10.3. Системы tdma второго поколения

С этого раздела начинается изучение сотовых систем второго поколения. Вначале предлагается краткий обзор, а затем подробно рассматривается один тип сотовых систем второго поколения.

Сотовые системы первого и второго поколений

Сотовые системы первого поколения, подобные AMPS, быстро приобрели широ­кую популярность и постоянно наращивают пропускную способность. Системы второго поколения разрабатывались для предоставления высококачественных сигналов, более высокой скорости обмена данных с поддержкой цифровых услуги большей пропускной способности. В [BLAC99] перечислены следующие ключе­вые различия этих двух поколений.

• Цифровые информационные каналы. Наиболее заметным отличием систем двух поколений является то, что системы первого поколения практически полностью аналоговые, в то время как системы второго поколения являются цифровыми. В частности, системы первого поколения спроектированы для поддержки голосовых каналов с использованием частотной модуляции; циф­ровые данные можно передавать только с использованием модема, который преобразует цифровые данные в аналоговую форму. Системы второго поколе­ния предоставляют цифровые информационные каналы. Эти каналы уже поддерживают передачу цифровых данных, а голосовые каналы сначала нуж­но закодировать в цифровую форму, а лишь затем передавать. Разумеется, в системах второго поколения пользовательские данные (информация и оциф­рованная речь) нужно вначале преобразовать в аналоговые сигналы, а лишь потом передавать их между мобильным устройством и базовой станцией (см., например, рис. 6.14).

• Шифрование. Поскольку весь обмен пользовательскими сообщениями и управляющими данными в системах второго поколения является цифровым, то для защиты от подслушивания данные довольно легко зашифровать. Эту возможность предоставляют все системы второго поколения, а системы первого поколения отправляют пользовательские данные в чистом виде, не обеспечивая никакой защиты.

• Обнаружение и исправление ошибок. В системах второго поколения применяются схемы обнаружения и исправления ошибок наподобие тех, что были рассмотрены в главе 8. В результате можно обеспечить довольно чистый прием речи.

• Доступ к каналам. В системах первого поколения каждая ячейка поддерживает несколько каналов. В любой момент времени канал может быть выделен только одному пользователю. В системах второго поколения ячейкам также выделяется по несколько каналов, однако каждый канал может совместно использовать­ся несколькими пользователями посредством схем множественного доступа с временным разделением (TDMA) или множественного доступа с кодовым разде­лением (CDMA). Системы, основанные на TDMA, будут рассмотрены в этом разделе, а системы, основанные на CDMA, — в разделе 10.4.

Начиная с 90-х годов, было внедрено немало различных систем второго по­коления.

Множественный доступ с временным разделением каналов

Доступ многих пользователей к сотовой системе первого поколения осуществля­ется с помощью технологии FDMA (frequency division multiple access — множе­ственный доступ с частотным разделением). Этот термин был введен ранее, при рассмотрении спутниковой связи; для сотовых систем принцип работы схемы не изменился, и его можно описать следующим образом. Для каждой ячейки выде­ляется 2М каналов, шириной δ Гц каждый. Половина каналов (обратные кана­лы) используются для передачи данных с мобильного устройства на базовую станцию: f_с, f_с + δ, f_с + 2δ, ..., f_c + (М − 1)δ, где f_с — центральная частота в самом низкочастотном канале. Оставшаяся половина каналов (прямые каналы) исполь­зуется для передачи данных с базовой станции на мобильное устройство: f_c, f_c + δ + Δ, f_c + 2δ + Δ, ..., f_c + (M − 1)δ + Δ, где Δ — расстояние между обратным и пря­мым каналами. При установлении соединения с мобильным пользователем для полнодуплексного сообщения выделяются два канала — на частоте f и на частоте f + Δ. Такой порядок предоставления каналов довольно неэкономичен, так как большую часть времени один или оба канала остаются незанятыми.

Технология разделения каналов TDMA уже упоминалась при обсуждении спутниковой связи (см., например, рис. 9.14). Применение схемы TDMA в сото­вой системе можно описать следующим образом. Так же, как и при использова­нии FDMA, каждой ячейке выделяется некоторое количество каналов, половина из которых используются для обратной связи, а половина — для прямой. И сно­ва для полнодуплексного соединения мобильному устройству выделяется пропу­скная способность на парных — прямом и обратном — каналах. Кроме того, ка­ждый физический канал подразделяется на несколько логических каналов. Пе­редача данных осуществляется в виде последовательности кадров с повторяющейся структурой: каждый кадр делится на некоторое число слотов. Положение каждого слота в последовательности кадров определяет отдельный логический канал. Пример логического канала приводился на рис. 9.13.

Вопросы проектирования мобильных беспроводных систем TDMA

Перед тем как переходить к рассмотрению системы GSM, будет полезно изучить не­которые общие принципы, проанализировав данные из [JONE93]. После этого ана­лиза станут понятны мотивы некоторых проектных решений, принятых в GSM. Об­щая цель состоит в определении такой длины и структуры слота трафика, которые обеспечат эффективную передачу речи и данных, а также эффективное использова­ние спектра радиодиапазона. Рассмотрим следующий набор требований.

• Количество логических каналов (число слотов в кадре TDMA) — 8; оказы­вается, что это минимальное количество слотов, при котором оправдывают­ся затраты на разделение каналов.

• Максимальный радиус ячейки (R) — 35 км; он обеспечивает достаточный уровень трафика в сельской местности.

• Частота — около 900 МГц; обычно именно такая частота выделяется для мобильных радиоприложений.

• Максимальная скорость движения (V_m) — 250 км/ч или 69,4 м/с, чтобы можно было пользоваться мобильными устройствами в скоростных поездах.

• Максимальная задержка кодирования — приблизительно 20 мс, чтобы не приводить к чрезмерным задержкам в стационарных сетях, в которых может использоваться спутниковая связь.

• Максимальный разброс задержек (Δ_m) — 10 с (в горных районах); эта задержка представляет собой разницу задержек распространения различных компонентов многолучевых сигналов, прибывающих на одну и ту же антенну.

• Ширина полосы частот не должна превышать 200 кГц, что соответствует 25 кГц на один канал (именно эта величина в настоящее время принята для европейских аналоговых сотовых систем с частотной модуляцией).

На рис. 10.12 приведены шаги, которые предлагается выполнить при про­ектировании слота системы TDMA. Этой схемой мы будем руководствоваться при дальнейшем обсуждении.

Кодер речи должен обеспечивать удовлетворительное качество речи при ми­нимальной скорости передачи данных. Традиционным видом речевого кодирова­ния, дающим поток цифровых битов, является импульсно-кодовая модуляция (РСМ), которая приводит к скорости передачи данных 64 Кбит/с (см. раздел 6.4). Эта скорость слишком высока для сотовой связи. Для имеющихся в на­стоящее время технологий разумно использовать скорость передачи данных око­ло 12 Кбит/с, что дает хорошее качество воспроизведения речи.

Рис. 10.12. Проектирование слота для системы TDMA

Если ограничить задержку кодирования величиной 20 мс, тогда закодиро­ванную речь можно группировать блоками по 20 мс или выборками речи по 240 бит. При скорости 12 Кбит/с данные также группируются в 240-битовые блоки. Затем к этим блокам можно применять схемы исправления ошибок.

В цифровых системах второго поколения обычно используются сверточные коды коррекции ошибок со степенью кодирования 1/2. При таком кодировании число битов в блоке данных увеличивается до 480. Кроме того, к блоку данных нужно добавить восемь бит, чтобы учесть длину регистра сдвига (см. раздел 8.3). Таким образом, длина блока речи составит 488 битов.

При выбранных параметрах минимальная скорость передачи битов для восьмиканальной системы составит

8 каналов × 488 бит/канал / 20·10⁻³ с = 195,2Кбит/с.

В действительности потребуется несколько более высокая скорость передачи битов, что обусловлено другими соображениями, о которых мы поговорим ниже. Это означает, что в доступной полосе шириной 200 кГц придется обеспечивать скорость передачи данных выше, чем 200 Кбит/с. На практике таких скоростей передачи данных невозможно достигнуть без использования адаптивного вырав­нивания. Как обсуждалось в разделе 5.4, для осуществления адаптивного выравнивания в мобильной среде потребуется включать новую настроечную последова­тельность всякий раз, когда мобильное устройство переместится на расстояние, достаточное для изменения характеристик тракта передачи. Предположим, что настроечная последовательность включена в каждый слот. Грубый критерий, предложенный в [JONE93], состоит в том, что фаза несущего сигнала после на­строечной последовательности не должна превышать 1/20 длины волны (т.е. π/10). При частоте 900 МГц длина волны составляет 0,333 м. Итак,

максимальная длительность передачи = == 0,24мс.

Настроечную последовательность можно использовать более выгодно, если передавать 0,24 мс речи или данных до нее и после нее и использовать настроеч­ную последовательность в сочетании с 0,48 мс данных.

Далее требуется определить длину настроечной последовательности. При проек­тировании эквалайзера для многолучевого сигнала, ширина полосы которого при­мерно равна скорости передачи битов (200 кГц, 200 Кбит/с), используют эвристиче­ское правило: число отводов эквалайзера (см. рис. 5.14) должно в шесть раз превы­шать число битов, передаваемых за максимальное время рассеивания (Δ_m = 0,01 мс). Таким образом, для настроечной последовательности в слоте выделяется 0,06 мс.

Теперь предположим, что в конце каждого слота нужен защитный интервал. Его вводят из-за различия во времени задержек между разными мобильными уст­ройствами и базовой станцией. Поскольку один и тот же кадр TDMA совместно ис­пользуют восемь мобильных устройств, требуется синхронизировать передачу дан­ных с мобильных устройств, чтобы данные с одного из них не приходились на чужие слоты. В функции базовой станции входит предоставление каждому мобильному устройству информации о синхронизации, что позволяет выравнивать относительные задержки и сохранять структуру кадра TDMA. Однако мобильные устройства могут двигаться и относительно базовой станции, и относительно друг друга, так что для учета этих отклонений после каждого слота вставляется защитный интервал. Когда мобильное устройство впервые заказывает соединение базовой станции, базовая станция предоставляет мобильному устройству информацию о синхронизации, кото­рая зависит от текущего времени задержки распространения сигнала между мобиль­ным устройством и базовой станцией. Избежать частого обновления информации о синхронизации можно путем введения достаточного защитного времени. Приведем пример расчета защитного интервала. Средний телефонный звонок занимает 130 с [LONE93], так что радиальное расстояние до базовой станции, которое может по­крыть мобильное устройство, составляет (130 с) × (69,4 м/с) = 9022 м. Изменение за­держки распространения сигнала, обусловленное перемещением на такое расстояние, составляет 9022/(3·10⁸ м/с) = 0,03 мс.

На рис. 10.13, а показана полученная схема слота. Следующий этап состоит в распределении закодированного блока данных между несколькими слотами, в которые также войдут настроечная последовательность и защитные биты. Мак­симальная длительность слота равна приблизительно 0,57 мс. Учитывая, что каждый кадр состоит из 8 слотов, получаем длину кадра 4,6 мс. Пусть данные нужно отправить с задержкой кодирования 20 мс, так что если длину кадра счи­тать равной 4 мс, а длину каждого слота равной 0,5 мс, удобно будет отправить блоки речи в пяти последовательных слотах в одном и том же канале. Блок речи состоит из 488 бит, так что в каждый слот следует поместить 488/5 или около 98 бит данных. Это даст скорость передачи битов 98/0,4 = 245 Кбит/с. При та­кой скорости передачи данных минимальное количество требуемых настроечных битов составляет (0,06 мс) × (245 Кбит/с) = 14,7, что при округлении даст 15 бит. Подобным образом рассчитывается и минимальное количество защитных битов, которое оказывается равным (0,03 мс) × (245 Кбит/с) = 7,35, т.е. при ок­руглении в большую сторону — 8 бит.

Рис. 10.13. Слот TDMA

Получившаяся в результате структура кадра показана на рис. 10.13, б. По каналу со скоростью передачи 242 Кбит/с передается 121 бит за 0,5 мс.

Глобальная система мобильной связи

До того как была разработана Глобальная система мобильной связи (GSM), в странах Европы использовалось множество разных несовместимых сотовых те­лефонных технологий первого поколения. Стандарт GSM был разработан для внедрения в Европе общей технологии второго поколения, чтобы одни и те же абонентские устройства можно было использовать по всему континенту. Эта тех­нология оказалась весьма успешным и, возможно, самым популярным мировым стандартом для систем нового поколения. Впервые стандарт GSM появился в 1990 году в Европе. Теперь подобные системы внедрены в Северной и Южной Америке, Азии, Северной Африке, а также в Средней Азии и в Австралии. Ас­социация GSM заявила, что к концу 2000 года она обслуживала три четверти всех абонентов сотовой сети по всему миру, причем подавляющее большинство абонентов GSM находилось в Европе и на тихоокеанском побережье Азии, 8 миллионов проживает также в Северной Америке.

Архитектура сети GSM

На рис. 10.14 показаны ключевые функциональные элементы системы GSM. Линии Um, Abis и А обозначают интерфейсы между функциональными элемен­тами, которые стандартизированы в документации GSM. Таким образом, можно приобретать оборудование у разных поставщиков и ожидать, что оно будет ус­пешно взаимодействовать. В стандарте GSM определены также дополнительные интерфейсы, но здесь они рассматриваться не будут.

Мобильная станция

Через интерфейс Um, называемый также радиоинтерфейсом, мобильная станция сообщается с трансивером базовой станции в той ячейке, в которой находится мобильное устройство. Термином мобильное оборудование (mobile equipment — ME) обозначается физический терминал, такой, как телефон или устройство персональной службы связи (personal communication service — PCS), включающее в себя радиотрансивер, процессоры для обработки цифро­вых сигналов и модуль идентификации абонента (subscriber identity module — SIM). SIM представляет собой портативное устройство, имеющее вид интеллек­туальной карточки или встраиваемого модуля, в котором хранится идентифи­кационный номер абонента, координаты сетей, которыми разрешено пользо­ваться абоненту, ключи шифрования и другая информация об абоненте. Або­нентские устройства GSM до вставки модуля SIM абсолютно неотличимы друг от друга. Поэтому путешествующий абонент, захвативший с собой свой модуль SIM, может в разных странах использовать разные устройства, вставляя в них свой модуль. В действительности, за исключением определенных срочных со­единений, абонентские устройства не будут работать без вставленного модуля SIM. Поэтому носить с собой везде нужно именно модуль SIM, а само устрой­ство брать с собой необязательно.

Рис. 10.14. Общая архитектура GSM

Подсистема базовой станции

Подсистема базовой станции (base station subsystem — BSS) состоит из кон­троллера базовых станций и одной или нескольких базовых трансиверных станций. Каждая базовая трансиверная станция (base transceiver station — BTS) определяет ячейку, в которую входит радиоантенна, радиотрансивер и канал связи с контролле­ром базовых станций. Ячейка GSM может иметь радиус от 100 м до 35 км, в зави­симости от среды. Контроллер базовой станции (base station controller — BSC) мо­жет совмещаться с BTS или управлять работой нескольких устройств BTS, а следо­вательно, несколькими ячейками. Контроллер BSC резервирует радиочастоты, управляет переключениями мобильных устройств с одной ячейки на другую в пре­делах одной подсистемы BSS и контролирует избирательное обращение.

Сетевая подсистема

Сетевая подсистема (network subsystem — NS) обеспечивает связь между сото­вой сетью и общественными коммутируемыми телекоммуникационными сетями. Подсистема NS управляет переключениями между ячейками, находящимися в раз­личных подсистемах базовых станций, опознает пользователей и подтверждает дос­товерность их счетов, а также выполняет функции роуминга мобильных пользовате­лей. Центральным элементом подсистемы NS является мобильный центр коммута­ции (mobile switching center — MSC). Он управляет четырьмя базами данных.

• База данных регистра исходного положения (home location register — HLR). В регистре HLR хранится информация, как временная, так и постоянная, о каждом из абонентов, который "принадлежит" системе (т.е. об абонентах, телефонные номера которых связаны с центром коммутации).

• База данных регистра местонахождения посетителей (visitor location regis­ter — VLR). Одну из важных частей информации составляет местонахождение абонента. Местонахождение определяется из регистра VLR, в который введен абонент. В регистре местонахождения посетителей хранится информация об абонентах, которые в данный момент физически находятся в районе, обслужи­ваемом данным центром коммутации. В регистре отмечается, является ли або­нент активным, а также фиксируются другие параметры, связанные с абонентом. При поступлении звонка абоненту система использует связанный с абонен­том телефонный номер для опознания исходного для данного абонента центра коммутации. Этот центр коммутации, в свою очередь, в своем регистре HLR может найти центр коммутации, в зоне действия которого в данный момент физически находится абонент. При поступлении звонка от абонента регистр VLR используется для инициирования звонка. Даже если абонент находится в зоне, принадлежащей его исходному центру коммутации, он может также быть представлен в регистрах VLR других центров коммутации.

• База данных центра аутентификации (authentication center — AuC). Эта база данных используется в процессе аутентификации; например, в ней хранятся ключи аутентификации и шифрования для всех абонентов, пред­ставленных как в регистрах исходного положения, так и в регистрах место­нахождения посетителей. Центр управляет доступом к данным пользовате­лей, а также процессом аутентификации при присоединении абонента к се­ти. Данные, передаваемые системами GSM, шифруются, поэтому они конфиденциальны. Для шифровки данных, передаваемых от абонента трансиверу базовой станции, используется поточный шифр А5. В то же время переговоры по сети с наземными линиями связи проходят без шифрования. Другой поточный шифр, A3, используется для аутентификации.

• База данных регистра идентификации оборудования (equipment identity register — EIR). В этой базе данных хранятся записи о типе оборудования, которое имеется на мобильной станции. Эта база данных также важна для безопасности (например, для блокирования звонков с украденных мобильных устройств и предотвращения использования сети станциями, которым не было дано такого разрешения).

Аспекты радиосвязи

Системам GSM выделяется 25 МГц для передачи данных с базовых станций (935-936 МГц) и 25 МГц для передачи с мобильных устройств (890-915 МГц). Вне Европы для систем GSM определены также и другие полосы частот. Пользо­ватели получают доступ к сети с помощью комбинации схем FDMA (множественный доступ с частотным разделением) и TDMA (множественный дос­туп с временным разделением) (обе схемы были рассмотрены в предыдущей гла­ве). Несущие расположены через каждые 200 кГц, т.е. всего имеется 125 полно­дуплексных каналов. Каналы модулированы для использования скорости пере­дачи данных 270,833 Кбит/с. Как и в системе AMPS, существует два типа каналов — информационные каналы и каналы управления.

Формат TDMA

В системах GSM используется сложная иерархия кадров TDMA, опреде­ляющая логические каналы (рис. 10.15). По сути, каждая полоса частот шири­ной 200 кГц делится на 8 логических каналов, определяемых повторяющимися последовательностями слотов.

На низшем уровне иерархии находится слот, длительность которого равна 15/26 мс, или примерно 0,577 мс. При скорости передачи битов 270,833 Кбит/с каждый слот будет иметь длину 156,25 бит. Слот состоит из следующих полей.

• Завершитель. Позволяет синхронизировать передачу данных с мобильных устройств, находящихся на разных расстояниях от базовой станции (будет рассмотрено ниже).

• Зашифрованные биты. Данные шифруются в блоки с помощью обычного шифрования 114 открытых битов в 114 зашифрованных битов. Затем за­шифрованные биты помещаются в два 57-битовых поля слота.

• Захваченные биты. Используются для указания, содержит ли блок данные или же он "захвачен" для срочного сигнала управления.

• Настроечная последовательность. Используется для настройки параметров приемника в соответствии с особенностями текущего тракта распространения сигнала, а при многолучевом распространении еще и для выбора наиболее сильного сигнала. Настроечная последовательность является известной комбинацией битов, индивидуальной для каждой ячейки. Она позволяет мобильным устройствам и базовой станции определять, действительно ли пришел прини­маемый сигнал с передатчика или же он возник в результате сильных помех. Кроме того, настроечная последовательность используется для выравнивания сигналов, распространяющихся по множественным траекториям, которое по­зволяет отделять нужный сигнал от нежелательных отражений. Зная, как из­меняется известная настроечная последовательность вследствие многолучевого замирания, в оставшейся части сигнала этот эффект можно компенсировать.

• Защитные биты. Используются во избежание наложения пакетов данных вследствие разных задержек на тракте.

Рис. 10.15. Формат кадра GSM

Формат слота, показанный на рис. 10.15, называется нормальным пакетом и несет пользовательские данные (сравните с рис. 10.13, б). Для управления пе­редачей сигналов используются другие форматы пакетов.

Более крупной иерархической единицей являются мультикадры из 26 кадров, в которые обычно собираются 8-слотовые кадры TDMA. Один из кадров мультикадра используется для управления передачей сигналов, а другой пока не используется, т.е. для передачи данных используются 24 кадра. Таким образом, каждому инфор­мационному каналу выделяется по одному слоту на кадр и по 24 кадра на каждый мультикадр длительностью 120 мс. Вычислим скорость передачи данных.

114 бит/слот × 24 слота/мультикадр / 10 мс/мультикадр = 22,8 Кбит/с.

В спецификации GSM допускаются также информационные каналы поло­винной скорости передачи данных, когда имеются два информационных канала, каждый из которых занимает один слот в 12 из 26 кадров. При использовании кодеров речи с половинной скоростью передачи данных пропускная способность системы удваивается. Есть также мультикадры, содержащие по 51 кадру, кото­рые используются для управления трафиком.

Кодирование речи

На рис. 10.16 показана схема обработки речевых сигналов для передачи данных по логическому информационному каналу. Все этапы обработки после­довательно рассмотрены ниже.

Рис. 10.16. Обработка речевых сигналов в системе GSM

Речевой сигнал сжимается с помощью алгоритма RPE-LPE (Regular Pulse Excited — Linear Predictive Coder, активизация регулярными импульсами — линейный кодер с предсказанием) [KROO86]. Суть алгоритма состоит в том, что для предсказания текущей выборки используются данные из предыдущих выбо­рок. При кодировании каждая выборка представляется в виде линейной комби­нации предыдущих выборок и описывается с помощью коэффициентов этой ли­нейной комбинации и закодированной разности предсказанной и действительной выборок. В результате такого кодирования каждые 20 мс получается 260 бит, т.е. приблизительно скорость передачи данных составляет 13 Кбит/с. По качест­ву речи, воспроизводимой с помощью такого кодирования, биты в 260-битовом блоке можно разделить на три класса.

• Класс Iа: 50 бит, наиболее чувствительных к битовым ошибкам.

• Класс Ib: 132 бит, умеренно чувствительных к битовым ошибкам.

• Класс IIа: 78 бит, минимально чувствительных к битовым ошибкам.

Для защиты первых 50 бит используется 3-битовая циклическая проверка четности с избыточностью (CRC). При обнаружении ошибки вся выборка отбра­сывается и заменяется измененной версией предыдущего блока. Эти 53 бит, 132 бит класса Ib, а также 4-битовая остаточная последовательность затем защища­ются сверточным кодом (1, 2, 5), что в итоге дает 189 × 2 = 378 бит. Оставшиеся 78 бит остаются незащищенными и прилагаются к защищенным битам для того, чтобы дополнить блок до 456 бит, что в результате даст скорость передачи дан­ных 456/20 мс = 22,8 Кбит/с, которая является характерной скоростью переда­чи данных в информационных каналах систем GSM.

Для того чтобы защитить передаваемые данные от пакетов ошибок, каждый 456-битовый блок делится на восемь 57-битовых блоков, которые передаются в восьми последовательных слотах. Так как каждый слот может вмещать в себя два 57-битовых блока, в каждом пакете оказываются данные из двух различных выборок речи.

С помощью описанных шагов речевые данные шифруются по 114 бит за такт, собираются в слоты (сборка пакета) и, наконец, модулируются для переда­чи. Используемая схема модуляции, GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying — гауссова манипуляция с минимальным частотным сдвигом), представляет собой разновидность частотной модуляции (FSK).

Кодирование данных

Цифровые данные обрабатываются тем же способом, что применяется к ре­чевым сигналам. Данные обрабатываются блоками по 240 бит каждые 20 мс, что дает скорость передачи данных 12 Кбит/с. В зависимости от определения логи­ческих каналов реальная поддерживаемая скорость передачи данных может со­ставлять 9,6, 4,8 и 2,4 Кбит/с. Каждый блок дополняется четырьмя остаточны­ми битами. Для получения блока размером 244 × 2 = 488 бит используется сверточный код (1, 2, 5). Затем 32 бит из этого блока опускаются, и в блоке остается 456 бит. Для распределения данных по пакетам используется схема чередования битов, что, опять же, уменьшает влияние импульсных помех. 488 бит распреде­ляются по 22 пакетам следующим образом:

• 1-й и 22-й пакеты содержат по 6 бит каждый;

• 2-й и 21-й пакеты содержат по 12 бит каждый;

• 3-й и 20-й пакеты содержат по 18 бит каждый;

• пакеты с 4-го по 19-й содержат по 24 бит каждый.

В результате каждый пакет переносит информацию из 5 или 6 последова­тельных блоков данных.

Медленная скачкообразная перестройка частоты

Выше было сказано, что информационному каналу выделяется определен­ная частота как для передачи, так и для приема данных. Это не совсем верно. В GSM и во многих других сотовых схемах используется технология, известная как медленная скачкообразная перестройка частоты, которая призвана повысить качество сигнала. Каждый следующий кадр TDMA в данном канале переносится на своей несущей частоте. Таким образом, частота передачи изменяется один раз каждые 4,615 мс. Медленная скачкообразная перестройка частоты позволяет компенсировать эффект многолучевого замирания, который зависит от несущей частоты. Медленная скачкообразная перестройка частоты позволяет также уменьшить эффект интерференции соседних каналов. Напомним, что эта техно­логия является разновидностью связи с расширенным спектром.

Выравнивание задержек

Поскольку мобильные устройства находятся на разных расстояниях от ба­зовой станции в пределах одной ячейки, передаваемые ими данные приходят с разными задержками. Это явление создает проблемы при проектировании систе­мы, так как один кадр TDMA одновременно использует до восьми мобильных устройств. Потому решающее значение имеет синхронизация слотов кадра. Ба­зовая станция передает разным мобильным устройствам управляющие сигналы, которые позволяют синхронизировать распределение слотов. В формате кадра предусмотрены остаточные биты и защитные биты, которые обеспечивают зазор, позволяющий предотвратить перекрывание битов данных из разных слотов. Ба­зовая станция может синхронизировать любое активное мобильное устройство, посылая управляющие сигналы, в которых будет указано, следует ускорить или замедлить отсчет времени.

Протокольная архитектура передачи сигналов GSM

Между ключевыми объектами, изображенными на рис. 10.14, связанными с мо­бильностью, радиоресурсами и управлением соединением, происходит интенсив­ный обмен управляющими сообщениями. Подробное описание различных фор­матов и семантики сообщений заняло бы целую книгу. Здесь будет представлен только краткий обзор структуры, из которого станет видна сложность проекти­рования систем второго поколения.

На рис. 10.17 обобщаются протоколы, используемые между основными элементами архитектуры сети. Нижний уровень архитектуры предназначен для физической связи между объектами. Между мобильной станцией и базовой станцией-трансивером действует радиосвязь, описанная в предыдущих разде­лах, посредством которой переносятся данные высших уровней. Между други­ми объектами используется стандартный цифровой канал со скоростью переда­чи данных 64 Кбит/с.

Рис. 10.17. Протокольная архитектура передачи сигналов GSM

На канальном уровне используется протокол управления каналом передачи данных (см. рис. 4.3), известный как LAPDm. Он представляет собой модифициро­ванную версию протокола LAPD, определенного для сети ISDN (Integrated Services Digital Network — цифровая сеть с интеграцией услуг). Оставшиеся каналы связи используют обычный протокол LAPD. По сути, протокол LAPD разработан для преобразования потенциально ненадежных физических каналов связи в надежные каналы передачи данных. Осуществляется это посредством использования цикли­ческой проверки четности с избыточностью, которая проводится для обнаружения ошибок (как было описано в разделе 8.1), а также автоматического запроса на по­вторение (ARQ) для повторной передачи поврежденных кадров (как было описано в разделе 8.4).

Над канальным уровнем размещено множество протоколов, которые обеспе­чивают выполнение особых функций, включая перечисленные ниже.

• Управление радиоресурсами. Управление установкой, эксплуатацией и удалением радиоканалов, включая переключения.

• Управление мобильностью. Процедуры обновления и регистрации местопо­ложения, а также защита и аутентификация.

• Управление соединением. Управление заказом, обслуживанием и завершением звонков (соединений между пользователями).

• Мобильная прикладная часть (mobile application part — MAP). Осуществление передачи большинства сигналов между различными объектами, находящимися в фиксированных точках сети, например между регистром HLR и регистром VLR.

• Управление базовой трансиверной станцией. Выполнение различных функций управления и административных функций на базовой трансиверной станции под руководством контроллера базовых станций.

MAP находится не непосредственно над канальным уровнем, а над двумя промежуточными протоколами, SCCP и МТР. Эти протоколы являются частью Системы передачи сигналов номер 7 (SSN7), которая представляет собой набор протоколов, разработанных для обеспечения контроля над передачей сигналов в коммутируемых сетях, таких, как цифровые общественные телекоммуникаци­онные сети. Эти протоколы обеспечивают выполнение общих функций, которые используются различными приложениями, включая MAP.