ПТСМС / Tema_26

Тема 26. Сеть GSM: архитектура сети, радиоинтерфейс, протокольная архитектура управления

Система GSM относится к цифровым системам второго поколения. Для ее создания в 1982 году была основана Специальная группа мобильной связи (Groupe Speciale Mobile - GSM). В настоящее время система, разработанная этой группой, называется Глобальной системой мобильной связи (Global System for Mobile Communications – GSM).

Спецификации этой системы разрабатываются институтом ETSI.

В настоящее время система GSM может функционировать в трех частотных диапазонах: 900, 1800 и 1900 МГц (табл. 26.1).

Таблица 26.1. Диапазоны частот для системы GSM

Всистеме GSM определено три категории служб: службы–носители (службы передачи – bearer services), телекоммуникационные (teleservices) и дополнительные службы.

Службы-носители обеспечивают передачу данных между терминальными устройствами сети. Службы-носители допускают сквозную, несквозную, синхронную и асинхронную передачу.

Всквозных службах-носителях используется только физический уровень. Для этого случая, если при передаче не происходит ошибок, характерна фиксированная задержка передачи и пропускная способность. Единственным механизмом улучшения качества передачи является прямое исправление ошибок (Forward Error Correction – FEC). В зависимости от схемы FEC скорость передачи данных может составлять 2,4 Кбит/с, 4,8 Кбит/с или 9,6 Кбит/с. При использовании сквозных служб-носителей данные, потерянные в результате экранирования или переключения базовой станции, не восстанавливаются.

Несквозные службы-носители для коррекции ошибок и управления потоком используют протоколы второго и третьего уровней. Такие службы объединяют сквозные службы-носители с протоколом радиоканала (Radio Link Protocol – RLP). Он включает все механизмы высокоуровневого протокола управления каналом (high level data link control – HDLC).

Пропускная способность и задержки для несквозных служб зависят от качества радиоканала.

Всистеме GSM на основе сквозных и несквозных служб определены синхронные и асинхронные службы носители. Максимальная пропускная способность служб-носителей составляет 9,6 Кбит/с.

Телекоммуникационные службы предоставляют следующие услуги:

−передача речевой информации;

−передача коротких сообщений (short message service – SMS) длиной до 160 символов по каналам управления;

−передача факсимильных сообщений;

−аварийный номер 112 – соединение с наибольшим приоритетом с ближайшим аварийным центром.

Дополнительные службы предоставляют следующие услуги:

−идентификация вызывающего абонента;

−переадресация и перенаправление звонков;

−организация закрытых групп пользователей;

−многосторонние соединения (конференции);

−голосовая почта;

−и т.д.

Перечень дополнительных услуг зависит от оператора сети и постоянно расширяется.

Архитектура системы

Система GSM имеет иерархическую структуру. На рис. 26.1 приводится упрощенная схема функционирования системы GSM, установленная стандартом. Система GSM состоит из трех подсистем:

−подсистемы радиосвязи (radio subsystem – RSS);

−подсистемы сетей и коммутации (network and switching subsystem

–NSS);

−операционной подсистемы (operation subsystem – OSS).

Подсистема радиосвязи включает все радиообъекты, т.е. мобильные станции (Mobile Station – MS) и подсистему базовых станций (Base Station Subsystem – BSS).

Сеть GSM содержит много подсистем BSS. Каждая из них включает несколько базовых приемопередающих станций (Base Transceiver Station – BTS) и управляется контроллером базовых станций (Base Station Controller

– BSC). Подсистема BSS отвечает за поддержку радиоканала с мобильными станциями (выделение, освобождение радиоканала, переключение с одной BTS на другую), кодирование/декодирование речи, регулирование скорости передачи по радиоканалу.

Абоненты получают доступ к услугам сети с помощью мобильных станций. По мощности передачи мобильные станции разделяются на 5 классов (табл.26.2). Для идентификации мобильной станции используется международный идентификатор мобильного устройства (International Mobile Equipment Identity – IMEI), присвоенный каждой станции.

Мобильная станция должна иметь SIM-карту (subscriber identity module). В SIM-карте хранится информация необходимая для идентификации абонента: международный идентификатор мобильного абонента

(International Mobile Subscriber Identity – IMSI), личный идентификационный номер (PIN), ключ снятия блокировки PIN (PUK), а также ключ аутентификации (Кi), алгоритм аутентификации (А3).

Рис. 26.1. Функциональная архитектура системы GSM

Таблица 26.2. Классификация подвижных станций стандарта GSM

Подсистема сетей и коммутации (NSS) – ядро системы GSM. Она соединяет беспроводную сеть с другими сетями общего пользования и осуществляет переключение подсистем BSS. Подсистема NSS определяет местонахождение пользователей в любой точке земного шара и обеспечивает оплату, ведение счетов и роуминг пользователей между различными поставщиками услуг связи в разных странах. В ее состав входят следующие коммутаторы и базы данных.

Центр коммутации мобильных служб (mobile services switching center

– MSC). Центры MSC являются высокопроизводительными цифровыми коммутаторами ISDN. Они обслуживают группу сот и обеспечивают все виды соединений. Шлюз МSС (GMSC) дополнительно соединен с другими стационарными сетями, в частности, с сетями PSTN и ISDN. При использовании дополнительных межсетевых функций (IWF – interworking function) центр МSС может также подключаться к сетям передачи данных общего пользования (PDN).

Регистр положения или домашний регистр (HLR – home location register) – база данных с информацией о зарегистрированных в этой сети абонентах.

Регистр перемещения или гостевой регистр (VLR – visitor location register) – база данных с информацией об абонентах находящихся на его территории.

Все данные о пользователе разделяются на две группы: долговременные и временные. Долговременные данные, хранящиеся в регистрах VLR и HLR приведены в табл. 26.3.

Временные данные регистра HLR приведены в табл. 26.4, регистра

VLR – табл. 26.5.

Операционная подсистема (OSS) выполняет все функции, необходимые для эксплуатации и обслуживания сети. В состав подсистемы входят следующие объекты.

Центр эксплуатации и обслуживания (ОМС) обеспечивает управление элементами сети и качеством его работы. В функции ОМС входит: регистрация и обработка аварийных сигналов, устранение неисправностей, проверка состояния оборудования сети, управление трафиком, сбор статистических данных и т.д.

Центр аутентификации (АuС) отвечает за формирование ключей шифров и параметров аутентификации для каждого номера IMSI и передает их в HLR.

Регистр идентификации оборудования (EIR) – база данных IMEI устройств, зарегистрированных в сети. Регистр также содержит список блокированных устройств.

Таблица 26.3. Состав долговременных данных, хранящихся в HLR и VLR

1.Международный идентификатор мобильного абонента (IMSI)

2.Номер мобильной станции в международной сети ISDN (MSISDN)

3.Категория подвижной станции

4.Ключ аутентификации абонента (Ki)

5.Виды предоставляемых дополнительных услуг

6.Индекс закрытой группы пользователей

7.Код блокировки закрытой группы пользователей

8.Состав основных вызовов, которые могут быть переданы

9.Оповещение вызывающего абонента

10.Идентификация номера вызываемого абонента

11.График работы

12.Оповещение вызываемого абонента

13.Контроль сигнализации при соединении абонентов

14.Характеристики закрытой группы пользователей

15.Льготы закрытой группы пользователей

16.Запрещенные исходящие вызовы в закрытой группе пользователей

17.Максимальное количество абонентов

18.Используемые пароли

19.Класс приоритетного доступа

Таблица 26.4. Состав временных данных, хранящихся в HLR

1.Параметры аутентификации и шифрования

2.Временный номер мобильного абонента (TMSI)

3.Адрес регистра перемещения, в котором находится абонент (VLR)

4.Зоны перемещения подвижной станции

5.Номер соты при эстафетной передаче

6.Регистрационный статус

7.Таймер отсутствия ответа

8.Состав используемых в данный момент паролей

9.Активность связи

Таблица 26.5. Состав временных данных, хранящихся в VLR

1.Временный номер мобильного абонента (TMSI)

2.Идентификаторы области расположения абонента (LAI)

3.Указания по использованию основных служб

4.Номер соты при эстафетной передаче

5.Параметры аутентификации и шифрования

В системах стандарта GSM имеются интерфейсы трех видов: для соединения с внешними сетями, между оборудованием сети GSM, между сетью GSM и внешним оборудованием.

Внутри сети определены следующие интерфейсы: Um радиоинтерфейс – интерфейс между MS и BTS; Abis интерфейс – между BTS и BSC;

А интерфейс – между BSC и MSC;

О интерфейс – между OMC и узлами сети.

Радиоинтерфейс Um

В системе GSM схема SDMA реализуется с помощью ячеек и станций BTS. Каждой мобильной станции назначается станция BTS. Для разделения исходящей и нисходящей линий связи используется дуплекс FDD. Этот механизм показан на рис. 26.2. Для доступа к среде применяется объединение схем TDMA и FDMA. В системе GSM 900 схема FDMA использует 124 канала шириной по 200 кГц, в системе GSM 1800 – 374 канала. В качестве примера рассмотрим систему GSM 900. На частотах 1800 и 1900 МГц система GSM функционирует подобным образом.

На рис. 26.2 дополнительно приводится схема использования временного уплотнения. Каждый из 248 каналов дополнительно разделяется по времени на кадры TDMA, т.е. каждая несущая шириной 200 кГц делится на кадры, непрерывно следующие один за другим. Продолжительность кадра составляет 4,615 мс. Кадр подразделяется на 8 временных интервалов, причем каждый интервал представляет физический канал TDM и длится 577 мкс. Таким образом, каждый канал TDM каждые 4.615 мс занимает несущую шириной 200 кГц на 577 мкс.

Данные передаются пакетами. На рис. 26.2 показан так называемый нормальный пакет, который применяется для передачи данных (пользовательские и сигнальные данные). Продолжительность пакета – 546,5 мкс, емкость – 148 бит. Остающиеся 30,5 мкс используются как защитный интервал. Это делается, чтобы избежать перекрытия с другими пакетами из-за задержек на путях распространения и чтобы дать передатчику время на включение и выключение. Заполнение всего интервала позволяет передавать 156,25 бит за 577 мкс. Поэтому максимальная физическая скорость передачи данных в каждом канале TDM составляет около 33,8 Кбит/с, а скорость передачи на несущей радиочастоте составляет приблизительно 270 Кбит/с.

Первые и последние три бита нормального пакета (шлейф) полагаются равными нулю. Их можно использовать для увеличения производительности приемника.

Настроечная последовательность внутри интервала нужна для того, чтобы приспособить параметры приемника к текущим характеристикам

пути распространения. При многолучевом распространении с ее помощью выбирается самый сильный сигнал.

Рис. 26.2. Кадр TDMA системы GSM, интервалы и пакеты

Метка S указывает на тип информации, содержащейся в поле данных. Эта информация может быть либо пользовательскими данными, либо данными управления сетью.

Кроме нормального пакета, в стандарте определено еще четыре типа пакетов для передачи управляющей информации:

−пакет коррекции частоты позволяет мобильной станции настроить местный гетеродин так, чтобы избежать помех соседних каналов;

−пакет синхронизации содержит расширенную настроечную последовательность и применяется для синхронизации во времени мобильной станции и станции BTS;

−пакет доступа необходим для первоначальной установки соединения между мобильной и базовой станцией;

−холостой пакет используется в тех случаях, когда недоступны данные для передачи.

Возможность использования полудуплексного приемо-передатчика,

ане дуплексного в мобильной станции обусловлена двумя факторами:

−интервалы для исходящего и нисходящего физического канала TDM разделены по частоте (в системе GSM 900 разность частот составляет 45 МГц, в системе GSM 1800 с дуплексом FDD – 95 МГц).

−кадры TDMA исходящего и нисходящего направления сдвинуты по времени на три интервала. Если станция BTS посылает данные в

первый интервал нисходящего канала, в момент времени t0, мобильная станция получает доступ к первому интервалу исходящего канала в момент времени t0+3*577 мкс.

Для избежания частотно-избирательного затухания в системе GSM вводится дополнительный механизм медленного перескока частоты. После каждого кадра мобильная станция и станция BTS могут изменять несущую частоту в соответствии с общей последовательностью перескоков.

Логические каналы и иерархия кадров

В системе GSM физический канал (ФК) используется для передачи информации нескольких логических каналов (ЛК). Логические каналы разделены на две группы – каналы информационного обмена и каналы управления.

Каналы информационного обмена (ТСН). Каналы ТСН используются системой GSM для передачи пользовательских данных. Они разделены на два основных класса – полноскоростные (TCH/F) и полускоростные (ТСН/Н) каналы. Каналы TCH/F характеризуются пропускной способностью 22,8 Кбит/с, а каналы ТСН/Н – 11,4 Кбит/с.

Для речевых кодеков, применявшихся на начальном этапе стандартизации системы GSM, требовалась скорость передачи 13 Кбит/с. Оставшаяся емкость каналов TCH/FS использовалась для коррекции ошибок. Более новые коды обеспечивают лучшее кодирование речи. Появляется возможность применения каналов ТСН/НS. При этом производительность системы GSM в отношении передачи речи удваивается.

Передача данных может характеризоваться различной пропускной способностью. Например, в каналах TCH/F4.8 и TCH/F9.6 скорость передачи составляет 4,8 Кбит/с и 9,6 Кбит/с соответственно, а в новой спецификации TCH/F14.4 она равна 14,4 Кбит/с. Эти каналы отличаются схемами кодирования и возможностями коррекции ошибок.

Каналы управления ССН (Control Channels) делятся на 4 типа:

вещательные ВССН (Broadcast Control Channels); общие СССН (Common Control Channels); выделенные закрепленные SDCCH (Standalone Dedicated Control Channels); совмещенные (ассоциированные) АССН (Associated Control Channels).

Каналы ВССН предназначены для передачи информации от БС к ПС в вещательном режиме. В число вещательных каналов управления (КУ)

входят: канал коррекции частоты FCCH (Frequency Correction Channel) –

для подстройки частоты ПС под частоту БС; канал синхронизации SCH – для цикловой синхронизации ПС; 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 (Access Grant Channel) – для назначения закрепленного КУ, которое также передается от БС на ПС; канал случайного доступа RACH – для выхода с ПС на БС с запросом о назначении выделенного КУ.

При передаче информации по общим КУ прием информации не сопровождается подтверждением.

Выделенные закрепленные каналы управления SDCCH – автономные КУ, используются для сигнализации в процессе установления соединения до назначения пользовательского канала, например, для аутентификации и регистрации;

Совмещенные каналы управления АССН, также используемые для передачи информации в обоих направлениях включают в себя:

−медленный совмещенный канал управления SACCH – объединяется с каналом трафика (кадр 13 мультикадра канала графика) или с каналом SDCCH, применяется для передачи информации, например: результаты измерения уровня сигнала своей и смежных сот, регулировка мощности ПС, временная синхронизация;

−быстрый совмещенный канал управления FACCH - совмещается с каналом трафика, заменяя в соответствующем слоте информацию речи, причем эта замена помечается скрытым флажком (поле S). Используется наряду с пользовательским каналом, когда в процессе обмена пользовательской информацией необходимо передать объём информации больше, чем может обеспечить медленный ассоциированный канал. В этом случае вместо 20 мс пользовательской информации передается, например, информация, необходимая для переключения вызова. Прерывание в передаче пользовательской информации незначительно. При этом абоненту повторно передается информация предыдущего цикла.

В каждой (ом) соте/секторе BTS имеется n радиоканалов С0,С1,…,Сn- 1, каждый из которых содержит по 8 физических каналов (ФК). Используя

эти ФК, необходимо организовать все требуемые логические каналы. Логические каналы коррекции частоты – F (FCCH), синхронизации –

S(SCH), вещательный – В (ВССН) и общие – С (AGCH/PCH) имеют направление передачи от БС к ПС (прямой канал), а общий канал случайного доступа R (RACH) – от ПС к БС (обратный канал). Выделенный индивидуальный сигнальный – D (SDCCH), медленный совмещенный – А (SАССН) и быстрый совмещенный – А` (FАССН) являются двухсторонними.

Логические каналы управления F, S, F имеют конфигурацию «точка

– многоточие», и достаточно иметь по одному каналу данного типа в соте или секторе. Требуемое число логических КУ типов C, R, D, A зависит от нагрузки, создаваемой ПС в соте/секторе. В зависимости от нагрузки для организации логических КУ используются один или более ФК.

Симплексные каналы управления ВССH и СССН размещаются в нулевом слоте кадров КУ эфирного интерфейса на так называемых несущих ВССH, имеющихся в ячейке (рис. 26.3).

Сообщения каналов ВССH и СССН, передаваемые от БС к ПС (прямой канал), размещаются в нулевых слотах 50 кадров мультикадра КУ. Последний, 51-й, кадр мультикадра остается свободным (I – Idle). Его длительность отводится ПС для реализации процедуры измерения уровня сигналов своей и смежных сот. Первые 50 кадров делятся на 5 блоков по 10 кадров. В начале каждого блока передается сообщение канала FCCH, далее – сообщение канала SСН, затем в первом блоке передается четыре сообщения канала ВССН и четыре сообщения канала AGСН или канала РСН, а в остальных четырех блоках все восемь сообщений отводятся под канал AGСН или РСH.

Для канала RАСН выделен нулевой слот каждого кадра в пределах 51-кадрового мультикадра КУ. Сообщение RАСH передается ПС раз в 235 мс, т.е. только в одном из кадров мультикадра.

Рис. 26.3. Структура мультикадра канала управления системы GSM

Информация быстрого совмещенного канала А` передается по пользовательским каналам. Логические каналы D и А являются двухсторонними, и для их организации используется 1-й слот радиоканала. Для обеспечения требуемого качества обслуживания вызовов в данном случае, достаточно в каждой соте иметь по 8 логических каналов D со скоростью передачи 1,94 кбит/с и такое же количество совмещенных с ними каналов А со скоростью передачи в два раза ниже.

Учитывая это, для того чтобы получить по 8 ЛК каждого типа необходимо два мультикадра по 51 кадру в каждом. Порядок размещения ЛК типов D и А представлен на рис. 26.4. ЛК прямого и обратного направлений передачи смещенью относительно друг друга. Это