Подвижная и базовая станции системы GSM

Размещено на http://www.allbest.ru/

Подвижная станция

Блок-схема подвижной станции приведена на рисунке 1. В ее состав входят:

- блок управления;

- приемопередающий блок;

- антенный блок.

Рисунок 1

Приемопередающий блок, в свою очередь, включает передатчик, приемник, синтезатор частот и логический блок.

Наиболее прост по составу антенный блок: он включает антенну и коммутатор прием-передача. Последний для цифровой станции может представлять собой электронный коммутатор, подключающий антенну либо на выход передатчика, либо на вход приемника, поскольку, как будет ясно из дальнейшего, подвижная станция цифровой системы никогда не работает на прием и передачу одновременно.

Функционально несложен и блок управления. Он включает микротелефонную трубку - микрофон и динамик, клавиатуру и дисплей. Клавиатура служит для набора номера телефона вызываемого абонента, а также команд, определяющих режим работы подвижной станции. Дисплей служит для отображения различной информации, предусматриваемой устройством и режимом работы станции. Приемопередающий блок значительно сложнее. В состав передатчика входят:

- аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - преобразует в цифровую форму сигнал с выхода микрофона и вся последующая обработка и передача сигнала речи производится в цифровой форме, вплоть до обратного цифро-аналогового преобразования;

- кодер речи осуществляет кодирование сигнала речи - преобразование сигнала, имеющего цифровую форму, по определенным законам с целью сокращения его избыточности, т.е. с целью сокращения объема информации, передаваемой по каналу связи;

- кодер канала - добавляет в цифровой сигнал, получаемый с выхода кодера речи, дополнительную (избыточную) информацию, предназначенную для защиты от ошибок при передаче сигнала по линии связи; с той же целью информация подвергается определенной переупаковке (перемежению); кроме того, кодер канала вводит в состав передаваемого сигнала информацию управления, поступающую от логического блока;

- модулятор - осуществляет перенос информации кодированного видеосигнала на несущую частоту.

Приемник по составу в основном соответствует передатчику, но с обратными функциями входящих в него блоков:

- демодулятор выделяет из модулированного радиосигнала кодированный видеосигнал, несущий информацию;

- декодер канала выделяет из входного потока управляющую информацию и направляет ее на логический блок; принятая информация проверяется на наличие ошибок, и выявленные ошибки по возможности исправляются; до последующей обработки принятая информация подвергается обратной (по отношению к кодеру) переупаковке;

- декодер речи восстанавливает поступающий на него с кодера канала сигнал речи, переводя его в естественную форму, со свойственной ему избыточностью, но в цифровом виде;

- цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует принятый сигнал речи в аналоговую форму и подает его на вход динамика;

- эквалайзер служит для частичной компенсации искажений сигнала вследствие многолучевого распространения; по существу, он является адаптивным фильтром, настраиваемым по обучающей последовательности символов, входящей в состав передаваемой информации; блок эквалайзера не является, вообще говоря, функционально необходимым и в некоторых случаях может отсутствовать.

Для сочетания кодера и декодера иногда употребляют наименование кодек (например, канальный кодек , речевой кодек).

Помимо собственно передатчика и приемника, в приемопередающий блок входят логический блок и синтезатор частот. Логический блок - это по сути микрокомпьютер со своей оперативной и постоянной памятью, осуществляющий управление работой подвижной станции.

Синтезатор является источником колебаний несущей частоты, используемой для передачи информации по радиоканалу. Наличие гетеродина и преобразователя частоты обусловлено тем, что для передачи и приема используются различные участки спектра (дуплексное разделение по частоте).

Блок-схема рисунке 1 является существенно упрощенной. На ней не показаны усилители, селектирующие цепи, генераторы сигналов синхрочастот и цепи их разводки, схемы контроля мощности на передачу и прием и управления ею, схема управления частотой генератора для работы на определенном частотном канале и т.п. Для обеспечения конфиденциальности передачи информации в системах связи используют процедуру шифрования; передатчик и приемник подвижной станции включают соответственно блоки шифрования и дешифровки сообщений. В подвижной станции системы GSM предусмотрен специальный съемный модуль идентификации абонента (SIM).

Подвижная станция системы GSM включает также детектор речевой активности, который в интересах экономного расходования энергии источника питания (уменьшения средней мощности излучения), а также снижения уровня помех, неизбежно создаваемых для других станций при работающем передатчике, включает работу передатчика на излучение только на те интервалы времени, когда абонент говорит. На время паузы в работе передатчика в приемный тракт дополнительно вводится так называемый комфортный шум . В необходимых случаях в подвижную станцию могут входить отдельные терминальные устройства, например факсимильный аппарат, в том числе подключаемые через специальные адаптеры с использованием соответствующих интерфейсов.

Базовая станция

Многие элементы, входящие в состав базовой станции, по функциональному назначению не отличаются от аналогичных элементов подвижной станции, но в целом базовая станция существенно больше и сложнее подвижной, что соответствует ее месту в системе сотовой связи,

Блок-схема базовой станции приведена на рисунке 2. Первая особенность базовой станции, которую следует отметить, - это использование разнесенного приема, для чего станция должна иметь две приемные антенны (на схеме рисунка 5 эта особенность не отражена). Кроме того, базовая станция может иметь раздельные антенны на передачу и на прием (схема рисунка 5 соответствует этому случаю). Вторая особенность - наличие нескольких приемников и такого же числа передатчиков, позволяющих вести одновременную работу на нескольких каналах с различными частотами.

Одноименные приемники и передатчики имеют общие перестраиваемые опорные генераторы (не показанные на рисунке 2), обеспечивающие их согласованную перестройку при переходе с одного канала на другой; конкретное число N приемопередатчиков зависит от конструкции и комплектации базовой станции. Для обеспечения одновременной работы N приемников на одну приемную и N передатчиков на одну передающую антенну между приемной антенной и приемниками устанавливается делитель мощности на N выходов, а между передатчиками и передающей антенной - сумматор мощности на N входов.

Рисунок 2

Приемник и передатчик имеют в общем ту же структуру, что и в подвижной станции, за исключением того, что здесь в них отсутствуют соответственно ЦАП и АЦП, поскольку и входной сигнал передатчика, и выходной сигнал приемника имеют цифровую форму. Возможны варианты, когда кодеки - либо только кодек речи, либо и кодек речи, и канальный кодек - конструктивно реализуются в составе центра коммутации, а не в составе приемопередатчиков базовой станции, хотя функционально они остаются элементами приемопередатчиков.

Блок сопряжения с линией связи осуществляет упаковку информации, передаваемой по линии связи на центр коммутации, и распаковку принимаемой от него информации. В качестве линии связи базовой станции с центром коммутации обычно используется радиорелейная или волоконно-оптическая линия, если базовая станция и центр коммутации не располагаются территориально в одном месте. Контроллер базовой станции, представляющий собой достаточно мощный и совершенный компьютер, обеспечивает управление работой станции, а также контроль работоспособности всех входящих в неё блоков и узлов.

Для обеспечения достаточной степени надежности многие блоки и узлы базовой станции резервируются (дублируются), в состав станции включаются автономные источники бесперебойного питания. Поскольку аппаратура базовой станции потребляет значительную мощность, и соответственно выделяет заметное количество тепла, в ней предусматриваются специальные устройства охлаждения. Все эти элементы, как и ряд других, не являющихся в известном смысле существенными для пояснения принципов работы станции, на схеме рисунка 2 не показаны.

Эфирный интерфейс

В каждом стандарте сотовой связи используется несколько интерфейсов, в общем случае различных в разных стандартах.

Так, предусмотрены свои интерфейсы для связи подвижной станции с базовой, базовой станции - с центром коммутации (а в стандарте GSM - ещё и отдельный интерфейс для связи приемопередатчика базовой станции с контроллером базовой станции), центра коммутации - с домашним регистром, с гостевым регистром, с регистром аппаратуры, со стационарной телефонной сетью и другие. Все интерфейсы подлежат стандартизации для обеспечения совместимости аппаратуры разных фирм-изготовителей, что не исключает, однако, возможности использования различных интерфейсов, определяемых разными стандартами, для одного и того же информационного стыка. В некоторых случаях используются уже существующие стандартные интерфейсы, например, соответствующие протоколам обмена в цифровых информационных сетях. Из всех интерфейсов, используемых в сотовой связи, один занимает особое место - это интерфейс обмена между подвижной и базовой станциями. Он носит наименование эфирного интерфейса. Эфирный интерфейс обязательно используется в любой системе сотовой связи, при любой ее конфигурации и в единственном возможном для своего стандарта сотовой связи варианте. Последнее обстоятельство позволяет подвижной станции любой фирмы-изготовителя одинаково успешно работать совместно с базовой станцией той же или любой другой фирмы, что удобно для компаний-операторов и практически необходимо для организации роуминга, в том числе международного. Стандарты эфирного интерфейса отрабатываются весьма тщательно, чтобы обеспечить возможно более эффективное использование полосы частот, выделенной для канала радиосвязи.

Эфирный интерфейс системы GSM

Временная структура эфирного интерфейса системы GSM отображена на рисунке 6. Передача информации организуется кадрами, которые имеют длительность 4,615 мс. Каждый кадр состоит из восьми слотов по 577 мкс, и каждый слот соответствует своему каналу речи, т.е. в каждом кадре передается информация восьми речевых каналов. При полноскоростном кодировании все последовательные кадры содержат информацию одних и тех же восьми речевых каналов. При полускоростом кодировании, четные и нечетные кадры содержат информацию разных речевых каналов, т.е. информация одного и того же речевого канала передается через кадр, так что в общей сложности передается информация шестнадцати речевых каналов. Возвращаясь к используемой в настоящее время схеме полноскоростного кодирования, заметим, что информационный кадр может быть одного из двух видов - кадр канала трафика или кадр канала управления (рисунок 3).

В обоих случаях он имеет одну и ту же длительность и состоит из 8 слотов, но слоты имеют различную структуру и разное информационное содержание.

На рисунке 3 представлена структура кадра канала трафика при передаче речи. Длительность слота соответствует 156,25 битам, т.е. длительность одного бита составляет 3,69 мкс.

Рисунок 3

ED - закодированная информация, TS - обучающая последовательность, T - защитный бланк (хвостовые биты), S - скрытый флажок - признак речь/управление; G - защитный интервал.

Первые 148 бит слота составляют информационным пакет, или информационную пачку; оставшиеся 8,25 бит - защитный интервал. Из 148 бит пачки на передачу информации речи отводится 116 бит (из них 114 бит - на передачу собственно речи и 2 бита - на скрытые флажки, определяющие тип передаваемой информации), 26 бит занимает обучающая последовательность, и оставшиеся 6 бит образуют два 3-битовых защитных бланка по краям пачки.

Структура слота для каналов управления приведена на рисунке 4. При полноскоростном кодировании каждый слот кадра соответствует своему каналу речи. При полускоростном кодировании слоты, соответствующие одному и тому же каналу речи, передаются через кадр.

Рисунок 4

ED - закодированная информация, TS - обучающая последовательность, ETS - расширенная обучающая последовательность, T - защитный бланк (хвостовые биты), ЕТ - расширенный защитный бланк, G - защитный интервал.

Из верхней части рисунка 3 следует, что информационные кадры объединяются в мультикадры. 26 кадров канала трафика образуют мультикадр канала трафика длительностью 120 мс. При этом в 24 кадрах передается информация речи - это кадры 1...12 и 14...25, в кадре 13 передается информация медленного присоединенного канала управления (канала SACCH), а кадр 26 остается пустым (он зарезервирован для передачи второго сегмента информации канала SACCH при полускоростном кодировании). Мультикадр канала управления имеет длительность 235 мс и состоит из 51 кадра канала управления. Мультикадры, в свою очередь, объединяются в суперкадры, один суперкадр состоит из 51 мультикадра канала трафика или 26 кадров канала управления. Длительность мультикадра в обоих случаях составляет 6,12 с, или 1326 кадров. Наконец, 2048 суперкадров образуют один гиперкадр (криптографический гиперкадр), имеющий длительность 3 ч 28 мин 53,760 с, или 2715648 кадров. Номер кадра в пределах гиперкадра используется в процессе шифрования передаваемой информации.

Организация работы системы сотовой связи. Частотные, физические и логические каналы

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

Частотный канал - это полоса частот, отводимая для передачи информации одного канала связи. Правда, при использовании метода TDMA в одном частотном канале передается информация нескольких каналов связи, т.е. в одном частотном канале размещается несколько физических каналов, но это не противоречит приведенному определению частотного канала. Поясним понятие частотного канала конкретными примерами. В стандарте GSM 900 для передачи информации прямого канала отводится полоса 935...960 МГц, а обратного - 890...915 МГц, т.е. дуплексный разнос по частоте составляет 45 МГц. Один частотный канал занимает полосу кГц, так что всего в полном диапазоне, с учетом защитных полос, размещается 124 частотных канала. Центральная частота канала (в МГц) связана с его номером соотношениями:

обратный канал:

прямой канал:

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

Физический канал в системе с множественным доступом на основе временного разделения (TDMA) - это временной слот с определенным номером в последовательности кадров эфирного интерфейса (рисунок 3). Таким образом, в одном частотном канале в стандарте GSM всегда передается информация восьми физических каналов, но при полускоростном кодировании один физический канал содержит два канала трафика, информация которых передается по очереди, через кадр. Иными словами, при этом реализуется временное уплотнение каналов в 3 или 8 раз соответственно при полноскоростном кодировании и в 6 или 16 раз при полускоростном. В этом и заключается одно из основных преимуществ цифрового поколения сотовой связи по сравнению с аналоговым. Логические каналы различаются по виду (составу) информации, передаваемой в физическом канале. В принципе в физическом канале может быть реализован один из двух видов логических каналов - канал трафика или канал управления; каждый из них, в свою очередь, может в общем случае существовать в одном из нескольких вариантов.

Логический канал трафика - это канал передачи речи или данных (компьютерных данных, факсимильных сообщений), т.е. той информации, ради которой создается связь. Термин трафик в применении к связи определяется как совокупность сообщений, передаваемых по линии связи, или как совокупность требований абонентов, обслуживаемых сетью связи.

Структура логических каналов стандарта GSM в упрощенном виде приведена в таблице.

Виды логических каналов	Типы каналов в пределах видов
Каналы трафика TCH	TCH/FS, TCH/HS
Каналы управления ССН	BССН: FССН, SСН; CССН: PСН, RAСН, AGCH; SDCCH ACCH: FACCH, SACCH

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

Каналы трафика TCH , в свою очередь, делятся на полноскоростные TCH/FS и полускоростные TCH/HS; в обоих случаях имеется в виду передача речи. Типы каналов трафика для передачи данных в таблицу не включены (TCH/F9.6, TCH/F4.8, ТСН/Н4.8 и т.п.).

Каналы управления ССН делятся на 4 типа: вещательные каналы управления ВССН, общие каналы управления СССН, выделенные закрепленные каналы управления SDCCH, совмещенные каналы управления АССН.

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

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

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

Совмещенные каналы управления АССН, также используемые для передачи информации в обоих направлениях (от базовой станции к подвижным и от подвижных к базовой) и имеющие несколько вариантов, не отраженных в таблице, включают: медленный совмещенный канал управления SACCH - объединяется с каналом трафика (кадр 13 мультикадра канала трафика) или с каналом SDCCH; быстрый совмещенный канал управления FACCH - совмещается с каналом трафика, заменяя в соответствующем слоте информацию речи, причем эта замена помечается скрытым флажком (поле S на рисунке 3).

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

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

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

Инициализация и установление связи

Перейдем к рассмотрению организации основных режимов работы системы сотовой связи.

Центр коммутации и базовые станции работают непрерывно, без выключений. При возникновении в них неисправностей работоспособность поддерживается за счет предусмотренного конструкцией резервирования.

Рассмотрим сначала наиболее простой случай - работу подвижной станции в пределах одной ячейки своей («домашней») системы, без передачи обслуживания. В этом случае в работе подвижной станции можно выделить четыре этапа, которым соответствуют четыре режима работы:

- включение и инициализация;

- режим ожидания;

- режим установления связи (вызова);

- режим ведения связи (телефонного разговора).

После включения подвижной станции производится инициализация - начальный запуск. В течение этого этапа происходит настройка подвижной станции на работу в составе системы - по сигналам, регулярно передаваемым базовыми станциями по соответствующим каналам управления, после чего подвижная станция переходит в режим ожидания. Конкретное содержание этапа инициализации зависит от используемого стандарта сотовой связи.

В стандарте GSM подвижная станция сканирует все имеющиеся частотные каналы, настраивается на канал с максимальным уровнем сигнала и по наличию пачки коррекции частоты определяет, передается ли в этом частотном канале информация канала ВССН. Если нет, то станция перестраивается на следующий по уровню сигнала частотный канал, и так до тех пор, пока не будет найден канал ВССН. Затем подвижная станция находит пачку синхронизации, синхронизируется с выбранным частотным каналом, расшифровывает дополнительную информацию о базовой станции (в частности, 6-битовый код идентификации базовой станции) и принимает окончательное решение о продолжении поиска или о работе в данной ячейке.

Находясь в режиме ожидания, подвижная станция отслеживает:

- изменения информации системы - эти изменения могут быть связаны как с изменениями режима работы системы, так и с перемещениями самой подвижной станции, например, с переходом ее в другую ячейку;

- команды системы, например, команду подтвердить свою работоспособность («регистрация» в конкретной ячейке);

- получение вызова со стороны системы;

- инициализацию вызова со стороны собственного абонента.

В ЦК для каждой из включенных подвижных станций фиксируется ячейка, в которой она «зарегистрирована», что облегчает организацию процедуры вызова подвижного абонента. Если подвижная станция не подтверждает свою работоспособность в течение определенного промежутка времени, например, пропускает два или три подтверждения «регистрации» подряд, ЦК считает ее выключенной, и поступающий на ее номер вызов не передается.

В стандарте GSM подвижная станция измеряет и периодически передает на базовую станцию следующие параметры:

- уровень сигнала базовой станции рабочей («своей») ячейки и до 16 смежных ячеек, измеряемый по сигналу канала ВССН;

- код качества принимаемого сигнала в рабочей ячейке - функцию оценки частоты битовой ошибки (BER) по принятому сигналу перед канальным декодированием.

Если со стороны системы поступает вызов номера подвижного абонента, центр коммутации направляет этот вызов на базовую станцию той ячейки, в которой «зарегистрирована» подвижная станция, или на несколько базовых станций в окрестности этой ячейки - с учетом возможного перемещения абонента за время, прошедшее с момента последней «регистрации», а базовые станции передают его по соответствующим каналам вызова. Подвижная станция, находящаяся в режиме ожидания, получает вызов и отвечает на него через свою базовую станцию, передавая одновременно данные, необходимые для проведения процедуры аутентификации. При положительном результате аутентификации назначается канал трафика, и подвижной станции сообщается номер соответствующего частотного канала. Подвижная станция настраивается на выделенный канал и совместно с базовой станцией выполняет необходимые шаги по подготовке сеанса связи. На этом этапе подвижная станция настраивается на заданный номер слота в кадре, уточняет задержку во времени, подстраивает уровень излучаемой мощности и т.п.

Выбор временной задержки производится с целью временного согласования слотов в кадре (на прием в базовой станции) при организации связи с подвижными станциями, находящимися на разных дальностях от базовой. При этом временная задержка передаваемой подвижной станцией пачки регулируется по командам базовой станции. Исходное значение задержки составляет 88 бит; оно может уменьшаться на величину до 30 бит с шагом 1 бит (20,55 мкс). В стандарте GSM при выборе задержки используются пачки доступа. Задержка регулируется в пределах от 0 до 63 бит с дискретом 1 бит (3,69 мкс). В дальнейшем базовая станция отслеживает изменение дальности до подвижной станции и корректирует величину задержки, выдавая соответствующие команды на подвижную станцию. При малых геометрических размерах ячейки, т.е. при малых величинах задержки (в пределах защитного бланка или защитного интервала), компенсация временной задержки может не производиться.

В стандарте GSM производятся также привязка подвижной станции к базовой по частоте с использованием пачки коррекции частоты и временная синхронизация подвижной станции с базовой с точностью до 1/4 бита, для чего в пачке синхронизации передаются номера четверти бита (QN), бита (BN), слота (TN) и кадра (FN); одновременно в пачке синхронизации передаются 3-битовый код (код цвета) сети сотовой связи и 3-битовый код базовой станции, составляющие в совокупности уникальный 6-битовый идентификатор базовой станции (BSIC).

Затем базовая станция выдает сообщение о подаче сигнала вызова (звонка), которое подтверждается подвижной станцией, и вызывающий абонент получает возможность услышать сигнал вызова. Когда вызываемый абонент отвечает на вызов, подвижная станция выдает запрос на завершение соединения. С завершением соединения начинается собственно сеанс связи - абоненты ведут разговор.

В процессе разговора подвижная станция производит обработку передаваемых и принимаемых сигналов речи, а также передаваемых одновременно с речью сигналов управления. По окончании разговора происходит обмен служебными сообщениями между подвижной и базовой станцией (запрос или команда на отключение с подтверждением), после чего передатчик подвижной станции выключается и станция переходит в режим ожидания.

Если вызов инициируется со стороны подвижной станции, т.е. абонент набирает номер вызываемого абонента, убеждается в правильности набора по отображению на дисплее и нажимает соответствующую кнопку («вызов») на панели управления, то подвижная станция передает через свою базовую станцию сообщение с указанием вызываемого номера и данными для аутентификации подвижного абонента. После аутентификации базовая станция назначает канал трафика, и последующие шаги по подготовке сеанса связи производятся таким же образом, как и при поступлении вызова со стороны системы.

Затем базовая станция сообщает на центр коммутации о готовности подвижной станции, центр коммутации передает вызов в сеть, а абонент подвижной станции получает возможность следить за ходом его выполнения. Соединение завершается на стороне сети.

Итак, процедура установления связи осуществляется следующей последовательностью действий:

1. Подвижная станция через канал случайного доступа (RACH) запрашивает выделенный закрепленный канал управления (SDCCH) для установления связи.

2. Контроллер базовой станции через канал разрешения доступа (AGCH) назначает канал SDCCH.

3. Подвижная станция через канал SDCCH проводит аутентификацию и выдает запрос на вызов (с номером вызываемого абонента).

4. Центр коммутации выдает команду на назначение канала трафика (ТСН).

5. Центр коммутации выдает вызываемый номер на стационарную телефонную сеть, и после ответа вызываемого абонента завершает соединение. Если подвижный абонент разговаривает с другим подвижным абонентом, то процедура установления связи и проведения сеанса связи происходит практически таким же образом. Если при этом оба подвижных абонента относятся к одной и той же сотовой системе, то связь между ними устанавливается через центр коммутации системы без выхода в стационарную телефонную сеть.

Аутентификация и идентификация

подвижный станция сотовый связь

Рассмотрим процедуры аутентификации и идентификации, которые выполняются при каждом установлении связи. О первой из них мы уже упоминали ранее.

Аутентификация - процедура подтверждения подлинности (действительности, законности, наличия прав на пользование услугами сотовой связи) абонента системы подвижной связи. Необходимость введения этой процедуры вызвана неизбежным соблазном получения несанкционированного доступа к услугам сотовой связи, приводящим к многочисленным и разнообразным проявлениям особого рода.

Идентификация - процедура отождествления подвижной станции (абонентского радиотелефонного аппарата), т.е. процедура установления принадлежности к одной из групп, обладающих определенными свойствами или признаками. Эта процедура используется для выявления утерянных, украденных или неисправных аппаратов.

Первоначально, в аналоговых системах сотовой связи первого поколения, процедура аутентификации имела простейший вид: подвижная станция передавала свой уникальный идентификатор (электронный серийный номер), и если таковой отыскивался среди зарегистрированных в домашнем регистре, то процедура аутентификации считалась успешно выполненной, Столь примитивная аутентификация оставляла большие возможности для фрода, поэтому со временем и в аналоговых системах, и тем более в системах сотовой связи второго поколения с использованием дополнительных возможностей цифровых методов передачи информации процедура аутентификации была значительно усовершенствована. Идея процедуры аутентификации в цифровой системе сотовой связи заключается в шифровании некоторых паролей-идентификаторов с использованием квазислучайных чисел, периодически передаваемых на подвижную станцию с центра коммутации, и индивидуального для каждой подвижной станции алгоритма шифрования. Такое шифрование, с использованием одних и тех же исходных данных и алгоритмов, производится как на подвижной станции, так и в центре коммутации (или в центре аутентификации), и аутентификация считается закончившейся успешно, если оба результата совпадают.

В стандарте GSM процедура аутентификации связана с использованием модуля идентификации абонента (SIM), называемого также SIM-картой или смарт-картой. Модуль S1M содержит персональный идентификационный номер абонента (PIN), международный идентификатор абонента подвижной связи (IMSI), индивидуальный ключ аутентификации абонента Ki, индивидуальный алгоритм аутентификации абонента A3, алгоритм вычисления ключа шифрования А8. Для аутентификации используется зашифрованный отклик S, являющийся результатом применения алгоритма A3 к ключу Ki и квазислучайному числу R, получаемому подвижной станцией от центра аутентификации через центр коммутации. Алгоритм А8 используется для вычисления ключа шифрования сообщений. Уникальный идентификатор IMSI для текущей работы заменяется временным идентификатором TMSI (временный идентификатор абонента подвижной связи), присваиваемым аппарату при его первой регистрации в конкретном регионе, определяемом идентификатором LAI (идентификатор области местоположения), и сбрасываемым при выходе аппарата за пределы этого региона. Идентификатор PIN-код, известный только абоненту, который должен служить защитой от несанкционированного использования SIM-карты, например при её утере. После трех неудачных попыток набора PIN-кода SIM-карта блокируется, и блокировка может быть снята либо набором дополнительного кода - персонального кода разблокировки (PUK), либо по команде с центра коммутации.

Процедура идентификации заключается в сравнении идентификатора абонентского аппарата с номерами, содержащимися в соответствующих «черных списках» регистра аппаратуры, с целью изъятия из обращения украденных и технически неисправных аппаратов. Идентификатор аппарата делается таким, чтобы его изменение или подделка были трудными и экономически невыгодными. В принципе может быть целесообразен и оперативный обмен информацией между регистрами аппаратуры - межоператорский и международный, в интересах объединения усилий операторов в борьбе с фродом в сотовой связи.

Передача обслуживания

При перемещении подвижной станции из одной ячейки в другую ее обслуживание передается от базовой станции первой ячейки к базовой станции второй. Этот процесс называется передачей обслуживания (эстафетная передача или хэндовер). Процедура передачи обслуживания имеет место только в том случае, когда подвижная станция пересекает границу ячеек во время сеанса связи, и связь при этом не прерывается. Если же подвижная станция перемещается из одной ячейки в другую, находясь в режиме ожидания, она просто отслеживает эти перемещения по информации системы, передаваемой по каналам управления, и в нужный момент перестраивается на более сильный сигнал другой базовой станции

Технически процедура передачи обслуживания осуществляется следующим образом Необходимость в передаче обслуживания возникает, когда качество канала связи, оцениваемое по уровню сигнала и/или частоте битовой ошибки, падает ниже допустимого предела. В стандарте GSM указанные параметры постоянно измеряются подвижной станцией как для своей ячейки, так и для ряда смежных (до 16 ячеек), и результаты измерений передаются на базовую станцию. По результатам этих измерений центр коммутации выбирает ячейку, в которую должно быть передано обслуживание. Обратим внимание, что организация передачи обслуживания основывается на измерениях, выполняемых на подвижных станциях - во временных слотах, свободных от передачи и приема информации; кроме того, могут использоваться и результаты измерений, выполняемых на базовых станциях.

Обязательным условием передачи обслуживания из одной ячейки в другую является более высокое качество канала связи во второй ячейке по сравнению с первой. Иначе говоря, обслуживание передается из ячейки с худшим качеством канала связи в ячейку с лучшим качеством, причем указанное различие должно быть не менее некоторой наперед заданной величины. Если не требовать выполнения этого условия, а передавать обслуживание, например, уже при одинаковом качестве канала связи в двух ячейках, то в некоторых случаях, в частности, при перемещении подвижной станции примерно вдоль границы ячеек, возможна многократная передача обслуживания из первой ячейки во вторую и обратно, приводящая к значительной загрузке системы бессмысленной работой и к снижению качества связи.

Приняв решение о передаче обслуживания и выбрав новую ячейку, центр коммутации сообщает об этом базовой станции новой ячейки, а подвижной станции через базовую станцию старой ячейки выдает необходимые команды с указанием нового частотного канала, номера рабочего слота и т.п. Подвижная станция перестраивается на новый канал и настраивается на совместную работу с навой базовой станцией, выполняя примерно те же шаги, что и при подготовке сеанса связи, после чего связь продолжается через базовую станцию новой ячейки.

При этом перерыв в телефонном разговоре не превышает долей секунды и остается незаметным для абонента.



Роуминг

Роуминг - это функция, или процедура предоставления услуг сотовой связи абоненту одного оператора в системе другого оператора. Для реализации роуминга необходимо техническое обеспечение его осуществимости (в простейшем случае - использование в обеих системах одного и того же стандарта сотовой связи) и наличие ромингового соглашения между соответствующими компаниями-операторами. По мере развития мобильной связи понятие роуминга заметно расширяется; например, появляется возможность роуминга между системами сотовой и мобильной спутниковой связи.

Идеализированная и сильно упрощенная схема организации роминга могла бы быть представлена в следующем виде. Абонент сотовой связи, оказавшийся на территории «чужой» системы, допускающей реализацию роуминга, инициирует вызов обычным образом, как если бы он находился на территории «своей» системы.

Центр коммутации, убедившись, что в его домашнем регистре этот абонент не значится, воспринимает его как ромера и заносит в гостевой регистр. Одновременно (или с некоторой задержкой) он запрашивает в домашнем регистре «родной» системы ромера относящиеся к нему сведения, необходимые для организации обслуживания (оговоренные подпиской виды услуг, пароли, шифры), и сообщает, в какой системе ромер находится в настоящее время; последняя информация фиксируется в домашнем регистре «родной» системы ромера. После этого ромер пользуется сотовой связью, как дома: исходящие от наго вызовы обслуживаются обычным образом, с той только разницей, что относящиеся к нему сведения фиксируются не в домашнем регистре, а в гостевом; поступающие на его номер вызовы переадресуются «домашней» системой на ту систему, где ромер гостит. По возвращении ромера домой в домашнем регистре «родной» системы стирается адрес той системы, где ромер находился, а в гостевом регистре той системы, в свою очередь, стираются сведения о ромере. Оплата услуг роминга производится абонентом через «домашнюю» систему, а «домашняя» компания-оператор возмещает расходы компании-оператора, оказавшей услуги роминга, в соответствии с роминговым соглашением.

Описанная схема соответствует автоматическому ромингу. Для завершения процесса она должна быть еще дополнена автоматической системой ведения расчетов между компаниями-операторами, которая может оказаться весьма непростой - с учетом возникновения перекрестных обязательств между рядом компаний, а также возможности учета (погашения) взаимных обязательств пар компаний, входящих в группу, охватываемую системой автоматического роминга.



Литература

1. Гольденберг Л. М., Матюшкин Б. Д., Поляк М. Н. Цифровая обработка сигналов, - М.1. Радио и связь, 1990.

2. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. СПб. «Питер». 2006.

3. С.М.Сухман, А.В.Бернов, Б.В. Шевкопляс, Синхронизация в телекоммуникационных системах. Анализ инженерных решений. - М.: Эко-Трендз, - 2003. - 202с.

4. Волков Л.Н, Немировский М.С., Шинаков Ю.С., Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики: Учебное пособие. - М.: Эко-Трендз, - 2005. - 392с.

5. Беллами Дж. Цифровая телефония. М.: Радио и связь, - 1986.

6. Афанасьев В. В. Ассоциация GSM - координатор деятельности операторов // Мобильные системы. - 1997. - № 1. - С 25 - 29. 7. Бакурский В. А., Гуськов Г. Я., Сетдиков Р. А. и др. Система спутниковой связи «Сокол» // Электросвязь, - 1995, - № 4. - С. 8 -11,

8. Банкет В. Л., Дорофеев В. М. Цифровые методы в спутниковой связи. - М.: Радио и связь, 1938,

9. Бахтиаров Г. Д., Малинин В. В., Школин В. П. Аналого-цифровые преобразователи. - М.: Сов. радио, 1980.

11. Белянко Е., Фрэз И. Региональные сети подвижной радиосвязи переходного периода // Вестник связи. - 1995. - № 9, - С. 23 - 26. Блейхут Р. Теория и практика кодов, контролирующих ошибки. - М.: Мир, 1986.

12. Боккер П. ISDN - цифровая сеть с интеграцией служб. Понятия, ме¬тоды, системы. - М.: Радио и связь, 1991.

13. Бородин С. В. О применении систем спутниковой связи со спутни¬ками на низких орбитах // Электросвязь. - 1995. - № 9. - С. 19 - 24. Быховский М. А. Сравнение различных систем сотовой подвижной связи по эффективности использования радиочастотного спектра // Электросвязь. - 1996. - № 5. - С. 9 - 12,

14. Варакин Л. Е. Теория сложных сигналов. - М.: Сов. радио, 1970,

Варакин Л. Е. Интеллектуальная сеть. Ч. 1. Эволюция сетей и услуг связи // Сети. - 1991. - № 6.

15. Варакин Л. Е. Концепция создания широкополосных систем подвижной и персональной радиосвязи // Вестник связи. - 1994. - № 9. - С. 16 - 19.

16. Варакин Л. Е., Кучерявый А. Е., Соколов Н. А., Филюшин Ю. И. Интеллектуальная сеть, Ч. 2. Концепция и архитектуры // Сети. -1992. - Ms 1, - С. 6 - 10.

17. Ворсано Д. Кодирование речи в цифровой телефонии // Сети и системы связи. - 1996. - № 1. - С. 84 - 87.

18. Гуськов Г. Я., Рыбальченко Ю. М., Соломонов Ю. М. Низкоорбитальная система спутниковой связи «Курьер» // Электросвязь. -1995.- №4. -С. 15- 16.

19. Евсиков М, Грядущая революция в спутниковой связи // Компьютер-пресс. - 1996. - № 9. - С. 150 - 154; № 10. - С. 124

20. Кейн Дж. Кодирование с исправлением ошибок в системах цифровой связи. - М.: Радио и связь, 1987.

21. Коротаев Г. А, Методы линейного предсказания // Зарубежная ра¬диоэлектроника. - 1980. - № 10. - С. 49 - 65.

22. Коротаев Г. А. Анализ и синтез речевого сигнала методом линейного предсказания // Зарубежная радиоэлектроника. - 1990. -№3.-С. 31 - 51.

23. Липкин И. А. Основы статистической радиотехники, теории информации и кодирования. - М.: Сов. радио, 1978.

Размещено на Allbest.ru