Радиосвязь,_радиовещание,телевидение2

и обеспечивает выделение для связи радиоканала 2РК. Процесс эстафетной передачи в специальной литературе часто называют хендовером (от англ. hand-off).

Одним из основных требований к федеральной сотовой сети связи является требование обеспечения роуминга, заключающегося в возможности вызова абонента, который переместился в другую зону связи (другой город, другую страну и т.п.). Это требование делает необходимым введение вMSC регистра местоположения абонентов для того, чтобы можно было отслеживать перемещения своих абонентов. Этот регистр часто называют «домашним». Когда MS перемещается из одной зоны связи в другую, она автоматически посылает MSC, контролирующему новую зону, сигнал об изменении местоположения, т.е. регистрируется в новой зоне в регистре, который называется «визитным». От нового «визитного» MSC информация об изменении адреса MS передается по стационарной телефонной сети или по сети передачи данных на MSC, где зарегистрирован абонент. В регистре, в который внесена MS на своем («домашнем») MSC, делается поправка, и все вызовы в адрес этой MS переадресовываются в зону действия новой MSC.

Системы стандарта NMT-450 эксплуатируются в ряде городов страны, таких как Москва, Санкт-Петербург, Новосибирск и др.

13.3. Цифровые сотовые сети подвижной радиосвязи

Стандарты цифровых сотовых систем[1–16]. В 1982 г. Евро-

пейская конференция администраций почт и связи(СЕРТ) организовало рабочую группу под названием Group Speciale Mobile (GSM) для разработки общих технических условий первой цифровой мобильной сети. Внедрение стандарта началось в1991 г. Передача в системе GSM-900 ведется в диапазоне890…915 МГц для передатчиков MS и 935…960 МГц для передатчиков BS. В полосе 25 МГц размещается 124 канала, каждый из которых занимает полосу 200 кГц. Каждый частотный канал уплотняется по времени(8 временных позиций). Таким образом, общее количество каналов в полосе 25 МГц равно 992.

Американский цифровой стандарт ADS (D-AMPS) разрабатывал-

ся для отличных от Европы условий: диапазон 800 МГц и работа в общей с существующей аналоговойAMPS полосе частот. Сохранен также разнос каналов30 кГц. Применение временного разделения каналов (три временных канала на одну несущую), а также сот с малым радиусом позволило значительно увеличить емкостьD-AMPS по сравнению с AMPS. Обеспечение требования совместимости аналоговой и цифровой сети, а также сохранение существующего парка аналоговых абонентских станций в новых условиях работы привели к необходимости создания и применения аналого-цифровыхMS с автоматическим выбором режима передачи и приема.

Основные отличия заключаются в использовании другого частотного диапазона, а именно 810…826 МГц и 940…956 МГц. Стандарт адаптирован также к диапазону1,5 ГГц. Количество речевых каналов на одну несущую в зависимости от скорости преобразования речи3 или 6, разнос частотных каналов 25 кГц.

Цифровые системы GSM, D-AMPS, IDS являются системами сотовой связи второго поколения.

Принципы построения цифровых систем позволили применить при организации сотовых сетей новые, более эффективные, чем в аналоговых системах, модели повторного использования частот. В результате без увеличения общей полосы частот значительно возросло число каналов на соту. Так, вид модуляции, способы кодирования и формирования сигналов в каналах связи, принятые в GSM, обеспечивают прием сигналов при отношении сигнал– помеха 9 дБ, в то время как в аналоговых системах этот показатель равен 18 дБ. Поэтому передатчики BS, работающие на совпадающих частотах, могут размещаться

вболее близко расположенных сотах без ухудшения качества связи.

Врамках макросотовой структуры сотовых сетей, на основе которой построены существующие аналоговые и цифровые сети, дальнейшее увеличение их емкости может быть достигнуто двумя способами: расширением используемой полосы частот и снижением уровня межканальных помех, что даст возможность чаще повторять частоты.

Первый способ очевиден, но трудно реализуем из-за дефицита частотного ресурса.

Второй способ, связанный со снижением уровня межканальных помех, основан на следующих методах: применение секторных (направленных) антенн в сотах вместо антенн с круговой диаграммой направленности; адаптивное распределение каналов по сотам с учетом нагрузки и минимизации отношения сигнал– помеха; автомати-

ческая регулировка уровня мощности передающих устройств MS и BS; использование методов пространственного разнесения антенн на приеме.

С помощью секторных антенн в моделях повторного использования частот с двумяBS можно увеличить емкость сетей стандарта GSM до 40 % по сравнению с использованием антенн с круговой диаграммой направленности при коэффициенте повторного использования частот C = 7.

Адаптивное распределение каналов по сотам с учетом нагрузки и минимизации отношения сигнал– помеха позволяет увеличить емкость сетей на 40–50 %.

Автоматическая регулировка мощности передатчиковMS и BS в процессе сеанса связи также эффективно уменьшает межканальные помехи [1].

Пространственное разнесение антенн дает общий выигрыш в -от ношении сигнал – помеха около 4…7 дБ. В стандарте IDS достигается максимальный выигрыш за счет разнесения антенн BSна и MS. В стандарте GSM и ADС предусматривается разнесение антенн только на BS. Совместное применение адаптивного распределения каналов и пространственное разнесение антенн увеличивают емкость сетей стандарта ADС в 8,7 раза, по сравнению с аналоговыми системами. Для GSM и IDS этот коэффициент может быть более 10 [4].

На этапе создания сотовых систем второго поколения основными методами увеличения их емкости являются переход от макросот к микросотам (радиус сотни метров), а также эффективные методы повторного использования частот. Однако они ограничивают возможности сотовых систем второго поколения по емкости и видам предоставляемых услуг связи в рамках выделенного диапазона частот.

Если не учитывать перехода на полускоростные каналы связи(каналы, в которых в 2 раза уменьшена скорость преобразования аналоговых сигналов в цифровые), то рост емкости сотовых систем второго поколения может происходить только путем перевода существующих стандартов в новые диапазоны частот. В качестве примера можно привести распространение рекомендаций стандартаGSM-900 на стандарт DCS-1800.

Дальнейшее увеличение емкости сотовых сетей без значительного расширения рабочей полосы частот возможно при создании новых протоколов связи и методов управления сетью, включающих процедуры распределения частотных и временных каналов по сети, местоопределения MS и «эстафетной передачи». Данные задачи решаются

в рамках создания сотовой системы третьего поколения, которая будет отличаться унифицированной системой радиодоступа, объединяющей существующие сотовые и бесшнуровые системы с информационными службами ХХI века.

Такая система разрабатывается под названиемUMTS (Universal Mobile Telecommunications Servise – универсальная система подвиж-

ной связи). Для будущей системы подвижной связи общего пользования рекомендуется диапазон частот 1…3 ГГц, в котором будет выделена полоса 60 МГц для персональных станций и170 МГц для подвижных станций. Международный союз электросвязи (МСЭ) признал, что космические системы передачи должны быть неотъемлемой -ча стью будущей сети.

Цифровая сотовая сеть стандартаGSM-900 [1–5]. Архитектура сети GSM-900 представлена на рис. 13.7. Сеть состоит из следующих основных подсистем: подсистемы базовых станций (базовые станции и базовые контроллеры); подсистемы сети в составе центра коммута-

ции подвижной связи(Mobile Switching Center – MSC), баз данных (HLR, VLR, EIR) и центра аутентификации (Authentification Center –

Рис. 13.7. Архитектура GSM-900

AUC); подсистемы эксплуатации и техобслуживания(Operations and Maintenance Center – OMC).

Стандартные интерфейсы, обозначенные на рис.13.7, позволяют стыковать как оборудование, так и сети различных поставщиков. Так, стандартный радиоинтерфейс позволяет использовать подвижные станции, производимые в разных странах, различающиеся по своим возможностям, дизайну, цене.

Особое место в системеGSM-900 занимают интерфейсы на основе системы сигнализации SS N7 (ОКС-7), которая используется как для связи с внешними стационарными сетямиPSTN, ISDN, PSPDN (Public Switched Packet Data Network), CSPDN (Circuit Switched Public Data Network), так и для соединения с сетью подвижной связи на основе оборудования NMT-450.

Остановимся более подробно на характеристике отдельных подсистем.

Центр коммутации подвижной связи(MSC) обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений. MSC обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами; эстафетную передачу, в процессе которой достигается непрерывность передачи при перемещении подвижной станции(MS) из соты в соту. MSC осуществляет постоянное слежение за мобильными станциями, исполь-

зуя регистры положения (Home Link Register – HLR), визитный (Visit Link Register – VLR). В регистре положения хранится та часть информации о местоположении какой-либо мобильной станции, которая позволяет MSC доставить вызов MS. Регистр положения HLR содержит

международный идентификационный номер подвижного абонента (International Mobile Subscriber Identify – IMSI). Он используется для опо-

знавания мобильной станции в центре аутентификации. HLR представляет собой справочную базу данных о постоянно прописанных в сети абонентах, так называемых «домашних» (Home) абонентах. В ней содержатся опознавательные номера и адреса, а также параметры подлинности абонентов, состав услуг связи, специальная информация о маршрутизации. Ведется регистрация данных о роуминге(блуждании) абонента, включая данные о временном идентификационном но-

мере подвижного абонента (Temporary Mobile Subscriber Identity – TMSI)

исоответствующем визитном регистре, где отметился прибывший из другой сети абонент. К данным, содержащимся в HLR, имеют дистанционный доступ все MSC и VLR сети. Доступ к базе данных об абонентах осуществляется по номеруIMSI или MSISDN (номеру подвижного абонента в сети ISDN). К базе данных HLR в рамках обеспечения межсетевого роуминга абонентов могут получить доступMSC или VLR, относящиеся к другим сетям.

Второе основное устройство, обеспечивающее контроль за передвижением MS из зоны в зону, – визитный регистр VLR. С его помощью достигается функционирование MS за пределами зоны, контролируемой HLR. Когда в процессе перемещения MS переходит из зоны действия одного контроллера базовой станции (Base Station Controller – BSC), объединяющего группу BS, в зону действия другогоBSC, она регистрируется новым BSC, и в VLR заносится информация о номере области связи, которая обеспечит доставку вызовов MS.

VLR содержит такие же данные, как и HLR, однако эти данные содержатся в VLR только до тех пор, пока абонент находится в зоне, контролируемой VLR.

Всети подвижной связи GSM соты группируются в географические зоны (Location Area), которым присваивается свой идентификационный номер. Каждый VLR содержит данные об абонентах нескольких географических зон. Когда абонент перемещается из одной географической зоны в другую, данные о его местоположении автоматически обновляются в VLR.

VLR обеспечивает также присвоение номера«блуждающей» под-

вижной станции (Mobile Station Roaming Number – MSRN). Когда под-

вижная станция принимает входящий вызов, VLR выбирает его MSRN

ипередает на MSC, который осуществляет маршрутизацию этого вызова к базовым станциям, находящимся рядом с подвижным абонентом. VLR также распределяет номера передачи управления при передаче соединений от одного MSC к другому. Кроме того, VLR управляет распределением временных номеров подвижного абонентаTMSI и передает его в HLR. Он также управляет процедурами установления подлинности абонента во время отработки вызова. Доступ к базе данных

Рис. 13.8. Алгоритм аутентификации

VLR может обеспечиваться через IMSI, TMSI или MSRN. В целом VLR представляет собой локальную базу данных о подвижном абоненте для той зоны, где находится абонент, что позволяет исключить постоянные запросы в HLR и сократить время обслуживания вызовов.

Для исключения несанкционированного использования ресурсов системы связи вводятся механизмы удостоверения подлинности абонента (аутентификации). Центр аутентификации формирует ключи и алгоритмы аутентификации. С его помощью проверяются полномочия абонента и разрешается доступ к сети связи.

Каждый подвижный абонент на время пользования системой связи получает стандартный модуль подлинности абонентаSIM (Subscriber Identity Module), который содержит международный идентификацион-

ный номер (International Mobile Subscribe Identity – IMSI), свой ключ аутентификации (Ki), алгоритм аутентификации (А3). Алгоритм аутентификации представлен на рис. 13.8.

Если отклик = отклик*, то MS приступает к передаче сообщений. В противном случае связь прерывается, и идентификатор MS показывает, что опознание не состоялось.

AUC принимает решение о параметрах процесса аутентификации и определяет ключи шифрования (Ki) на основе базы данных, сосредоточенной в регистре идентификации оборудования(Equipment Identification Register – EIR). База данных EIR состоит из списков меж-

дународных номеров подвижных станций(International Mobile Station Equipment Identity – IMEI). Списки номеров IMEI организованы сле-

дующим образом.

1.PSTN направляет вызов расположенной рядомMSC.

2.MSC запрашивает HLR, который содержит параметры мобильной станции и данные отMSC, в зоне действия которой он в настоящее время находится (V-MSC).

3.MSC получает ответ от HLR.

4.MSC направляет вызов V-MSC.

5.V-MSC запрашивает свой VLR, который содержит сведения о BSC, в зоне обслуживания которой находится требуемая MS.

6.V-MSC получает ответ от VLR.

7.V-MSC дает команду на отправление вызова всемBTS в зоне обслуживания BSC.

8.На вызов откликается только нужный абонент.

9.Соответствие абонента требуемому определяется в центре аутентификации (AUC).

10.Устанавливается связь между абонентами фиксированной сети и сети подвижной связи.

Развитие каналов передачи данных. Существующий стандарт

GSM обеспечивает услуги по прозрачной (transparent) и непрозрачной (nontransparent) передаче данных со скоростью до 9,6 кбит/с и с вероятностью ошибки (Bit Error Rate – BER) меньше 10–2 и 10–8 соответственно. Любое дальнейшее развитие каналов данных может, в принципе, идти по тому же пути, что и развитие речевых каналов, т.е. по пути улучшения качества передаваемой информации(уменьшения вероятности ошибки), увеличения емкости систем и размера сот. Однако в случае передачи данных увеличение емкости в первую -оче редь подразумевает повышение эффективности использования малоемких радиоканалов.

Наиболее важное и, наверное, самое заметное направление развития каналов данных в сетях GSM заключается в увеличении скорости передачи, которая позволит сделать доступной целую область новых приложений, включая работу с мультимедиа. Передача текстовой информации может быть осуществлена с помощью современного сервиса пересылки данных сетейGSM, но ориентация значительной части услуг смещается в сторону обмена мультимедиа информацией, что требует намного большей скорости передачи данных. Примерами приложений, требующих высокой скорости передачи, служат пересылка файлов и видео по требованию.

Существует два различных подхода к повышению скорости передачи данных: передача данных по коммутируемым каналам(HSCSD) и пакетная передача данных(GPRS). Оба подхода направлены на достижение высокой скорости, что подразумевает возможность выделения до 8 полноскоростных временных слотов(все слоты кадра TDMA) для передачи данных. Это означает, что максимальная ско-

рость передачи данных одним пользователем дляHSCSD будет

8´ 9,6 кбит/с, а для GPRS – 8 ´ 22,8 кбит/с.

Сточки зрения операторов сетейGSM, для реализации высоких скоростей передачи данных с небольшими затратами, т.е. без снижения емкости беспроводного интерфейса и без серьезных затрат на модификацию инфраструктуры, следует обеспечить высокую степень гибкости. Для HSCSD это означает, что оператор не должен резервировать одну или несколько несущих частот каждой базовой станции исключительно для пользователей, работающих с данными. Необходимо, чтобы сеть динамически выделяла таким пользователям максимально доступную полосу пропускания. Во время установления соединения пользователь (или приложение) может задать желаемую и наименьшую допустимую скорость передачи данных, а уж дело сети обеспечить доступную в любой момент полосу пропускания. Если приложение допускает изменение скорости передачи во времясо единения, то эта скорость может быть динамически увеличена или уменьшена, например при переходе пользователя в новую ,соту вследствие уменьшения или увеличения пропускной способности, затребованной для телефонных разговоров.

Для GPRS гибкость обеспечивается автоматически протоколом управления доступа к среде(Media Access Control), поскольку пропускная способность радиоканала выделяется для каждого пакета данных. К тому же разделение ресурсов между абонентами, использующими коммутацию каналов и коммутацию пакетов, может осуществляться намного динамичнее, чем разделение ресурсов между абонентами, использующими только коммутацию каналов. Если коммутируемый канал занят, то абоненту, рассчитывающему на его использование, может быть выделен каналGPRS. После освобождения коммутируемого канала канал GPRS опять станет доступен для пользователей, ориентирующихся на GPRS. Снижая скорость передачи данных до стандартизированных величин4,8 и 2,4 кбит/с, можно увеличить размер сот. Уменьшение скоростей передачи данных следует той же концепции, которая была предложена для речевых каналов GSM: снижение «качества обслуживания» происходит в обмен на уменьшение стоимости развертывания сети и расширение обслуживаемой территории. Так, с уменьшением скорости передачи данных с 9,6 до 4,8 кбит/с при сохранении величины вероятности ошибки (BER) можно увеличить размер соты за счет увеличения отношения полезного сигнала к шуму примерно на3,5 дБ, а с уменьшением скорости до 2,4 кбит/с – на 5,3 дБ.

Самая важная и, возможно, самая сложная задача, стоящая перед создателями систем следующего поколения, – разработка эффективной технологии для предоставления мобильным пользователям услуг по передаче данных с очень высокой скоростью, значительно более

высокой, чем достигнута в системах второго поколения. С этой точки зрения часто рассматриваются следующие скорости передачи данных: до 144 кбит/с для сотовых сетей большой площади и до 2 Мбит/с для систем, обслуживающих объекты с низкой подвижностью на небольшой по площади территории. Другими важными требованиями, предъявляемыми к системам третьего поколения, являются поддержка гибкого интерфейса и более высокое по сравнению с сетями второго поколения качество обслуживания.

Можно сказать, что определенная технологическая совместимость между GSM и высокоскоростным интерфейсом, работающим в полосе частот систем третьего поколения, принесет огромную пользу. Это позволит терминалам с такими интерфейсами работать в сельской местности с имеющимися сетями GSM или DCS, а высокоскоростной обмен данными осуществлять, используя полосу, которая зарезервирована для систем третьего поколения. Операторы, производители терминалов и пользователи – все выиграют от создания недорогих и простых терминалов, работающих в разных режимах и в разных полосах частот. Для упрощения совместимости при создании высокоскоростного интерфейса следует придерживаться нескольких основных правил, в частности использовать:

wразнесение каналовGSM;

wпохожие эквалайзеры для разных каналов;

wпохожие методы обработки сигналов.

Технологии, описанные выше, в некоторой степени решают проблемы гибкости и улучшения качества. При движении в направлении систем третьего поколения эти базовые технологии будут развиваться и широко внедряться.Основная идея новых технологий состоит в том, что пользователь всегда может обмениваться данными с максимально возможной скоростью. При хороших условиях распространения и низкой загруженности сети скорость передачи данных может быть увеличена путем уменьшения числа битов, используемых для кодирования канала. На границе сот должна реализовываться более сильная защита от ошибок (поэтому и более низкая скорость передачи данных) для достижения требуемого качества обслуживания. В основе эта идея схожа с идеей, касающейся увеличения размера соты. Конечно, повышение гибкости системы может быть реализовано в GSM и в более общем виде, для улучшения качества и увеличения площади обслуживания. Еще одна весьма существенная область – развитие GSM как системы в целом. К этой области относится разработка средств взаимодействия системDECT и GSM, призванных обеспечить соединение стационарного оборудованияDECT с центрами коммутации подвижной связиGSM. Такое взаимодействие позволит достичь высоких скоростей передачи данных, расширения зоны уверенного приема внутри помещений и увеличения емкости сис-