23

Сети и системы связи с подвижными объектами

Лекция 8:Система связи с подвижными объектами стандарта GSM

(4 часа)

План занятия:

Время	№ п/п	Содержание раскрываемого вопроса:
35 мин.	1.	Общая структура систем связи с подвижными объектами стандарта GSM
35 мин.	2.	Общие характеристики и организация каналов сети стандарта GSM

1. Общая структура систем связи с подвижными объектами

стандарта GSM

Стандарт GSM: Global System for Mobile Communications, был разработан в 80-е годы под эгидой Европейского института стандартов по телекоммуникациям (ЕТSI) и принят в 1989 г. как первый единый общеевропейский стандарт цифровой сотовой связи. С 1992 г. началось развертывание сетей GSМ в Европе, с 1994 г. в России.

По данным Международного союза операторов GSМ, присоединившихся к МоU (Memorandum of Understanding), на 1 июня 2002 г. сети СSМ-900/1800/1900 обслуживали 684 млн. пользователей в 172 странах на 5 континентах, что составляет 60% рынка сотовой связи.

Сегодня система GSМ – единственная глобальная сотовая система, обеспечивающая международный роуминг по всему земному шару.

Стандарт GSМ - первый и пока единственный, где реализована концепция персональной связи. Каждый пользователь GSМ получает идентификационный модуль: SIМ-карту (Subscriber Identity Module). Абонент может переставить SIМ-карту из одной мобильной станции МS в другую, после этого вызовы будут поступать на новый аппарат.

GSМ, как и другие системы 2-го поколения, является структурой с распределенным управлением, состоящей из 4 подсистем (рис. 1):

1. Подсистемы образуют абонентские станции МS - Mobile Station.

2. Подсистемы базовых станций ВSS (Base Station Subsystem).

3. Подсистемы коммутации NSS (Network Services and Switching Subsystem).

4. Подсистемы управления и обслуживания ОSS (Operation Subsystem).

Подсистема базовых станций ВSS, состоит из контроллера базовых станций ВSС (Base Station Controller), приемопередающих базовых станций ВТS (Base Transceiver Station) и транскодера ТRAU (Transcorder and Rate Adaptation Uni).

ВSС выполняет следующие функции:

• распределяет канальный ресурс, т.е. назначает радиоканалы МS и выделяет каналы для передачи сигналов управления;

• коммутирует каналы к МS через соответствующие ВТS;

• организует эстафетную передачу (handover);

• управляет мощностью и корректирует временную синхронизацию (время упреждения) МS, находящихся в зоне его действия, управляет сигнализацией на радиолиниях,

• осуществляет сбор и передачу телеметрии в подсистему управления и обслуживания.

Основные функции, выполняемые ВТS:

• передача сигналов к абонентским станциям,

• прием радиосигналов абонентских станций,

• связь с контроллером базовых станций по каналам цифровой связи,

• кодирование и декодирование сигналов,

• шифрация и дешифрация сигналов.

Транскодер производит кодирование со сжатием речевых сигналов, их декодирование, упорядочение скоростей при передаче данных.

Подсистема коммутации NSS (Network Services and Switching Subsystem) состоит из одного или нескольких центров коммутации подвижной связи МSС (Mobile Services Switching Center) и баз данных:

• адресного регистра НLR (Home Location Register),

• центра аутентификации АuС (Authentication Center)

• визитного регистра VLR (Visitor Location Register),

• регистра идентификации аппаратуры ЕIR (Equipment Identity Register),

• шлюзов GMSС (Gateway MSC) для выхода на другие сети, такие как телефонная сеть общего пользования (ТФОП), другие сети подвижной связи, сети передачи данных.

МSС и VLR представляют неразрывное целое - каждому МSС соответствует свой VLR. В сети одного оператора могут действовать несколько МSС/VLR и сетевых элементов. Управляющую и координирующую роли в подсистеме коммутации выполняют МSС.

МSС осуществляют:

• связь с другими сетями передачи информации, непосредственно или через шлюзовой коммутатор GМSС,

• коммутацию вызовов абонентов подвижной связи, находящихся в сотах, обслуживаемых данным МSС, обработку потоков данных для передачи по каналам подвижной связи,

• отслеживание перемещений (локализацию) абонентов, находящихся в зоне действия МSС (совместно с VLR),

• сбор информации об оказанных абонентам услугах и передачу ее в биллинговый центр,

• управление подсистемами базовых станций,

• сбор и передачу телеметрии в подсистему управления и обслуживания.

Адресный регистр НLR представляет базу данных обо всех абонентах данного оператора, независимо от их местоположения. Гостевой регистр VLR - это база данных об абонентах находящихся в зоне обслуживания данного МSС/VLR (при этом не имеет значения, принадлежат ли абоненты к данной сети, или являются гостями - роумерами). В обоих регистрах содержатся международные системные (IMSI) и вызывные (МSISDN) номера абонентов, данные об услугах, доступных абоненту, ограничениях на использование услуг.

В регистрах имеется информация о местонахождении абонента: в НLR - адрес того МSС/VLR, в зоне обслуживания которого находится абонент, в VLR - идентификатор локальной зоны нахождения абонента. Локальная зона (Location Area - LA) это группа сот внутри зоны обслуживания МSС/VLR. Сигнал пейджинга передают абоненту по всем сотам LA.. VLR содержит данные о том, подключен или отключен абонент, в данный момент, временный номер абонента (ТМSI) и комплект аутентификационных параметров (триплетов).

Генерацию триплетов по запросу VLR проводит центр аутентификации АuС. База данных АuС содержит IMSI абонентов, индивидуальные аутентификационные ключи К_i, алгоритмы для генерации триплетов.

Регистр идентификации аппаратуры ЕIR служит для проверки, используемой абонентом МS. Каждая МS имеет индивидуальный заводской номер. ЕIR содержит «белый» список с номерами сертифицированных МS, «черный» список, где перечислены заводские номера МS, снятых с обслуживания, номера утерянных, украденных и неисправных МS, и «серый» список, в котором указаны номера МS, пригодных к ограниченному использованию. Все нормально работающие МS должны находиться в «белом» списке; МЗ из «черного» списка система не обслуживает.

Подсистема управления и обслуживания ОSS состоит из трех центров. Центр управления и обслуживания ОМС (Operation & Maintenance Center) собирает и обрабатывает информацию о работе всех функциональных узлов сети, организует профилактические и ремонтные работы. Центр управления сетью NMC (Network Management Center) решает общие задачи развития, планирования и управления сетью. Административный центр ADС (Administration Center) по сути дела представляет директорат компании со всеми коммерческими и техническими подразделениями.

Взаимодействие между функциональными элементами сети (см. рис. 1) осуществляют на основе протоколов, определенных спецификациями GSМ. Протоколы составляют программную часть интерфейсов GSМ, обязательных для любой конфигурации сети. Физические соединения выполняют в виде кабельных (металлических или волоконно-оптических) линий. На участках ВSС<=>МSСи ВSС<=>ВТS используют многоканальную стандартную систему передачи информации ИКМ-30 (Е1), реализованную с помощью кабельных или радиорелейных линий связи.

2. Общие характеристики и организация применения каналов

в сети стандарта GSM

ОРГАНИЗАЦИЯ ФИЗИЧЕСКИХ И ЛОГИЧЕСКИХ КАНАЛОВ

В СТАНДАРТЕ GSM

С технической точки зрения GSМ - цифровая система подвижной радиосвязи с частотно-временным разделением каналов и частотным дуплексом. Все информационные сигналы, включая речевой телефонный сигнал, передают по радиоканалам связи в цифровом виде, т.е. в виде потока целых чисел в двоичной системе счисления.

Физический радиоканал в GSМ определяют 2 параметра: частота f_i и номер временного интервала ТS (time-slot number). Передаваемую по радиоканалу информацию размещают в информационных пачках (burst).

Каждый частотный канал в GSМ занимает полосу 200 кГц. Для системы GSМ-900 выделено 124 дуплексных частотных канала в диапазонах 890 - 915 МГц (передача МS=>ВТS) и 935-960 МГц (передача ВТS=>МS), а для системы GSМ-1800 374 частотных канала в диапазонах 1710 - 1785 МГц (передача МS=>ВТS) и 1805 - 1880 МГц (передача ВТS=>МS). Недостаток каналов для обслуживания пользователей наиболее распространенной системы GSМ-900 заставил увеличить полосу частот отводимую GSМ в этом диапазоне, на 2-10 МГц. Появился расширенный вариант Е-GSМ (Extended GSM), где полоса частот 880 - 915 МГц выделена для передачи МSВ=>ТS, а полоса 925 - 960 МГц для передачи ВТS=>МS. Кроме того, для развертывания сетей GSМ на железнодорожном транспорте разработан стандарт GSМ-R, использующий полосы 876 - 880 МГц (МS=>ВТS) и 921 - 925 МГц (ВТS=>МS). На американском континенте из-за смещенного регламента частот вместо GSМ-1800 развертывают сети GSМ-1900: 1850 - 1910 и 1930 - 1990 МГц. В табл. 1 приведены основные параметры стандартов GSM.

Таблица 1. Основные параметры стандартов GSM

Наименование стандарта	Частотный диапазон в направлении BTS=>MS, МГц	Частотный диапазон в направлении MS =>BTS, МГц	Ширина спектра частот одного частотного канала, КГц	Количество частотных каналов
GSМ-900	935-960	890 - 915	200	124
GSМ-R	921 - 925	876 - 880	200	19
E-GSМ-900	925 - 960	880 - 915	200	174
GSМ-1800	1805 - 1880	1710 - 1785	200	374
GSМ-1900	1930 - 1990	1850 - 1910	200	374

Сети GSM функционируют параллельно с существующими европейскими национальными сетями аналоговых ССПС стандартов NMT-900, TACS, ETACS. Частотные планы СПСС, включая стандарт GSM, показаны на рис. 4. Каждая из полос, выделенных для сетей GSM, разделяется на частотные каналы. Разнос каналов составляет 200 кГц, что позволяет организовать в сетях GSM 124 частотных канала.

Одна из особенностей формирования сигналов в стандарте GSM - использование медленных скачков по частоте в процессе сеанса связи. Главное назначение таких скачков (SFH - Slow Frequency Hopping) - обеспечение частотного разнесения в радиоканалах, функционирующих в условиях многолучевого распространения радиоволн. SFH используется во всех подвижных сетях, что повышает эффективность кодирования и перемежения при медленном движении абонентских станций. Принцип формирования медленных скачков по частоте состоит в том, что сообщение, передаваемое в выделенном абоненту временном интервале TDMA кадра (577 мкс), в каждом последующем кадре передается (принимается) на новой фиксированной частоте. В соответствии со структурой кадров время для перестройки частоты составляет около 1 мс.

Впроцессе скачков по частоте постоянно сохраняется дуплексный разнос 45 МГц между каналами приема и передачи. Всем активным абонентам, находящимся в одной соте, ставятся в соответствие ортогональные формирующие последовательности, что исключает взаимные помехи при приеме сообщений абонентами в соте. Параметры последовательности переключения частот (частотно-временная матрица и начальная частота) назначаются каждой подвижной станции в процессе установления канала. Ортогональность последовательностей переключения частот в соте обеспечивается начальным частотным сдвигом одной и той же (по алгоритму формирования) последовательности. В смежных сотах используются различные формирующие последовательности.

Частоты, выделенные для передачи сообщений подвижной станцией на базовую и в обратном направлении, группируются парами, организуя дуплексный канал с разносом 45 МГц. Эти пары частот сохраняются и при перескоках частоты. Каждая сота характеризуется фиксированным присвоением определенного количества пар частот.

Если обозначить Fi (n) - номер несущей частоты в полосе 890-915 МГц, Fu (n) - номер несущей частоты в полосе 935-960 МГц, то частоты каналов определяются по следующим формулам:

Fi (n) = 890,2 + 0,2 (n-1),

МГц; Fu (n) = Fi (n) + 45, МГц;

1< n <124.

Каждая частотная несущая содержит 8 физических каналов, размещенных в 8 временных окнах в пределах ТDМА кадра и в последовательности кадров.

Каждый физический канал использует одно и то же временное окно в каждом временном TDMA кадре. До формирования физического канала сообщения и данные, представленные в цифровой форме, группируются и объединяются в логические каналы двух типов:

– каналы связи - для передачи кодированной речи или данных (ТСН);

– каналы управления - для передачи сигналов управления и синхронизации (ССН). Более чем один тип логического канала может быть размещен на одном и том же физическом канале, но только при их соответствующей комбинации.

Структура TDMA кадров и формирование сигналов в стандарте GSM

    В результате анализа различных вариантов построения цифровых сотовых систем подвижной связи (ССПС) в стандарте GSM принят многостанционный доступ с временным разделением каналов (TDMA). Общая структура временных кадров показана на рис. 5.

a) 1 Гиперкадр = 2048 Суперкадрам = 2715648 TDMA кадрам

Т = 3ч 28мин 53с 760мс = 12533б,76 с

0

1

. . .

2046

2047

б) 1 Суперкадр = 1326 TDMA кадрам = 51 мультикадру

(по 26 кадров) или 26 мультикадрам (по 51 кадру), Т = 6,12с

0

1

2

3

. . .

47

48

49

50

0

1

. . .

24

25

 в)1 Мультикадр = 26 TDMA кадрам, Тм = 120мс

0

1

. . .

24

25

 г) 1 TDMA кадр = 8 временным позициям (окнам)Тм = 4,615мс

0

1

. . .

7

8

1 временной интервал(пакет) = 156,25 битам (15/26 = 0,577мс);

Длительность 1 бита = 48/13 = 3,69мс

Рис. 5. Общая структура временных кадров

Основной временной характеристикой стандарта GSМ является кадр. Кадр состоит и 8 ТS (временных интервалов), где и размещают информационные пачки (burst) (рис. 5 г). Длина кадра составляет 60/13 ≈ 4,615 мс, длина одного Т5 0,577 мс. Всего в одном частотном канале можно разместить 8 пользовательских полноскоростных каналов, по одному в каждом Т5.

В логических канала кадры объединяются в гиперкадры (см. рис. 5 а), суперкадры (см. рис. 5 б) и мультикадры (см. рис. 5 в).

Длина периода последовательности в гиперкадра равна Тг = 3 ч 28 мин 53 с 760 мс (12533,76 с). Гиперкадр делится на 2048 суперкадров, каждый из которых имеет длительность Тс = 12533,76/2048 = 6,12 с.

Суперкадр состоит из мультикадров. Для организации различных каналов связи и управления в стандарте GSM используются два вида мультикадров:

1) 26-позиционные TDMA кадры мультикадра;

2) 51-позиционные TDMA кадры мультикадра.

Суперкадр может содержать в себе 51 мультикадр первого типа или 26 миультикадров второго типа. Длительности мультикадров соответственно:

1) Тм = 6120/51 = 120 мс;

2) Тм = 6120/26 = 235,385 мс (3060/13 мс).

Длительность каждого TDMA кадра Тк = 120/26 = 235,385/51 = 4,615 мс (60/13 мс).

В периоде последовательности каждый TDMA кадр имеет свой порядковый номер (NF) от 0 до NFmax, где NFmax =(26х51х2048)-1 = 2715647.

Таким образом, гиперкадр состоит из 2715647 TDMA кадров. Необходимость такого большого периода гиперкадра объясняется требованиями применяемого процесса криптографической защиты, в котором номер кадра NF используется как входной параметр.

TDMA кадр делится на восемь временных позиций с периодом То = 60/13:8 = 576,9 мкс (15/26 мс).

Каждая временная позиция обозначается TN с номером от 0 до 7. Физический смысл временных позиций, которые иначе называются окнами: время, в течение которого осуществляется модуляция несущей цифровым информационным потоком, соответствующим речевому сообщению или данным.

Цифровой информационный поток представляет собой последовательность пакетов, размещаемых в этих временных интервалах (окнах). Пакеты формируются немного короче, чем интервалы, их длительность составляет 0,546 мс, что необходимо для приема сообщения при наличии временной дисперсии в канале распространения.

Информационное сообщение передается по радиоканалу со скоростью  270,833 кбит/с. Это означает, что временной интервал TDMA кадра содержит 156,25 бит. Длительность одного информационного бита 576,9 мкс/156,25 = 3,69 мкс.

Каждый временной интервал, соответствующий длительности бита, обозначается BN с номером от 0 до 155; последнему интервалу длительностью 1/4 бита присвоен номер 156.

Для передачи информации по каналам связи и управления, подстройки несущих частот, обеспечения временной синхронизации и доступа к каналу связи в структуре TDMA кадра используются пять видов временных интервалов (окон) (табл. 3).

Таблица 3. Виды временных окон

1	NB (Normal Burst)	Нормальный временной интервал
2	FB (Frequency Correction Burst)	Временной интервал подстройки частоты
3	SB (Synchronization Burst)	Интервал временной синхронизации
4	DB (Dummy Burst)	Установочный интервал
5	AB (Access Burst)	Интервал доступа

Трафик и большую часть сигнальных сообщений передают нормальными пачками. NB (рис. 6 а) используется для передачи информации по каналам связи и управления, за исключением канала доступа RACH. Окно содержит 148 бит при длительности одного бита 3,69 мкс. Оно состоит из 114 бит зашифрованного сообщения и включает защитный интервал (GP) содержащий 8,25 бит длительностью 30,46 мкс.

а) Структура NB(DB)

ТВ 3 бита	Зашифрован- ные биты 57	1	Обучающая послед. 26	1	Зашифрован- ные биты 57	ТВ 3 бита	GP 8,25
б) Структура FB

ТВ 3 бита	Нулевые биты 142	ТВ 3 бита	GP 8,25
в) Структура SB

ТВ 3 бита	Зашифрованные биты 39	Синхропоследо- вательность 41	Зашифрованные биты 39	ТВ 3 бита	GP 8,25
г) Структура AB

ТВ 8 бит

Синхропоследо- вательность 41

Зашифрованные биты 36

ТВ 3 бита

GP 8,25

1 временной интервал= 156,25 битам (15/26 = 0,577мс);

Длительность 1 бита = 48/13 = 3,69мс

ТВ - Tail Bits - концевая комбинация

GB - Guard Period - защитный интервал

   

Рис. 6. Общая структура временных окон

Окно содержит 114 закодированных информационных бит, 26 бит обучающей последовательности и по 3 «хвостовых» бита (TB) в начале и в конце окна. За время передачи хвостовых бит происходит ступенчатое нарастание и спад мощности передатчика, что снижает внеполосные излучения.

Информационный блок 114 бит разбит на два самостоятельных блока по 57 бит, разделенных между собой обучающей последовательностью в 26 бит, которая используется для установки эквалайзера в приемнике в соответствии с характеристиками канала связи в данный момент времени (зондирующий сигнал/ обучающая последовательность, необходим для работы адаптивного эквалайзера в приемнике).

В состав NB включены два контрольных бита (Steeling Flag), которые служат признаком того, содержит ли передаваемая группа речевую информацию или информацию сигнализации. В последнем случае информационный канал (Traffic Channel) "украден" для обеспечения сигнализации.

Между двумя группами зашифрованных бит в составе NB находится обучающая последовательность из 26 бит, известная в приемнике.

С помощью этой последовательности обеспечивается:

• оценка частоты появления ошибок в двоичных разрядах по результатам сравнения принятой и эталонной последовательностей. В процессе сравнения вычисляется параметр RXQUAL, принятый для оценки качества связи. Конечно, речь идет только об оценке связи, а не о точных измерениях, так как проверяется только часть передаваемой информации. Параметр RXQUAL используется при вхождении в связь, при выполнении процедуры "эстафетной передачи" (Handover) и при оценке зоны покрытия радиосвязью;

• оценка импульсной характеристики радиоканала на интервале передачи NB для последующей коррекции тракта приема сигнала за счет использования адаптивного эквалайзера в тракте приема;

• определение задержек распространения сигнала между базовой и подвижной станциями для оценки дальности связи. Эта информация необходима для того, чтобы пакеты данных от разных подвижных станций не накладывались при приеме на базовой станции. Поэтому удаленные на большее расстояние подвижные станции должны передавать свои пакеты раньше станций, находящихся в непосредственной близости от базовой станции.

В конце каждой пачки предусмотрен защитный интервал GB, длительность которого равна длительности 8,25 бит, что устраняет перекрытие пачек, передаваемых в соседних окнах.

    FB предназначен для синхронизации по частоте подвижной станции. Все 142 бита в этом временном интервале - нулевые, что соответствует немодулированной несущей со сдвигом 1625/24 кГц выше номинального значения частоты несущей. Это необходимо для проверки работы своего передатчика и приемника при небольшом частотном разносе каналов (200 кГц), что составляет около 0,022% от номинального значения полосы частот 900 МГц. FB содержит защитный интервал 8,25 бит так же, как и нормальный временной интервал. Повторяющиеся временные интервалы подстройки частоты (FB) образуют канал установки частоты (FCCH).

    SB используется для синхронизации по времени базовой и подвижной станций. Он состоит из синхропоследовательности длительностью 64 бита, несет информацию о номере TDMA кадра и идентификационный код базовой станции. Этот интервал передается вместе с интервалом установки частоты. Повторяющиеся интервалы синхронизации образуют так называемый канал синхронизации (SCH).

    DB обеспечивает установление и тестирование канала связи. По своей структуре DB совпадает с NB и содержит установочную последовательность длиной 26 бит. В DB отсутствуют контрольные биты и не передается никакой информации. DB лишь информирует о том, что передатчик функционирует.

АВ обеспечивает разрешение доступа подвижной станции к новой базовой станции. АВ передается подвижной станцией при запросе канала сигнализации. Это первый передаваемый подвижной станцией пакет, следовательно, время прохождения сигнала еще не измерено. Поэтому пакет имеет специфическую структуру. Сначала передается концевая комбинация 8 бит, затем - последовательность синхронизации для базовой станции (41 бит), что позволяет базовой станции обеспечить правильный прием последующих 36 зашифрованных бит. Интервал содержит большой защитный интервал (68,25 бит, длительностью 252 мкс), что обеспечивает (независимо от времени прохождения сигнала) достаточное временное разнесение от пакетов других подвижных станций. Этот защитный интервал соответствует двойному значению наибольшей возможной задержки сигнала в рамках одной соты и тем самым устанавливает максимально допустимые размеры соты. Особенность стандарта GSM - возможность обеспечения связью подвижных абонентов в сотах с радиусом около 35 км. Время распространения радиосигнала в прямом и обратном направлениях составляет при этом 233,3 мкс.