Специальные радиосистемы
Логин  Пароль   Регистрация   
На главную
магазин
объявления
радиорейтинг
радиостанции
радиоприемники
диапазоны частот
таблица частот
аэродромы
статьи
файлы
форум
поиск
Любительская радиостанция Yaesu VX-6R
Стандарт сотовой связи GSM
Добровольская Н.Ф., Абилова М.А.
Начало » Системы и стандарты радиосвязи » Системы сотовой связи
Разместил: Вебмастер 4.8


Начало развития мобильных систем

В 1973 году Северная группа мобильной телефонии (Nordic Mobile Telephone, NMT) пришла к заключению, что единственный способ достичь совместимости отдельных сетей стран Европы - это объединить их в единое целое.

Была поставлена цель добиться для мобильных систем такой же надежности функционирования, что и в обычных телефонных сетях. Особенно это касалось приёма и передачи цифровой информации, необходимой, в частности, для набора номера и учёта продолжительности связи.

Кроме того, требовалось создать мобильный телефон, максимально приближенный по использованию к обычному телефону. Чтобы разговор при перемещении автомобиля от одной базовой станции к другой не прерывался, в системе необходимо было предусмотретъ механизм так называемой "переброски" сигнала (hand-off). В спецификациях также указывалось, что вызывающая сторона не обязана знать, где в данный момент находится вызываемый абонент. Это требование привело к появлению процедуры, позже названной роумингом. Она позволяла связываться с абонентом по одному номеру, независимо от того, в какой из стран Европы он находится. Сами техногологии, сделавшие роуминг реальностью, появились несколько лет спустя.

В 1973 году была представлена первая структурная схема мобильной телефонной сети.

Мобильная станция (МС), расположенная в автомобиле или грузовике, соединяется по радиоканалу с ближайшей базовой станцией (БС). Базовая

станция, в свою очередь, по фиксированному (кабельному или радиорелейному)

каналу соединяется с мобильной телефонной станцией (МТС), названной мобильной не потому, что она движется, а потому, что работает с мобильными станциями. От МТС сигнал идет в обычную телефонную сеть. Отдельные МТС соединяются между собой по выделенным или коммутируемым каналам.

Коммутатор МТС и базовые станции определяются как мобильная телефонная "система", т.е. оборудование, на котором строится собственно сеть. С одной стороны, эта система стыкуется с мобильными телефонами, с другой- с традиционными телефонными сетями.

В основе эффективной работы сотовой системы лежит так называемый коммутационный интерфейс, т.е. система обмена данными между базовой и мобильной станциями.

В системах радиальной или радиально-зоновой УКВ-связи, представителями которой являются, в частности, системы "Алтай", "Волимот" и другие, максимальная дальность приема сообщений зависит не только от мощности передатчика и чувствительности приемника; она ограничена и условиями прямой видимости между их антеннами. В общем случае для таких систем устойчивая связь возможна, только когда отношение сигнал/шум составляет не менее 12-18 дБ. Иначе говоря, уровень сигнала должен на 12-18 дБ превышать фоновые помехи, которых в радиоэфире всегда предостаточно. Для передачи сообщений одного абонента при радиальной связи требуется один частотный канал, при этом разнос между соседними каналами должен составлять не менее 12,5 кГц. Много ли абонентов могло одновременно пользоваться такой связью, если учесть ограниченность выделеяемого частотного ресурса, рельеф местности, ограничения на габариты и мощность абонентских приемопередающих устройств?

В 70-е гг. был предложен принцип сотовой связи, основная идея которой - повторное использование частот в несмежных сотах. Уже только это позволило увеличить число обслуживаемых абонентов и повысить качество связи. Однако здесь разработчиков подстерегал ряд проблем. Первая - обеспечение непрерывности связи при перемещении абонентов из соты в соту (handover), вторая - определение местоположения абонента в сети. Успешное практическое решение этих задач, ставшее возможным только в 80-е гг., и определило лавинообразное развитие систем сотовой связи.

История GSM

В 1982 году CEPT (Conference of European Posts and Telegraphs) в целях изучения и разработки общеевропейской системы сотовой подвижной связи общего пользования создала рабочую группу, получившую название GSM (Groupe Special Mobile). 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(Integrated Services Digital Network);
• поддержка международного роуминга, т.е. возможности использования абонентом своего мобильного телефона при перемещении в другую сеть GSM.

В 1989 году дело создания GSM перешло к ETSI (European Telecommunication Standards Institute), а в 1990 году были опубликованы спецификации первой фазы GSM. К середине 1991 года стали поддерживаться коммерческие услуги GSM, а к 1993 году функционировало уже 36 сетей GSM в 22 странах, и еще 25 стран выбрали направление GSM или поставили вопрос о его принятии. Несмотря на то, что система GSM была стандартизована в Европе, на самом деле она не является исключительно европейским стандартом. Сети GSM внедрены, либо планируются к внедрению почти в 75 странах Европы, Ближнего и Дальнего Востока, Африки, Южной Америки и в Австралии. В начале 1994 года число абонентов GSM во всем мире достигло 1,3 миллиона человек. К началу 1995 года их насчитывалось уже более 5 миллионов. Абривиатура GSM приобрела новое значение - Global System for Mobile communications.

Создание сетей подвижной связи (Сотовых сетей) в России по существу находится на начальном этапе. В июле 1992 г. Министерством связи России было принято решение о широкомасштабном развертывании в стране сетей двух стандартов подвижной связи: одной - на основе аналогового стандарта NMT-450, наиболее активным проводником которого стала компания "Московская Сотовая Связь" (МСС), а другой - на базе цифрового стандарта GSM 900, продвигаемого компанией "Мобильные ТелеСистемы" (МТС).

Преимущество цифровых систем перед аналоговыми

Разработчики GSM выбрали неопробованную в то время цифровую систему, противопоставив ее стандартизованным аналоговым системам сотовой подвижной связи, таким как AMPS (Advanced Mobile Phone Service) в США и TACS (Total Access Communications System) в Великобритании. И они были правы. Сегодня на одном чипе размером с трехкопеечную монету размещается вся электроника цифровой станции. Аналоговые же устройства в принципе не могут быть так компактно упакованы, хотя бы потому, что здесь прием и передача должны выполняться одновременно, а для этого в приемопередатчиках необходимо иметь дуплексный фильтр и другие аналоговые электронные компоненты. В стандарте GSM для таких целей введено разделение по времени режимов приема и передачи пакетов сообщений, в результате чего в каждый момент работает только одно устройство, что позволяет использовать в трактах передачи и приема радиотелефонов общие функциональные элементы. На одной плате размещаются речевой кодер, схемы специального кодирования и декодирования, формирования временных кадров, а также шифрования/дешифрования и т. д.

Кроме того, вид модуляции, способы кодирования и преобразования сигналов в радиоканалах GSM обеспечивают прием сигналов с отношением сигнал/шум 9 дБ, в то время как в аналоговых системах тот же показатель равен 16-18 дБ. Поэтому передатчики базовых станций GSM, работающие на совпадающих частотах, могут размещаться в ближе расположенных сотах, что увеличивает коэффициент повторного использования частот и, в целом, - эффективность системы сотовой связи.

Услуги GSM

С самого начала разработчики GSM стремились обеспечить совместимость сетей GSM и ISDN по набору предлагаемых услуг. В соответствии с определениями ITU-T (International Telecommunication Union - Telecommunications Standardization Sector), сеть GSM может предоставлять следующие типы услуг:
• услуги по переносу информации (bearer services);
• услуги предоставления связи (teleservices);
• дополнительные услуги (supplementary services).
Когда в 1991 г. появились первые сети GSM, главное внимание уделялось обеспечению ими услуг речевой связи на достойном уровне по сравнению с существовавшими тогда аналоговыми сотовыми системами. Однако уже с самого начала технология GSM была способна предложить несколько новых видов услуг, которые незамедлительно привлекли внимание определенной категории пользователей. Наиболее существенными нововведениями стали возможности шифрования передаваемой информации и роуминга по всей Европе. Это означает что в отличие от фиксированных сетей, где абонентский терминал проводами подключен к центральному офису, абонент сети GSM может перемещаться в пределах национальной сети и за ее границами.Чтобы дозвониться до подвижного абонента, необходимо набрать номер, называемый номером подвижного абонента цифровой сети с интеграцией служб MSISDN (Mobile Subscriber ISDN). Такой номер содержит код страны и национальный код назначения, идентифицирующий оператора данного абонента. Первые несколько цифр номера идентифицируют опорный регистр местонахождения (HLR Home Location Register) абонента в его сети подвижной связи.

Входящий вызов подвижного абонента направляется для обработки шлюзом GMSC (Gateway MSC). GMSC в основном выполняет функции коммутатора, запрашивающего HLR абонента о получении необходимых данных и о маршрутизации, и поэтому содержит таблицу соединения номеров MSISDN с соответствующими им HLR. Номер роуминга подвижной станции MSRN (Mobile Station Roaming Number) полностью определяет маршрутизацию, относится к географическому плану нумерации и никак не связан с абонентами. В то же время в базовой области голосовой связи GSM предложила две группы дополнительных услуг: перенаправление и запрещение звонков.

Самым известным направлением деятельности GSM является телефония. Так как GSM по существу является цифровой системой передачи данных, речь кодируется и передается в виде цифрового потока. Еще одним примером предоставляемого сервиса является оказание экстренной помощи, когда ближайший поставщик такого рода услуги уведомляется при помощи набора трех цифр (например, 911). Кроме того, предоставляются разнообразные услуги передачи данных. Абоненты GSM могут осуществлять обмен информацией с абонентами ISDN, обычных телефонных сетей, сетей с коммутацией пакетов, и сетей связи с коммутацией каналов, используя различные методы и протоколы доступа, например, X.25 или X.32. Возможна передача факсимильных сообщений, реализуемых при использовании соответствующего адаптера для факс-аппарата. Уникальной возможностью GSM, которой не было в старых аналоговых системах, является двунаправленная передача коротких сообщений SMS (Short Message Service), (до 160 байт), передаваемых в режиме с промежуточным хранением данных. Адресату, являющемуся абонентом SMS, может быть послано сообщение, после которого отправителю посылается подтверждение о получении. Короткие сообщения можно использовать в режиме широковещания, например, для того, чтобы извещать абонентов об изменении условий дорожного движения в регионе.

Специфика диапазона частота GSM
Ширина полосы спектра для действующих в Европе сетей сотовой подвижной связи - 890-915 Мгц для восходящего звена (от подвижной станции к базовой) и 935-960 МГц для нисходящего звена (от базовой стации к подвижной). Разнос частот между каналами составляет 200 кГц. Однако в России в диапазоне частот GSM работают системы воздушной радионавигации, установленные на самолетах и аэродромах, причем на каждом аэродроме используется свой набор радиочастот, выполняющий роль своеобразного "паспорта". В результате на различных аэродромах заняты разные частоты этого диапазона. Для обеспечения электромагнитной совместимости средств GSM и воздушной радионавигации нашей компанией совместно с Минсвязи и ГКРЧ России в 1993-1994 гг. проведены дополнительные исследования, в результате которых разработаны и утверждены ГКРЧ России нормы частотно-территориального разноса указанных средств. Эти нормы используются в настоящее время для назначения рабочих частот сетей GSM в России.

Архитектура сети GSM

Область, накрываемая сетью GSM, разбита на соты шестиугольной формы. Диаметр каждой шестиугольной ячейки может быть разным - от 400 м до 50 км. Функции и интерфейсы элементов сети GSM описаны в рекомендациях ETSI. Система состоит из трех составных частей:

Подвижная станция

Помимо терминала подвижная станция MS (Mobile Station) содержит пластиковую карточку, которую называют модулем идентификации абонента SIM (Subscriber Identity Module), благодаря которой абонент работает с телефоном как с банкоматом, причем с помощью одной карточки можно звонить из разных аппаратов. После включения питания подвижная станция запрашивает PIN-код, трехкратный ошибочный набор которого приводит к полному отключению аппарата. До начала сеанса связи сеть через радиоканал проверяет "полномочия" подвижной станции с помощью процедуры аутентификации. Каждый терминал имеет уникальный международный идентификатор мобильного оборудования, SIM-карта содержит международный идентификатор мобильного абонента, секретный ключ для аутентификации,и другую информацию.

Подсистема базовых станций

BSS (Base Station Subsystem) тоже складывается из двух частей: из базовой приемопередающей станции BTS (Base Transceiver Station) и контроллера базовой станции BSC (Base Station Controller).Интерфейс Abis, связывающий эти части, позволяет оперировать компонентами, созданными различными производителями. Радиопокрытие BSS делится на территории - их принято называть - "соты", каждая покрывается одной BTS.

BTS управляет протоколами радиоканалов с MS. На крупной густонаселенной территории может располагаться много BTS, и поэтому к ним предъявляются очень строгие требования (четкость границ, надежность, переносимость и малая стоимость). BSC управляет радиоресурсами одного или нескольких BTS, контролирует предоставление радиоканала, регулировку частоты, управление перемещаемыми из ячейки в ячейку вызовами (хендоверами) и является связующим звеном между подвижной станцией и центром коммутации услуг подвижной связи MSC (Mobile services Switching Center).

Сетевая подсистема

Как уже было отмечено, основной компонент сетевой подсистемы - центр MSC. Он управляет подвижным абонентом: регистрирует, идентифицирует, обновляет информацию о местонахождении, осуществляет хендоверы, маршрутизирует вызовы при роуминге абонентов, а также обеспечивает соединение с фиксированными сетями. Перечисленные услуги обеспечиваются различными функциональными элементами HLR, VLR и др. (см. рис.1), доступ к которым возможен через сеть системы общеканальной сигнализации SS7 (Signalling System No. 7). Сеть SS7 является обязательным условием создания сети стандарта GSM.

Опорный регистр местонахождения HLR (Home Location Register) и визитный регистр местонахождения VLR (Visitor Location Register), вместе с MSC, обеспечивают возможности маршрутизации и роуминга. HLR содержит все данные административного характера о каждом зарегистрированном абоненте в соответствующей данному HLR сети GSM, а также информацию о его текущем местонахождении. Информация о местонахождении абонента, как правило, предоставляется в виде сигнального адреса VLR, ассоциированного с подвижной станцией.

VLR содержит выборочную административную информацию из опорного регистра, необходимую для управления вызовом и предоставления всего комплекса услуг для каждого подвижного абонента, который в этот момент находится в географической зоне, управляемой данным VLR.

Другие два регистра используются для обеспечения аутентификации и безопасности.



Множественный доступ и структура каналов

Поскольку радиоспектр имеет ограниченные ресурсы, необходимо оптимально распределить ширину полосы между всеми возможными пользователями. Метод, применяемый с этой целью в GSM, - это комбинация методов множественного доступа TDMA (множественный доступ с временным разделением )и FDMA (множественный доступ с частотным разделением) (Time- and Frequency-Division Multiple Access).

Сначала полоса частот в 25 Мгц делится на полосы в 200 Кгц. Каждой станции соответсвует своя полоса (или несколько полос). Абоненты полосы разделены во времени. Каждому абоненту соответствует один кадр. Восемь кадров объединяются во фрейм. 26 фреймов, в свою очередь, образуют мультифрейм, который повторяется циклически. Длина мультифрейма - 120 миллисекунд. На один кадр приходится 1/200 мультифрейма, т.е. около 0.6 миллисекунды.

Каналы определяются числом и позицией соответствующих им цикличных кадров, и вся палитра повторяется приблизительно каждые 3 часа. Они делятся на предписанные каналы (dedicated channels), или каналы трафика, каждый из которых соответствует одной подвижной станции, и общие каналы (common channels), или каналы управления, используемые подвижными станциями в пассивном режиме.

Каналы трафика (TCH) применяются для переноса речевого потока и потока данных. Эти каналы для восходящего и нисходящего звеньев разделены во времени тремя кадрами, так, чтобы MS мог осуществлять прием и передачу информации в разное время. Это позволяет упростить электронное оборудование MS и сделать подвижный терминал более компактным.

Общие каналы используются свободными подвижными станциями при обмене сигнальной информацией, необходимой для перехода в режим занятости. Подвижные станции, находящиеся в режиме занятости, оповещают близлежащие базовые станции о перемещении в другую ячейку и передают необходимую информацию.

Хендовер

Радио- и фиксированные каналы, участвующие в вызове абонента в GSM, не

привязаны к данному вызову. Благодаря этому появляется возможность для Радио- и фиксированные каналы, участвующие в вызове абонента в GSM, не перемещения подвижного абонента из ячейки в ячейку в процессе вызова, который и называется хендовером.

В системе GSM существует четыре типа хендоверов со следующими характеристиками:
• каналы в одной и той же ячейке;
• соты (BTS), находящиеся под управлением одного и того же BSC;
• соты, находящиеся под управлением различных BSC, но принадлежащие одному MSC;
• соты, находящиеся под управлением различных MSC.
Первые два типа хендоверов (внутренние) используют только один BSC. Для сохранения ширины полосы сигнализации они управляются при помощи BSC, и при этом MSC не использут, а лишь уведомляют его о завершении хендовера. Последние два типа хендоверов, которые называются внешними, совершаются под управлением вовлеченных в процедуру MSC.

Инициаторами хендовера может стать и подвижный терминал, и MSC (для сохранения баланса нагрузки трафика). Подвижный терминал создает список из шести вариантов для возможного переключения, исходя из интенсивности полученых сигналов. Эта информация передается BSC и MSC, по крайней мере один раз в секунду, и используется алгоритмом хендовера.

Дифирамбы GSM

Стандарту GSM отведена одна из главных ролей в процессе эволюции систем связи. Он тесно связан со всеми современными стандартами цифровых сетей, в первую очередь с ISDN (Integrated Services Digital Network) и IN (Intelligent Network). Основные функциональные элементы GSM входят в разрабатываемый сейчас международный стандарт глобальной системы подвижной связи UMTS (Universal Mobile Telecommunications System).

Сегодня GSM - наиболее быстро развивающаяся система сотовой связи. Новые, отчасти революционные технические новшества, совместимые с GSM, могут быть и будут представлены в ближайшем будущем. Все это служит твердой основой для того, чтобы технология GSM стала единым реальным стандартом цифровых сотовых систем во всем мире.

Материалы
1). Журнал "Сети" №6 1996г. Самуйлов К.Е., Никитина М.В. "Сети сотовой подвижной связи в стандарте GSM"
2). Журнал "Сети" №8 1997г. "GSM на пороге очередного взлета"
3). Журнал "Сети и системы связи" №4 1996 Харри Хонкасало "Эволюция GSM"
4). Журнал "Connect" №3 1997 г. Джон Мерлинг, Ричард Дженс "История сотовой"

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные, активировавшие регистрацию и не ограниченные в доступе участники сайта!
Файл создан: 05 Фев 2007 21:26, посл. исправление: 05 Фев 2007 21:27
© radioscanner.ru, miniBB® 2006 | загрузка: с.