождении их в определенной ячейке с помощью ЦС назначается свободный в данный момент времени канал из набора. При перемещении АС в другую ячейку с помощью процедуры эстафетной передачи осуществляется переключение данной АС на соответствующий свободный канал этой ячейки. Недостатком способа является неэффективное использование частотного спектра, поскольку в реальных условиях центральные ячейки города могут быть перегружены, а периферийные иметь свободные каналы.

При динамическом способе любой из частотных каналов может быть использован любой БС. При этом тем БС, на которых все каналы заняты, предоставляются на время сеанса связи каналы из других ячеек. Это осуществляется с помощью ЭВМ, в памяти которой хранится информация о состоянии каждого канала в зоне обслуживания и всех его изменениях в процессе работы системы, а также о местонахождении абонента ПС. Таким образом, динамическое распределение каналов позволяет увеличить загруженность каналов и тем самым повысить эффективность их использования и снизить вероятность блокировки вызова в случае, когда все каналы данной ячейки заняты. Однако нагрузки на устройства управления системой связи в этом случае возрастают.

При гибридном способе распределения каждой БС выделяется фиксированный набор каналов, а также определенное их число для распределения динамическим способом. Гибридный способ при больших нагрузках позволяет предъявлять менее жесткие требования к управляющим устройствам по сравнению с динамическим, а в области малых значений нагрузки имеет преимущество перед фиксированным, состоящее в более низкой вероятности блокировки вызова. Следует отметить, что наиболее существенное достоинство динамического и гибридного распределений заключается в том, что они обеспечивают выравнивание нагрузки на канал. При фиксированном распределении это осуществляется путем увеличения числа каналов, предоставляемых БС в местах с плотным трафиком, а также уменьшением радиуса ячеек.

Необходимость многофункционального управления в ССсПО имеет первостепенное значение для реализации возможности наиболее эффективного использования выделенной полосы радиочастот. Многократное использование частот затрудняется из-за сильного изменения уровня сигнала по мере движения АС в пределах зоны обслуживания, обусловленного многолучевым распространением сигнала, а также экранирующим и поглощающим воздействием местных объектов. Управление необходимо осуществлять таким образом, чтобы в сильно меняющихся условиях прохождения радиосигналов непрерывно осуществлялась надежная связь. Как отмечалось выше, с этой целью ЦС осуществляет функции управления эстафетной передачей АС по мере пересечения абонентом ПС границ ячеек и снижения качества сигнала ниже установленного заранее порогового уровня. Для оценки качества сигнала по разговорному каналу постоянно передается пилот-сигнал и измеряется соотношение сигнал/шум по мощности или сигнал/помеха с помощью специальных измерительных приемников. При уменьшении величины до значений ниже порогового уровня, что может обусловливаться выходом АС из зоны действия БС, замираниями сигнала, а также рядом других причин, ЦС выбирает зону с максимальной величиной и переключает АС на новый канал (осуществляет эстафетную передачу).

Для реализации процедуры управления и обмена служебной информацией между БС и АС на группу разговорных каналов выделяется специальный канал управления. В свободном режиме АС постоянно настроена на частоту этого канала. Обмен соответствующей информацией в звене БС-ЦС производится по специальному проводному каналу, также выделенному на группу разговорных каналов.

Характерной особенностью процесса коммутации, осуществляемой в ССсПО, является то, что абонент находится в движении и может оказаться в зоне обслуживания любой БС. В связи с этим для установления соединения с находящейся в движении АС необходимо иметь информацию о местонахождении абонента. При этом согласно рекомендациям МККТТ координаты АС должны определяться с точностью до зоны или группы зон. Эта процедура должна осуществляться таким образом, чтобы обеспечивалось своевременное обновление данных о местоположении АС, и был максимально облегчен поиск АС при изменении зоны обслуживания. Результаты регистрации местоположения АС хранятся в специальном регистре для записи местоположения. При анализе и расчете зон действия БС и решении ряда других задач существенную роль играет учет особенностей распространения радиоволн УКВ - и СВЧ-диапазонов в городских и пригородных условиях. В результате суммирования различных лучей на приемной стороне радиолинии возникают случайные амплитудные и фазовые флуктуации, вызывающие явления замирания сигнала. Распределение огибающей такого сигнала подчиняется закону Рэлея, а величина замираний относительно среднего уровня составляет 40 дБ. Одним из основных путей борьбы с замиранием является использование методов разнесенного приема. Эти методы предполагают наличие нескольких разделенных трактов передачи с независимыми замираниями, по которым передается одно и то же сообщение. Средние уровни сигналов, передаваемых по каждому тракту, должны быть также примерно одинаковы. При соответствующем комбинировании сигналов, поступающих из трактов передачи, формируется результирующий сигнал, имеющий гораздо меньшую глубину замирания и обеспечивающий соответственно большую надежность передачи.

GSM-1800 (DCS-1800)

Модификация стандарта GSM-900, сравнительно молодой и ещё не получил широкого развития в мире. Цифровой стандарт, диапазон частот -- 1710 - 1880 МГц.

Отличия GSM-1800 от GSM-900

Фактически -- только рабочими частотами. Предоставляемый сервис зависит больше от оператора, чем от диапазона. Однако тут есть ряд интересных моментов:

§ из-за более высокой частоты уменьшается максимально возможный радиус соты, а точнее -- максимальное удаление абонента от базовой станции. Для GSM-900 это расстояние равно 35 км. Для GSM-1800 -- около 10 км.

§ на частотах 1800 - 2000 МГц радиоволны имеют несколько иные проникающие свойства.

§ резкий плюс -- куда больший частотный ресурс, так как этот частотный диапазон не успели в свое время захватить "компетентные" органы. Кроме этого в диапазонах 1800 и 1900 частотное планирование выполняется гибче в силу большего числа каналов и меньшего радиуса сот.

Особенности

Максимальная излучаемая мощность мобильных телефонов стандарта GSM-1800 -- 1Вт, для сравнения у GSM-900 -- 2Вт. Большее время непрерывной работы без подзарядки аккумулятора и снижение уровня радиоизлучения, хотя если учесть тот факт, что это самая высокая частота, то можно предположить увеличение "эффекта микроволновой печи на ваш организм.

Возможность использования телефонных аппаратов, работающих в стандартах GSM-900 и GSM-1800 одновременно. Такой аппарат функционирует в сети GSM-900, но, попадая в зону GSM-1800, переключается -- вручную или автоматически. Это позволяет оператору рациональнее использовать частотный ресурс, а клиентам -- экономить деньги за счет низких тарифов. В обеих сетях абонент пользуется одним номером. Но использование аппарата в двух сетях возможно только в тех случаях, когда эти сети принадлежат одной компании, или между компаниями, работающими в разных диапазонах, заключено соглашение о роуминге.

Проблема состоит ещё в том, что зона охвата для каждой базовой станции значительно меньше, чем в стандартах GSM-900, AMPS/DAMPS-800, NMT-450. Необходимо большее число базовых станций. Чем выше диапазон частот, тем больше проникающая способность радиоволн и тем меньше способность отражаться и огибать преграды. Что вносит некоторые новые моменты в вопросы планирования и взаимодействия с сетями других стандартов, однако это не отражается на самих принципах планирования, они остаются такими же, как и для стандарта GSM-900. А вопросы взаимодействия больше зависят от оператора применяющего данный стандарт для построения своей сети.

5.Широкополосные сети абонентского доступа

В настоящее время для организации цифрового доступа на абонентском участке чаще всего используются медные телефонные линии. Именно поэтому на первый план выходят технологии xDSL, позволяющие не думать пока о создании новой инфраструктуры, а вполне успешно использовать старую. Существует достаточно большое количество технологий высокоскоростной передачи данных, объединенных общим названием xDSL (Digital Subscriber Line или цифровая абонентская линия, где x -- символ, обозначающий конкретный тип технологий высокоскоростных цифровых абонентских линий DSL). Предоставление голосового трафика, подключение удаленных компьютеров, объединение ЛВС, организация соединения с провайдером, услуга "видео-по-запросу" или "платное ТВ", дистанционное обучение и т. п. -- все это можно легко сделать, используя одну из DSL технологий. DSL позволяет перейти на новый технологический уровень использования медных линий, который обеспечивает достаточную пропускную способность для любого из предлагаемых пользователю приложений. При этом может быть организована не только выделенная линия с двумя модемами (например, при использовании технологии HDSL), но и цифровая абонентская линия, соединяющая станционное оборудование с модемом пользователя (ADSL или VDSL). В последнем случае сохраняется возможность использования абонентской линии для обычной аналоговой телефонной связи.

Как это не парадоксально, но использование одних и тех же линий различными технологиями во многих странах решается законодательно. Например, в США в ноябре 1999 года вышло постановление Федеральной комиссии связи США (FCC), в соответствии с которым операторы местной связи должны допустить к своим линиям операторов сетей передачи данных и других сетей. Так как передача сигналов голоса при традиционной телефонной связи осуществляется в очень узкой полосе низких частот, в высокочастотном спектре по той же самой линии может осуществляться передача данных. То есть обе эти технологии могут спокойно сосуществовать в пределах одной линии. Это позволяет исключить необходимость прокладывания отдельного кабеля для организации передачи данных. Проведенное тестирование подтвердило, что высокоскоростная передача данных по технологии DSL совершенно не влияет на обычную телефонную связь, осуществляемую по той же самой абонентской линии. Конечно же, при таком совместном использовании линий возникают определенные организационные сложности (например, связанные с выполнением заявок абонентов или поддержанием состояния линий в надлежащем виде), но в любом случае совместное использование линий позволит значительно снизить не только затраты на абонентскую линию, но и сократить время предоставления услуги. Кроме того, это позволяет увеличить конкуренцию на рынке линий DSL для жилых домов. Таким образом, уже сейчас российские операторы телефонных сетей, которые в отличие от американских свободны не предоставлять своим конкурентам собственную медную инфраструктуру, могли бы начать повсеместное внедрение DSL технологий для предоставления абонентам новых услуг. К тому же эти технологии как нельзя лучше подходят к российским условиям -- для подключения абонентов используется медный кабель, идущий от самого узла, поэтому получить скоростной канал связи можно простой установкой DSL-модемов по концам линии.

Еще 10 - 15 лет назад пользователю услуги приходилось пользоваться разнородными по своему содержанию сетями, -- будь то телефонная, телевизионная сети или сеть передачи данных. Для получения требуемой информации пользователю приходится пользоваться разнородными по своему содержанию сетями.

У каждой из сетей была своя кабельная инфраструктура, которая использовалась строго по назначению. Исключение составляла лишь сеть передачи данных, для подключения к которой использовались арендованные линии или каналы или коммутируемые линии телефонных компаний. Повальная компьютеризация породила огромное число домашних пользователей, а снятие запрета на совместное использование сетей способствовало расширению услуг той или иной сети. Можно полагать, что нынешняя ориентация на нужды рынка малых/домашних офисов превалирует над остальными сегментами рынка и вряд ли изменится в ближайшем будущем. Действительно, вероятность появления большого числа крупных корпоративных клиентов гораздо ниже вероятности появления большого числа компаний малого и среднего бизнеса, да и просто числа домашних пользователей. Очевидно, что стоимость пакета услуг была бы существенно ниже, если бы в роли поставщика выступал единый оператор. В связи с этим, логичным выглядит и желание операторов построить сеть с полным набором услуг, до которой, конечно же, еще далеко, но к которой в идеале необходимо стремиться. Кто владеет информацией, владеет миром, а кто владеет информационным каналом, управляет им. Современные телекоммуникационные компании стремятся расширить набор предоставляемых услуг и овладеть информационным каналом между пользователем и внешним миром. Стремление к этому идеалу находит отражение в телефонных сетях и сетях кабельного телевидения, которые уже сегодня насчитывают наибольшее число пользователей, и предоставляют помимо стандартного набора услуг и доступ к сетям передачи данных и Интернет.