8. Общие характеристики стандарта gsm. Растягивание задержки сигнала. Замирания Релея. Эффект Доплера. Структурная схема и состав оборудования сетей gsm.

Общие характеристики стандарта GSM.

GSM - цифровая система подвижной радиосвязи с частотно-временным разделением каналов. В стандарте gsm используется многополосный дистанционный доступ со временным разделением каналов. В структуре кадра содержится 8 временных позиций на каждый из 124 несущих частот. 

Для защиты радиоканала при передачи голосового сообщения применяется блочное кодирование. Повышение прочности кодирования при малой скорости перемещения мобильной станции достигается переключением несущих частот в процессе сеанса связи со скоростью 217 переключений в секунду.

Для борьбы с интерференционными замираниями принимаемых сигналов в стандарте используется эквалайзеры. Системная синхронизация рассчитана на компенсацию абсолютного времени задержки сигналов до 233 мкс, что соответствует максимальной дальности связи или максимальному радиусу ячейки (соты) 35 км.

В стандарте GSM выбрана гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). 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. Общая скорость преобразования речево, о сигнала - 13 кбит/с.

В стандарте GSM достигается высокая степень безопасности передачи сообщений; осуществляется шифрование сообщений по алгоритму шифрования с открытым ключом (RSA).

Важное явление, которое стоит учитывать при создании беспроводных систем – это отражение радиоволн и их многолучевое распространение. С одной стороны это явление полезно, т.к позволяет радиоволнам огибать препятствия, но с другой стороны многолучевое распространение порождает такие трудные для радиосвязи проблемы как растягивание задержки сигнала, замирания Релея и усугубляет эффект Допплера.  

Растягивание задержки сигнала.

Получается из-за того, что сигнал, проходящий по нескольким независимым путям разной протяженности принимается несколько раз, поэтому повторяющийся импульс может выйти за пределы отведенного ему интервала времени и исказить следующий сигнал. Искажения, возникающие из-за растягивания заданного сигнала – называются межсимвольной интерференцией. Чем больше расстояние от мобильной станции до базовой, тем больше вероятность межсимвольной интерференции.

Замирания Релея.

Вызывается случайными фазами, с которыми поступают отраженные сигналы. Если прямой и отраженный сигналы принимаются в противофазе, то суммарный сигнал может быть ослаблен почти до нуля. Замирания Релея для данного передатчика и заданной частоты представляет собой нечто вроде амплитудных провалов, имеющих разную глубину и распределенных случайным образом. Чтобы избежать замираний нужно просто передвинуть антенну. При движении мобильного устройства в транспортном средстве такие замирания происходят ежесекундно тысячами.

Эффект Доплера.

Появляется при движении приемника относительно передатчика и состоит в изменении частоты передаваемого сигнала. Частота при неподвижном наблюдателе кажется несколько выше при приближении, и несколько ниже при удалении. В результате за счет эффекта Доплера получается случайная частотная модуляция передаваемого сигнала подобное тому, как за счет замирания Релея происходит случайная амплитудная модуляция. Таким образом многолучевое распространение сигнала создает очень большие трудности в организации беспроводной сети, преодолеть которые удалось с помощью цифровой техники, новых методов кодирования, модуляции, и выравнивая характеристик каналов.

Структурная схема и состав оборудования GSM.

Функциональное построение и интерфейсы, принятые в стандарте GSM, иллюстрируются структурной схемой рис. 1, на которой MSC (Mobile Switching Centre) - центр коммутации подвижной связи; BSS (Base Station System) - оборудование базовой станции; ОМС (Operations and Maintenance Centre) - центр управления и обслуживания; MS (Mobile Stations) - подвижные станции.

Функциональное сопряжение элементов системы осуществляется рядом интерфейсов. Все сетевые функциональные компоненты в стандарте GSM взаимодействуют в соответствии с системой сигнализации МККТТ SS N 7 (CCITT SS. N 7).

Центр коммутации подвижной связи обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается в процессе работы подвижная станция. MSC аналогичен ISDN коммутационной станции и представляет собой интерфейс между фиксированными сетями (PSTN, PDN, ISDN и т.д.) и сетью подвижной связи. Он обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами. Кроме выполнения функций обычной ISDN коммутационной станции, на MSC возлагаются функции коммутации радиоканалов. К ним относятся "эстафетная передача", в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении подвижной станции из соты в соту, и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностях.

Состав оборудования GSM.

Состав оборудования GSM.

Мобильная станция состоит из двух частей: мобильного оборудования и модуля идентификации абонента SIM (subcrabed identity module), который получатся при заключении контракта с оператором. В сим карте содержится информация о сервисах, представляемых абоненту независимых от типа используемого мобильного оборудования. Сим-карта может быть защищена от неавторизированного доступа с помощью системы паролей. Сим-карта может вставляться в любое мобильное оборудование при этом абонент получает возможность использовать это оборудование для получения всех сервисов системы, на которые он подписан.

Мобильное оборудование уникально идентифицируется международным идентификатором мобильного оборудования имеет (IMSI), который может передаваться в сети GSM по ее запросу. Сим карта содержит международный идентификатор мобильного абонента IMSI, которые используется для идентификации абонента системы. Также содержит секретный ключ авторизации доступа и другую информацию. Идентификаторы IMEI и IMSI независимы между собой.

BSS подсистема базовой станции. Состоит из нескольких контроллеров базовой станции, а также множества трансиверов базовых станций. Контроллер и трансиверы общаются между собой через интерфейс A-BIS, что позволяет взаимодействовать компонентам системы, произведенным разными производителями. Трансивер BTS состоит из радио трансиверов (определяющих размеры ячейки) и управляющих протоколами обмена сообщениями с мобильной станции. Основными требованиями трансивера базовых станций является: портативность, низкая стоимость, и надежность. Контроллер базовой станции управляет ресурсами одного или нескольких трансиверов  он контролирует установление радиоканала, процесс смены канала, частот, ячейки, кроме того контроллер базовых станций управляет уровнями мощности передатчиков трансиверов базовых станций и мобильных станций. В его полномочия также входят управления очередности соединение. Скорость передачи, распределения радиоканалов.

В приведённой схеме условно можно выделить четыре основных компонента - центр управления и обслуживания (ЦУО) (иначе operations and maintenance center- OMC) и три подсистемы:

подсистема мобильных станций ПМС (mobile station subsystem - MSS);

подсистема базовых станций ПБС (base station subsystem - BSS);

подсистема коммутации ПК (switching subsystem SSS), -функциональное сопряжение которых описывается рядом интерфейсов.

Подсистема сетей и коммутаций (SSS). Основным элементом являет центр коммутации и управления, который контролирует  определенную географическую зону с расположенными на ней контроллерами базовых станций. Центр коммутации и управления занимается маршрутизацией

вызовов, управления вызовами, эстафетной передачи обслуживания, при перемещении мобильной станции из одной соты (BSS) в другую. 

Формирования данных для билингвой системы и тд. Центр коммутации и управления постоянно следит за местоположения мобильной станции используя данные из HLR и VLR, что необходимо для быстрого нахождения и установления соединения с мобильной станцией в случае ее вызова. Регистрация местоположения мобильных станций необходима для обеспечения доставки вызова, перемещающимся мобильным станциям. Процедура передачи вызовов позволяет не терять соединения во время разговора. Когда мобильная станция перемещается от одного трансивера к другому, от одной базовой станции к другой и от одной графической области к другой. Центр коммутации управления функционирует как обычный узел коммутации сетей. Но с добавлением функций ISDM, необходимых для управления мобильностью абонента, таких как регистрация абонента, авторизация. Процедура смены местонахождения, смены канала и маршрутизация вызова. Центр коммутации управления предоставляет возможность подключения к фиксированным сетям.

Реестр местоположения абонентов представляет собой базу данных обо всех абонентах, заключивших контракт с выбранной сетью контракт. Здесь содержится все административная информация. Информация о предоставляемых данному абоненту услугах информации о его текущем местонахождении, необходимых в случае его вызова. К данным этого реестра HLR имею доступ все центр коммутации управления данных GSM сети , а в случае межсетевого роуминга центры коммутации управления других сетей(VLR).

Гостевой реестр местоположения(VLR). Содержит административную информацию об абонентах, находящихся в географической области контролируемой данным центром коммутации управления. Эта информация необходима для управления вызова и предоставления абоненту нужных сервисов. Хотя каждая функциональная часть центра коммутации и управления  может быть реализована как независимая единица, все производители оборудования для сетей GSM реализовывает реестр VLR  как часть центра управления коммутации. Как только чужой пользователь покидает зону действий какого-то центра коммутации управления информация о нем копируется в новый VLR, а из старого удаляется. 

Для защиты и аутентификации используются два устройства: регистр идентификации оборудования (EIR — Equipment Identity Register) и центр аутентификации (AUC — Authentication Center). Регистр идентификации оборудования — база данных, которая содержит список всей допустимой к обслуживанию подвижной аппаратуры на сети, где каждая мобильная станция идентифицирована ее международным опознавательным кодом мобильного оборудования (IMEI). IMEI может быть маркирован как запрещенный к обслуживанию, если станция украдена или такого типа, который не обслуживается. Центр аутентификации — защищенная база данных, которая накапливает копии ключей засекречивания, хранящихся в SIM-карте каждого абонента, и используется для аутентификации абонента и его оборудования, а также и шифрования для передачи по радиоканалу. EIR — регистр идентификации оборудования, содержит централизованную базу данных для подтверждения подлинности международного идентификационного номера оборудования подвижной станции (IMEI):

БЕЛЫЙ СПИСОК содержит номера IMEI, о которых есть сведения, что они закреплены за санкционированными подвижными станциями. Терминалу позволяют соединиться с сетью.

ЧЕРНЫЙ СПИСОК содержит номера IMEI подвижных станций, которые украдены, имеют некорректный тип мобильной станции для сети GSM или им отказано в обслуживании по другой причине. Терминалу не позволяют соединиться с сетью.

СЕРЫЙ СПИСОК содержит номера IMEI подвижных станций, у которых существуют проблемы, выявленные по данным программного обеспечения, но не являющиеся основанием для внесения в "черный список". Терминал находится под наблюдением сети ввиду возможных проблем.

Оборудование эксплуатации и технического обслуживания

ОМС (Operations and Maintenance Center) — центр эксплуатации и технического обслуживания, является центральным элементом сети GSM, который обеспечивает контроль и управление другими компонентами сети, а также контроль качества ее работы. ОМС соединяется с другими компонентами сети GSM по каналам пакетной передачи протокола Х.25. Он обеспечивает функции обработки аварийных сигналов, предназначенных для оповещения обслуживающего персонала, и регистрирует сведения об аварийных ситуациях в других компонентах сети. В зависимости от характера неисправности ОМС позволяет обеспечить ее устранение автоматически или при активном вмешательстве персонала. Центр может провести проверку состояния оборудования сети и прохождения вызова подвижной станции. Функция эффективного управления включает сбор статистических данных о нагрузке от компонентов сети GSM, запись их в дисковые файлы и вывод на дисплей для визуального анализа. ОМС обеспечивает управление изменениями программного обеспечения и базами данных о конфигурации элементов сети. Загрузка программного обеспечения в память может производиться из ОМС в другие элементы сети или из них в ОМС.