21.2. Система gsm
Спектр радиоволн – это ограниченный ресурс. В отличие от проводного доступа, где у каждого терминала есть физическое соединение и связь с сетью, беспроводные системы обладают вполне определённым спектром частот, доступным в данном географическом регионе. Следовательно, от беспроводных сетей требуется тщательное выделение и распределение спектра в любом районе, чтобы множество пользователей могли одновременно устанавливать соединение. В настоящее время используются следующие способы использования спектра:
а) FDMA (Frequency Division Multiple Access) – множественный доступ с разделением каналов по частоте;
б) TDMA (Time Division Multiple Access) – множественный доступ с разделением каналов по времени;
в) CDMA (Code Division Multiple Access) – множественный доступ с кодовым разделением каналов;
г) OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) - ортогональный множественный досуп с частотным разделением.
Каждая из этих технологий разработана для того, чтобы обеспечить доступ к определенной частоте для многих пользователей (отсюда и множественный доступ во всех названиях). Глобальная система мобильной связи GSM (Global System for Mobile Communication) построена на основе множественного доступа FDMA и TDMA. Далее, глава 23 посвящена беспроводной сети связи стандарта 3G (UMTS), использующая доступ CDMA, и глава 25 - беспроводным сетям связи WiMAX и LTE, использующие доступ OFDMA.
21.2.1. Функциональная архитектура gsm
На рис. 21.2 приведена функциональная архитектура системы GSM, состоящая из трёх подсистем [69,70].
Подсистема радиосвязи RSS (Radio SubSystem).
Подсистема сетей и коммутации NSS (Network and Switching SubSystem).
Операционная подсистема OSS(Operation SubSystem).
В интерфейсе А между подсистемами RSS и BSS используется система ИКМ-30 с коммутацией каналов 64 кбит/с. В интерфейсе О используется OКС№7.
Рис. 21.2. Функциональная архитектура схемы GSM
21.2.1.1. Подсистема радиосвязи
Подсистема радиосвязи RSS включает оборудование, взаимодействующее на радиоучастке: мобильные станции MS (Mobile Station) и базовая станция BTS (Base Transceiver Station). Это оборудование составляет подсистему базовых станций BSS (Base Station System). Сеть GSM cодержит много подсистем BSS. В состав MS входит всё пользовательское оборудование и программное обеспечение, необходимое для соединения. Описание мобильной станции MS приведено ниже. Пользователи GSM (мобильные станции MS) получают доступ к сети с помощью комбинации множественного доступа с частотным разделением FDMA и множественного доступа с временным разделением TDMA. На рис. 21.3 показано каким образом это реализуется.
Между базовой станцией BTS, входящей в подсистему BSS, и мобильной станцией устанавливается дуплексный канал. Для каждого из двух направлений – от мобильной станции и наоборот используются различные частоты [10]. Одна из них используется для нисходящей линии связи (от BTS к MS), а другая – для восходящей линии связи (от MS к BTS). Системе GSM 900 выделено два диапазона частот по 25 МГц. Частотный диапазон от 890 до 915 МГц используется для восходящей линии, а от 935 до 960 МГц – для нисходящей линии связи. Оба диапазона разделены на 124 частотные полосы по 200 КГц каждая. На каждой частоте с использованием множественного доступа TDMA передаётся 8 каналов. Физическим каналом является временной слот, который передается на определенной частоте. Физические каналы организованы в пары. В каждую пару входит по одному физическому каналу для передачи в каждом направлении, несущие которых различаются на 45 МГц.
На рис. 21.3 восемь заштрихованных кадровых интервалов принадлежат одному и тому же соединению, по четыре в каждом направлении. Прием и передача происходит в разных интервалах. Если мобильной станции присвоен диапазон 890,2/935,2 МГц и кадровый интервал 2 хочет осуществить передачу на базовую станцию, он воспользуется нижним набором заштрихованных интервалов (а также последующими), размещая в каждом из них порцию данных. Так будет продолжаться до тех пор, пока не будут посланы все данные соединения.
Рис. 21.3. GSM с 124 частотными каналами, в каждом из которых 8-интервальная система с разделением времени
Теоретически каждая сота (ячейка), включающая обслуживаемые одной базовой станцией BTS, может иметь до 992 каналов (124 несущие частоты по 8 временных слотов). Восемь слотов составляют кадр.
Однако помехи на одних частотах от мобильных станций смежных сот не позволяет это сделать. Повторное использование частот позволяет существенно повышать ёмкость системы. При этом в близких сотах одна относительно другой используются разные полосы частот, а через несколько сот эти полосы частот повторяются.
На рис. 21.4, а показан принцип повторного использования частот.
Рис. 21.4, a. Принцип повторного использования частот
Рассмотрим пример. Пусть в некоторой соте (ячейке) используется какая-то часть от полного диапазона частот, например, почти одна десятая. Тогда в соседней с ней ячейке В должна использоваться вторая десятая часть диапазона, поскольку вблизи общей границы в двух смежных ячейках нельзя использовать из-за помех одни и те же частотные каналы. Из тех же соображений в ячейке С придется использовать третью десятую часть диапазона. Но уже в ячейке D, не имеющей границу с ячейкой В, можно вновь использовать ту же десятую часть диапазона, что и в ячейке В. Условно это обозначено DB. Аналогичные соображения справедливы для ячеек E, F, G, H, так что в итоге мы получаем трехъячеечную схему повторения частот (3-элементный кластер). Такая схема представлена на рис. 21.4 б, где одинаковыми цифрами обозначены ячейки с одинаковыми диапазонами частот. В каждой ячейке при этом используется третья часть всего диапазона частот. При 3-элементном кластере ячейки с одинаковыми полосами повторяются часто, что плохо в смысле уровня взаимных помех от станций, работающих на тех же частотных каналах, но в других ячейках. В этом отношении лучше кластеры с большим числом элементов.
Рис. 21.4, б. 3-элементный кластер
Размер соты GSM может изменяться от нескольких сотен метров до 35 километров в зависимости от окружения (зданий, открытого пространства, гор и т.д.) и ожидаемой интенсивности информационного обмена. Контроллер базовых станций BSC (Base Station Controller), входящий вместе с BTS в подсистему базовых станций BSS, управляет базовыми станциями BTS. С его помощью происходит резервирование частот и переключение с одной станции BTS на другую, осуществляется поиск мобильных станций. Кроме того, контроллер BSC уплотняет радиоканалы для соединений с проводными каналами через интерфейс А (между подсистемой радиосвязи RSS и подсистемой сетей и коммутации NSS). В основу интерфейса А положены цифровые системы уплотнения каналов Е1 с временным уплотнением 30 соединений с пропускной способностью каждого из них 64 Кбит/с.
Мобильная станция включает приемник и передатчик, необходимые для соединения с сетью GSM. В MS входят также модуль идентификации абонента SIM (Subscriber Identity Module), в котором хранятся все индивидуальные данные, необходимые, например, для оплаты аутентификации пользователя. В SIM-карте (выполненной в виде смарт-карты) содержится много идентификаторов и таблиц, например, список абонентских услуг, PIN-код, международный идентификатор мобильного абонента IMSI, данные о местоположении мобильного абонента: TMSI и LAI. Подробное описание структуры мобильной станции приводится в следующем разделе.