Перейдем к рассмотрению организации основных режимов работы системы сотовой связи.
Центр коммутации и базовые станции работают круглосуточно и непрерывно, без выключений. При возникновении в них неисправностей работоспособность поддерживается за счет предусмотренного конструкцией резервирования, с ремонтом (заменой) вышедших из строя элементов в ситуации, когда они находятся в положении резервных. В работе подвижных станций перерывы и отключения практически неизбежны, в том числе — для смены источников питания.
Рассмотрим сначала наиболее простой случай — работу подвижной станции в пределах одной ячейки своей («домашней») системы, без передачи обслуживания. В этом случае в работе подвижной станции можно выделить четыре этапа, которым соответствуют четыре режима работы:
- включение и инициализация;
- режим ожидания;
- режим установления связи (вызова);
- режим ведения связи (телефонного разговора).
После включения подвижной станции, т.е. после замыкания цепи питания, производится инициализация — начальный запуск. В течение этого этапа происходит настройка подвижной станции на работу в составе системы — по сигналам, регулярно передаваемым базовыми станциями по соответствующим каналам управления, после чего подвижная станция переходит в режим ожидания. Конкретное содержание этапа инициализации зависит от используемого стандарта сотовой связи.
В стандарте D-AMPS версии IS-54 подвижная станция начинает со сканирования выделенных каналов управления и выбора канала с наиболее сильным сигналом; затем по передаваемой в этом канале информации подвижная станция определяет номера каналов вызова, находит среди них канал с наиболее сильным сигналом, настраивается на его частоту и остается в режиме ожидания. Строго говоря, полная процедура инициализации, имеющая смысл при использовании двухрежимных (цифро-аналоговых) подвижных станций и при работе в полной полосе частот, отведенной для сотовой связи, сложнее. Сначала станция сканирует первичные выделенные каналы управления (в пределах полосы оператора А или В), настраивается на наиболее сильный канал и проверяет наличие возможности работы в цифровом режиме (по содержанию соответствующего бита сигнальной информации). Если такая возможность есть, станция остается в режиме ожидания в цифровом режиме на этом канале; если нет, то сканирует вторичные выделенные каналы управления, и т.д. В соответствии с изложенными ранее соображениями мы не описываем эту процедуру, как и практически все последующие, с такой степенью подробности. В версии IS-136 алгоритм настройки подвижной станции на цифровой канал управления более сложен и гибок, прежде всего в интересах скорейшего завершения процесса настройки. При этом рекомендуется в максимальной степени использовать всю имеющуюся информацию о положении канала управления (где находился канал управления в прошлом сеансе работы, указатель положения канала управления, если он имеется, и др.), а при прямом поиске со сканированием всех частотных каналов стандартом рекомендуется определенная последовательность сканирования групп каналов, в соответствии с вероятностью размещения в них цифровых каналов управления.
В стандарте GSM подвижная станция сканирует все имеющиеся частотные каналы, настраивается на канал с наиболее сильным сигналом и по наличию пачки коррекции частоты определяет, передается ли в этом частотном канале информация канала ВССН. Если нет, то станция перестраивается на следующий по уровню сигнала частотный канал, и так до тех пор, пока не будет найден канал ВССН. Затем подвижная станция находит пачку синхронизации, синхронизируется с выбранным частотным каналом, расшифровывает дополнительную информацию о базовой станции (в частности, 6-битовый код идентификации базовой станции) и принимает окончательное решение о продолжении поиска или о работе в данной ячейке.
Находясь в режиме ожидания, подвижная станция отслеживает:
- изменения информации системы — эти изменения могут быть связаны как с изменениями режима работы системы, так и с перемещениями самой подвижной станции, например с переходом ее в другую ячейку;
- команды системы — например, команду подтвердить свою работоспособность («регистрация» в конкретной ячейке);
- получение вызова со стороны системы;
- инициализацию вызова со стороны собственного абонента.
Две последние ситуации — получение или инициализацию вызова — мы рассмотрим подробнее несколько ниже.
Кроме того, подвижная станция может периодически, например раз в 10… 15 минут, подтверждать свою работоспособность, передавая соответствующие сигналы на базовую станцию (подтверждение «регистрации» или уточнение местоположения). В центре коммутации для каждой из включенных подвижных станций фиксируется ячейка, в которой она «зарегистрирована», что облегчает организацию процедуры вызова подвижного абонента. Если подвижная станция не подтверждает свою работоспособность в течение определенного промежутка времени, например пропускает два или три подтверждения «регистрации» подряд, центр коммутации считает ее выключенной, и поступающий на ее номер вызов не передается.
В стандарте GSM подвижная станция измеряет и периодически передает на базовую станцию следующие параметры:
- уровень сигнала базовой станции рабочей («своей») ячейки и до 16 смежных ячеек, измеряемый по сигналу канала ВССН;
- код качества принимаемого сигнала в рабочей ячейке — функцию оценки частоты битовой ошибки (BER — Bit Error Rate) по принятому сигналу перед канальным декодированием.
В стандарте D-AMPS измерения уровня сигнала и частоты битовой ошибки выполняются по команде с базовой станции для обеспечения процедуры передачи обслуживания. Рассмотрим процедуру установления связи. Если со стороны системы поступает вызов номера подвижного абонента, центр коммутации направляет этот вызов на базовую станцию той ячейки, в которой «зарегистрирована» подвижная станция, или на несколько базовых станций в окрестности этой ячейки — с учетом возможного перемещения абонента за время, прошедшее с момента последней «регистрации», а базовые станции передают его по соответствующим каналам вызова. Подвижная станция, находящаяся в режиме ожидания, получает вызов и отвечает на него через свою базовую станцию, передавая одновременно данные, необходимые для проведения процедуры аутентификации; последняя, как представляющая самостоятельный интерес, будет рассмотрена подробнее позже. При положительном результате аутентификации назначается канал трафика, и подвижной станции сообщается номер соответствующего частотного канала. Подвижная станция настраивается на выделенный канал и совместно с базовой станцией выполняет необходимые шаги по подготовке сеанса связи. На этом этапе подвижная станция настраивается на заданный номер слота в кадре, уточняет задержку во времени, подстраивает уровень излучаемой мощности и т.п.
Выбор временной задержки производится с целью временного согласования слотов в кадре (на прием в базовой станции) при организации связи с подвижными станциями, находящимися на разных дальностях от базовой. При этом временная задержка передаваемой подвижной станцией пачки регулируется по командам базовой станции. В стандарте D-AMPS при выборе временной задержки работа осуществляется укороченными пачками. Исходное значение задержки составляет 88 бит; оно может уменьшаться на величину до 30 бит с шагом 1 бит (20,55 мкс). В стандарте GSM при выборе задержки используются пачки доступа. Задержка регулируется в пределах от 0 до 63 бит с дискретом 1 бит (3,69 мкс). В дальнейшем базовая станция отслеживает изменение дальности до подвижной станции и корректирует величину задержки, выдавая соответствующие команды на подвижную станцию. При малых геометрических размерах ячейки, т.е. при малых величинах задержки (в пределах защитного бланка или защитного интервала), компенсация временной задержки может не производиться.
В стандарте GSM производятся также привязка подвижной станции к базовой по частоте с использованием пачки коррекции частоты и временная синхронизация подвижной станции с базовой с точностью до 1/4 бита, для чего в пачке синхронизации передаются номера четверти бита (QN — Quarter bit Number, в пределах от 0 до 624), бита (BN — Bit Number, в пределах от 0 до 156), слота (TN — Timeslot Number, в пределах от 0 до 7) и кадра (FN — Frame Number, в пределах от 0 до 2715648); одновременно в пачке синхронизации передаются 3-битовый код (код цвета — colour code) сети сотовой связи и 3-битовый код базовой станции, составляющие в совокупности уникальный 6-битовый идентификатор базовой станции (BSIC — Base Station Identifier Code).
Затем базовая станция выдает сообщение о подаче сигнала вызова (звонка), которое подтверждается подвижной станцией, и вызывающий абонент получает возможность услышать сигнал вызова. Когда вызываемый абонент отвечает на вызов («снимает трубку», т.е. нажимает соответствующую кнопку на панели управления абонентского аппарата), подвижная станция выдает запрос на завершение соединения. С завершением соединения начинается собственно сеанс связи — абоненты ведут разговор.
В процессе разговора подвижная станция производит обработку передаваемых и принимаемых сигналов речи, а также передаваемых одновременно с речью сигналов управления. По окончании разговора происходит обмен служебными сообщениями между подвижной и базовой станцией (запрос или команда на отключение с подтверждением), после чего передатчик подвижной станции выключается и станция переходит в режим ожидания.
Если вызов инициируется со стороны подвижной станции, т.е. абонент набирает номер вызываемого абонента, убеждается в правильности набора по отображению на дисплее и нажимает соответствующую кнопку («вызов») на панели управления, то подвижная станция передает через свою базовую станцию сообщение с указанием вызываемого номера и данными для аутентификации подвижного абонента. После аутентификации базовая станция назначает канал трафика, и последующие шаги по подготовке сеанса связи производятся таким же образом, как и при поступлении вызова со стороны системы.
Затем базовая станция сообщает на центр коммутации о готовности подвижной станции, центр коммутации передает вызов в сеть, а абонент подвижной станции получает возможность следить за ходом его выполнения (слышит сигналы «вызов» или «занято»). Соединение завершается на стороне сети.
Рис.2.15. Упрощенная схема установления связи (исходящий вызов; стандарт GSM): БППС — базовая приемопередающая станция; КБС — контроллер базовой станции; ЦК — центр коммутации; ТФОП — стационарная телефонная сеть общего пользования
Описанная процедура схематически иллюстрируется на рисунке. Цифрами обозначена такая последовательность действий:
- Подвижная станция через канал случайного доступа (RACH) запрашивает выделенный закрепленный канал управления (SDCCH) для установления связи.
- Контроллер базовой станции через канал разрешения доступа (AGCH) назначает канал SDCCH.
- Подвижная станция через канал SDCCH проводит аутентификацию и выдает запрос на вызов (с номером вызываемого абонента).
- Центр коммутации выдает команду на назначение канала трафика (ТСН).
- Центр коммутации выдает вызываемый номер на стационарную телефонную сеть, и после ответа вызываемого абонента завершает соединение.
Процесс разговора и завершение сеанса связи не отличаются от предыдущего случая.
Если подвижный абонент разговаривает с другим подвижным абонентом, то процедура установления связи и проведения сеанса связи происходит практически таким же образом. Если при этом оба подвижных абонента относятся к одной и той же сотовой системе, то связь между ними устанавливается через центр коммутации системы без выхода в стационарную телефонную сеть. Такова общая схема организации процесса связи в сотовой системе. Многие детали в ней опущены, но к некоторым из них мы еще вернемся по ходу дальнейшего изложения.