19. Технологии построения сотовых сетей на основе стандарта gsm

Стандарт GSM – результат фундаментальных исследований ведущих научных и инженерных центров Европы. Разработанные в GSM системные и технические решения могут служить примером аналогичных решений во всех цифровых ССПС.

Разрабатываемая система должна была удовлетворять следующим критериям: высокое качество передачи речевой информации; низкая стоимость оборудования и предоставляемых услуг; возможность поддержки портативного оборудования пользователя; поддержка ряда новых услуг и оборудования; спектральная эффективность; совместимость с ISDN, поддержка международного роуминга.

GSM– Global System for Mobile communications.

Разработчики GSM выбрали новую для того времени цифровую систему, противопоставив ее стандартизованным аналоговым системам сотовой мобильной связи, таким, как AMPS, NMT, TAСS.

Основные службы – это организация синхронных и асинхронных каналов передачи данных на скоростях от 300 до 14000 бит/с. При передаче данных со скоростью 9.6 кбит/с и 14.4 кбит/с (с отключенным помехоустойчивым кодированием) всегда используется канал связи с полной скоростью передачи. В случае передачи на скоростях ниже 9,6 кбит/с могут использоваться полускоростные каналы связи.

Основным телесервисом GSM является телефония, т. е. передача речи, включая тональную сигнализацию в полосе частот речи. Так как GSM является цифровой системой передачи данных, речь кодируется и передается в виде цифрового потока. Возможна передача факсимильных сообщений, реализуемых при использовании соответствующего адаптера для факс-аппарата.

К дополнительной услуге передачи данных относится и новый вид служб, используемый в GSM – служба передача коротких сообщений (SMS – Short message service).

Основная часть дополнительных сервисов не является специфичной для сотовой сети и в значительной степени аналогична услугам сетей ISDN (например, перенаправление вызова в случае недоступности подвижного абонента, идентификация вызова, постановка вызова в очередь, переговоры сразу нескольких абонентов и др.). Однако в связи с тем, что сеть ISDN так и не стала массовой глобальной ТКС, а GSM фактически таковой уже является (в глазах сотен миллионов подвижных абонентов), то именно GSM является в настоящее время «проповедником» многих удобных дополнительных услуг, отлично сочетающихся с особенностями мобильной связи. В части дополнительных услуг сети GSM намного превосходят обычные ТФОП.

Типовая структура и состав сети GSM

Центр коммутации подвижной связи MSC обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений между подвижными и стационарными пользователями. MSC аналогичен коммутационной станции ISDN, но включает дополнительный интерфейс между фиксированными сетями (PSTN, PDN, ISDN и т.д.) и сетью подвижной радиосвязи. Он обеспечивает:

1. маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами;

2. функции коммутации радиоканалов;

3. постоянное “слежение” за подвижными станциями.

В составе подсистемы коммутации SSS обычно вместе с MSC (со стороны BSS) находится транскодер TCE, который обеспечивает прямое и обратное преобразование ОЦК 64 кбит/c в сжатый речевой сигнал 13 кбит/с, передаваемый по радиоканалу.

В HLR хранится информации о местоположении какой-либо подвижной станции, которая позволяет центру коммутации доставить вызов станции. Регистр HLR содержит международный идентификационный номер подвижного абонента (IMSI). Он используется для опознавания подвижной станции в центре аутентификации (AUC).

Второе основное устройство, обеспечивающее контроль за передвижением подвижной станции из зоны в зону, – регистр перемещения VLR. С его помощью достигается функционирование подвижной станции за пределами зоны, контролируемой HLR. Когда в процессе перемещения подвижная станция переходит из зоны действия одного контроллера базовой станции BSC в зону действия другого, она регистрируется новым BSC, и в VLR заносится информация о номере области связи, которая обеспечит доставку вызовов подвижной станции.

Для исключения несанкционированного использования ресурсов системы связи вводятся механизмы аутентификации – удостоверения подлинности абонента.

Центр аутентификации состоит из нескольких блоков и формирует ключи и алгоритмы аутентификации.

Основное оборудование базовой станции состоит из контроллера базовой станции (BSC) и приемопередающих базовых станций (BTS).

Контроллер базовой станции может управлять несколькими приемопередающими блоками. Выполняет ряд функций: освобождение канала, но при этом MSC может запросить базовую станцию, обеспечить освобождение канала, если вызов не приходит из-за радиопомех. BSS и MSC совместно осуществляют приоритетную передачу информации для некоторых категорий подвижных станций.

Центр управления и обслуживания (OMC) обеспечивает распределение функций и организацию взаимодействия между BSS и MSC.

Функциональное сопряжение элементов сети GSM осуществляется через стандартные интерфейсы, ряд из которых напоминает по своим однобуквенным обозначениям контрольные точки ISDN.

В стандарте GSM предусмотрены интерфейсы трех видов:

– для соединения с внешними сетями;

– между различным оборудованием сетей GSM;

– между сетью GSM и внешним оборудованием.

Интерфейсы с внешними сетями.

Соединение с PSTN. Соединение с ТФОП осуществляется MSC по линии связи 2 Мбит/с в соответствии с системой сигнализации SS №7.

Соединения с ISDN. Для соединения MSC с сетями ISDN предусматриваются четыре линии связи 2 Мбит/с в соответствии с системой сигнализации SS №7.

Соединение с ССПС стандарта NMT-450. Центр коммутации GSM соединяется с сетью NMT-450 через четыре стандартные линии связи 2 Мбит/с и систему сигнализации SS №7.

Соединения с международными сетями GSM. Эти соединения должны осуществляться на основе протоколов систем сигнализации (SCCP) и межсетевой коммутации подвижной связи (GMSC).

Внутренние GSM-интерфейсы.

Интерфейс между MSC и BSS (A-интерфейс) обеспечивает передачу сообщений для управления BSS. A-интерфейс объединяет каналы связи и линии сигнализации (SS №7).

Интерфейс между MSC и НLR совмещен с VLR (B-интерфейс).

Интерфейс между MSC и HLR (С-интерфейс).

Интерфейс между HLR и VLR (D-интерфейс). Используется для обмена данными о положении МС и управления процессом связи.

Интерфейс между MSC (E-интерфейс). Обеспечивает взаимодействие между разными MSC при осуществлении процедуры "передачи" абонента из зоны действия одного центра коммутации в зону действия другого при его движении в процессе сеанса связи без ее перерыва.

Интерфейс между BSC и BTS. Служит для связи BSC с BTS. Передача осуществляется цифровыми потоками со скоростями 2,048 Мбит/с.

Интерфейс между BSC и OMC (O-интерфейс). Используется в сетях с пакетной коммутацией.

Внутренний BSC-интерфейс контроллера базовой станции обеспечивает связь между различным оборудованием BSC и оборудованием транскодирования (TCE).

Интерфейс между MS и BSS (Um - радио интерфейс).

Сетевой интерфейс между OMC и сетью. Так называемый управляющий интерфейс между OMC и элементами сети является аналогом интерфейса Q.3. Соединения сети с OMC могут обеспечиваться системой сигнализации SS N7 или сетевым протоколом Х.25.

Интерфейсы между сетью GSM и внешним оборудованием.

Интерфейс между MSC и сервис центром (SC). Необходим для реализации службы сообщений.

Интерфейс к другим OMC. Каждый центр управления и обслуживания сети должен соединяться с другими OMC, управляющими другими сетями. Эти соединения обеспечиваются X-интерфейсами. Для взаимодействия OMC с сетями высших уровней используется интерфейс Q.3.

В режиме передачи данных взаимодействие МС с БС осуществляется через соответствующее терминальное оборудование и адаптеры.

Оконечное оборудование МТ обеспечивает функции, связанные с управлением радиоинтерфейсом. Эти функции включают: радиопередачу и прием, управление радиоканалами, защиту от ошибок в радиоканале, координирование кодирование-декодирование речи... В основном перечисленные выше функции соответствуют функциям физического уровня ЭМВОС.

Сетевой уровень GSM представлен тремя подуровнями:

Radio Resources management (RR) управляет установлением, сопровождением, и завершением соединений по радиоканалам, включая передачу обслуживания, управление мощностью, прерывистой передачей и приемом;

Mobility Management (MM) управляет ведением данных по местонахождению, роумингом и процедурами регистрации, а также безопасностью, включая идентификацию и аутентификацию;

Connection Management (CM) осуществляет общее управление телетрафиком, подобное Рекомендации 931 МККТТ, и управляет дополнительными услугами (Supplementary Services) и системой передачи коротких сообщений SMS.

Уровни управления СМ, ММ и большая часть RR сообщений являются прозрачными для BTS и BSC, и их содержание полностью копируется в информационных полях пакетов Um, A-bis и A интерфейсов.

Отличительные характеристики радиоинтерфейса GSM.

Стандарт GSM предусматривает работу передатчиков МС в диапазоне частот 890..915 МГц, а передатчиков БС в диапазоне 935..960 МГц. Таким образом, между диапазонами приема и передачи предусмотрен постоянный разнос 45 МГц. Каждый из указанных поддиапазонов разбит на 124 частотных канала с шагом 200 КГц.

В стандарте GSM используется узкополосный многостанционный доступ с временным разделением каналов (TDMA). В структуре TDMA-кадра содержится 8 временных позиций (слотов) для передачи физических (информационных) каналов. С учетом наличия 124 несущих общая канальная емкость стандарта равна 992 канала. Передача и прием в МС ведется со сдвигом на три слота, что соответствует реализации временного дуплекса (TDD) в дополнение к указанному выше частотному дуплексу (FDD).

Для защиты от ошибок в радиоканалах при передаче информационных сообщений применяется блочное и сверточное кодирование с перемежением. Для борьбы с явлением многолучевости распространения радиоволн в условиях города в процессе сеанса связи применяются медленная программная перестройка рабочих частот (SFH) со скоростью 217 скачков в секунду, а также эквалайзеры, обеспечивающие выравнивание импульсных сигналов со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16 мкс.

Система синхронизации обеспечивает компенсацию абсолютного времени задержки сигналов до 233 мкс, что соответствует максимальной дальности связи (радиусу ячейки) 35 км. Увеличение дальности связи приводит к необходимости увеличения защитных промежутков между временными окнами в TDMA-кадре и как следствие к уменьшению их числа при сохранении общей скорости передачи по частотному каналу.

В стандарте GSM выбрана гауссовская манипуляция с минимальным сдвигом (GMSK); индекс манипуляции – 0,3.

Обработка речи осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи (DTX), которая обеспечивает включение передатчика только при наличии речевого сигнала и отключение передатчика в паузах и в конце разговора.

В качестве речепреобразующего устройства выбран речевой кодек с регулярным импульсным возбуждением/долговременным предсказанием и линейным предикативным кодированием с предсказанием (RPE/LTP-LPC-кодек). Кодируемые сегменты речи имеют длительность 20 мс. Общая скорость преобразования речевого сигнала – 13 кбит/с.

В стандарте GSM обеспечивается высокая степень безопасности передачи сообщений за счет кодирования сообщений по алгоритму шифрования с открытым ключом (RSA).

Подводя итог описанию ССПС стандарта GSM, можно выделить следующие десять отличительных особенностей их построения:

1) построение сетей GSM на принципах ЦСИС, интеллектуальных сетей и ЭМВОС;

2) внедрение эффективных методов повторного использования частот;

3) применение временного разделения каналов связи (TDMA);

4) временное разделение приема и передачи пакетированных сообщений (TDD);

5) использование эффективных методов борьбы с многолучевостью, основанных на:

– частотном разнесении путем применения режима передачи с медленными скачками по частоте (SFH);

– временном разнесении путем использования эквалайзера (регистра с весовым сложением задержанных сигналов), адаптивно перестраиваемого в результате тестирования канала связи с помощью специальной псевдослучайной последовательности;

– пространственном разнесении путем использования нескольких приемных антенн (преимущественно на базовой станции);

6) использование эффективных методов борьбы с помехами за счет применения блочного и сверточного кодирования в сочетании с перемежением сигналов;

7) программное формирование логических каналов связи и управления;

8) использование спектрально-эффективного вида модуляции (GMSK);

9) использование высококачественных низкоскоростных речевых кодеков (RPE-LTP);

10) шифрование передаваемых сообщений методом открытого ключа (RSA), аутентификация абонентов и идентификация оборудования.