Организация работы системы сотовой связи

Прежде чем приступить к описанию организации непосред­ственно процедур и режимов работы системы сотовой связи, нам придется уделить некоторое внимание организации информацион­ного обмена по эфирному интерфейсу, с которым мы познакоми­лись ранее. Дело в том, что кроме собственно информа­ции речи по каналу связи должна передаваться так называемая сигнальная информация, или информация сигнализации (англий­ский термин signaling), включающая информацию управления и ин­формацию контроля состояния аппаратуры; для ее обозначения бу­дем употреблять также наименование управляющая информация или просто управление. Поэтому в этой записи рассмотрим, как организуется использование каналов связи, и начнем с оп­ределения часто употребляемых при этом понятий частотных, фи­зических и логических каналов.

Частотный канал — это полоса частот, отводимая для пере­дачи информации одного канала связи. Правда, как мы фактически уже отмечали ранее, при использовании метода TDMA в одном ча­стотном канале передается информация нескольких каналов связи, т.е. в одном частотном канале размещается несколько физических каналов, но это не противоречит приведенному определению час­тотного канала, а подробнее мы рассмотрим это ниже — при опре­делении понятия физического канала. Поясним понятие частотного канала конкретными примерами.

В стандарте D-AMPS в США для передачи информации пря­мого канала (от базовых станций к подвижным) отводится полоса частот 869…894 МГц, а для передачи информации обратного кана­ла — полоса 824…849 МГц, т.е. прямой и обратный каналы разне­сены по частоте на 45 МГц (дуплексный разнос по частоте). Один частотный канал занимает полосу Af = 30 кГц, так что в пределах выделенного диапазона, с учетом защитных полос по краям, раз­мещается 832 частотных канала. Частотным каналам присвоены номера от 1 до 799 (включительно) и от 991 до 1023; Иногда фигу­рирует и канал с номером 990, но фактически он не используется и не входит в указанное выше число 832 каналов. Центральная ча­стота канала (в МГц) связана с его номером N соотношениями: обратный канал:

f₀ = 825,000 + 0,030 N, 1 < N < 799,

f₀ = 825,000 + 0,030 (N — 1023), 991 < N < 1023;

прямой канал:

f_n = 870,000 + 0,030 N, 1 < N < 799,

f_n = 870,000 + 0,030 (N — 1023), 991 < N < 1023.

Поня­тия «оператор А» и «оператор В» — специфически американские. Они связаны с тем, что в соответствии с законодательством США лицензии на операторскую деятельность в любом регионе выдают­ся сразу двум компаниям, между которыми и делится пополам от­веденный под сотовую связь частотный диапазон. Исторически од­на из двух компаний обычно была компанией, оказывающей одно­временно услуги проводной телефонной связи (wireline provider, или wireline carrier), — это «оператор В», а другая — компания, спе­циализирующаяся на беспроводной связи (non-wireline provider, или non-wireline carrier), — «оператор А».

Разумеется, принятое в США распределение частотных кана­лов, равно как и выделенный для сотовой связи частотный диапа­зон, не переносятся автоматически на другие страны, в том числе и на Россию. Однако поток американских публикаций по сотовой связи столь велик, что мы посчитали целесообразным привести изложенные выше сведения, так как без деталей такого рода по­нимание опубликованного материала бывает затруднительным.

В стандарте GSM 900 для передачи информации прямого ка­нала отводится полоса 935…960 МГц, а обратного — 890…915 МГц, т.е. дуплексный разнос по частоте также составляет 45 МГц. Один частотный канал занимает полосу Δf = 200 кГц, так что всего в по­лном диапазоне, с учетом защитных полос, размещается 124 час­тотных канала. Центральная частота канала (в МГц) связана с его номером N соотношениями:

обратный канал:

f₀ = 890,200 + 0,200 N,   1 < N < 124;

прямой канал:

f_n = 935,200 + 0,200 N,   1 < N < 124.

Заметим, что один частотный канал, строго говоря, занимает две полосы Af (по 30 или 200 кГц — для стандартов D-AMPS и GSM соответственно) — одну под прямой, а другую под обратный канал связи. При использовании режима работы со скачками по частоте (раздел 2.4.5) для передачи информации одной и той же группы физических каналов последовательно во времени используются различные частотные каналы.

Перейдем к понятию «физический канал».

Физический канал в системе с множественным доступом на основе временного разделения (TDMA) — это временной слот с оп­ределенным номером (или пара слотов с номерами, отличающи­мися на 3 при полноскоростном кодировании в стандарте D-AMPS) в последовательности кадров эфирного интерфейса. Таким образом, в одном частотном канале в стандарте D-AMPS при полноскоростном кодировании передается информация трех физических каналов, при полускоростном коди­ровании — информация шести физических каналов, а в стандарте GSM всегда передается информация восьми физических каналов, но при полускоростном кодировании один физический канал со­держит два канала трафика, информация которых передается по очереди, через кадр. Иными словами, при этом реализуется вре­менное уплотнение каналов в 3 или 8 раз соответственно при пол­носкоростном кодировании и в 6 или 16 раз — при полускорост­ном. В этом и заключается одно из основных преимуществ цифро­вого поколения сотовой связи по сравнению с аналоговым.

Логические каналы различаются по виду (составу) информа­ции, передаваемой в физическом канале. В принципе в физичес­ком канале может быть реализован один из двух видов логических каналов — канал трафика или канал управления; каждый из них, в свою очередь, может в общем случае существовать в одном из не­скольких вариантов (типов).

С понятием канала управления мы по существу уже познако­мились. Логический канал трафика — это канал передачи речи или данных (компьютерных данных, факси­мильных сообщений), т.е. той информации, ради которой, собст­венно, и создается сотовая связь. Термин трафик происходит от английского traffic (информационный поток, поток транспорта) и в применении к связи определяется как совокупность сообщений, передаваемых по линии свяЗи, или как совокупность требований абонентов, обслуживаемых сетью связи. Коль скоро мы договори­лись, что в рамках данной книги ограничиваемся в основном пере­дачей речи, то канал трафика оказывается для нас тождественным каналу передачи речи.

В стандарте D-AMPS версии IS-54, с его относительно про­стым эфирным интерфейсом, понятие «логические каналы» обычно не используется. Фактически на рис.2.9 представлена структура слота для логического канала трафика, в котором частично пере­дается и информация управления (поля SACCH, CDVCC, Sync). Ло­гический канал управления здесь по существу представлен укоро­ченной пачкой, используемой на этапе установления связи, и бы­стрым совмещенным каналом управления FACCH (Fast Associated Control Channel). Информация канала FACCH передается вместо информации речи, т.е. структура слота логического канала управ­ления отличается от структуры слота логического канала трафика заменой поля Data на поле FACCH. Сегмент речи продолжительно­стью 40 мс при этом просто пропускается (теряется). Допустимая частота замены канала трафика каналом управления не регламен­тирована, но из общих соображений очевидно, что чем чаще это будет происходить, тем сильнее будет снижаться качество переда­чи речи. Замена информации речи информацией канала FACCH никак не помечается внутри слота, и характер информации выяс­няется лишь при ее декодировании.

Кроме того, в стандарте IS-54 используются так называемые выделенные каналы управления (табл.2.1), доставшиеся цифровой (или цифро-аналоговой) системе в наследство от аналоговой AMPS с небольшими дополнениями в части состава передаваемой информации. Эти частотные каналы всегда используются только как каналы управления, т.е. они никогда не бывают каналами тра­фика. Первичные выделенные каналы управления используются как в аналоговом, так и в цифровом стандарте. Вторичные выде­ленные каналы управления используются только в цифровом стан­дарте; в аналоговом стандарте соответствующие частотные кана­лы использовались как каналы трафика. Обычно для каждой базо­вой станции назначается один выделенный канал управления.

Информация в выделенных каналах управления передается в цифровой форме с использованием частотной манипуляции (Frequency Shift Keying — FSK) со скоростью 30 кбит/с. Передача информации организуется в виде кадров, длительность и структу­ра которых различна в прямом и обратном каналах (рис.2.13).

В обоих случаях кадр начинается с пунктирной последовательности, означающей начало кадра, и синхронизирующей последовательности известной структуры. Затем следуют информационные слова, которые повторяются пятикратно для исключения слов с искажениями по мажоритарному принципу («3 из 5»), Для защиты от ошибок информационные слова дополнительно кодируются (код ВСН): из 40 бит слова прямого канала — 28 бит информационных и 12 контрольных; из 48 бит слова обратного канала — 36 информационных и 12 контрольных. В прямом канале информация передается синхронно (с жесткой привязкой ко времени), в обратном -асинхронно. Информационные поля кадра прямого канала содержат также так называемые биты «занято/свободно» — Busy/Idle (B/l) bits, по одному — в полях пунктира и синхронизации и по четыре — в каждом информационном слове; этими битами определяется временная привязка кадров сигнализации обратного канала (т.е. данная подвижная станция выдает свою информацию тогда, когда по состоянию бита «занято/свободно», канал не занят информацией, передаваемой другой подвижной станцией). Передаваемое сообщение может занимать более одного кадра.

В стандарте IS-136 выделенных каналов управления нет, т.е. все частотные каналы равноправны в отношении состава передаваемой информации, но в явном виде возникает необходимость в использовании понятия логических каналов — каналов трафика и каналов управления. Каналы трафика, как мы уже упоминали, в стандарте IS-136 не претерпели изменений по сравнению с IS-54. На структуре вновь появившихся цифровых каналов управления мы остановимся несколько подробнее.

Логические каналы управления стандарта Ib-i36 перечислены в табл. 2.2.
Таблица 2.2. Логические каналы управления стандарта IS-136

Обратные каналы управления	RACH
Прямые каналы управления	ВССН: F-BCCH, Е-ВССН, S-BCCH SPACH: РСН, ARCH, SMSCH SCF

Для передачи информации логических каналов управления выделяется один физический канал, т.е. два слота в пределах одного кадра эфирного интерфейса при полноскоростном ко­дировании, по одному слоту в пределах каждого из двух блоков (рис. 2.10).

В обратном направлении (от подвижной станции к базовой) передается информация только одного логического канала управ­ления — канала случайного доступа RACH (Random Access Chan­nel). Информация этого канала используется для организации дос­тупа в систему сотовой связи со стороны подвижной станции и передается во всех слотах соответствующего физического канала.

В прямом направлении (от базовой станции к подвижной) передается информация нескольких логических каналов управле­ния:

• вещательного канала управления ВССН (Broadcast Control Channel) с подканалами быстрого вещательного управления F-BCCH (Fast ВССН), расширенного вещательного управления Е-ВССН (Extended ВССН) и вещательной передачи сообщений S-BCCH (Broadcast messaging);
• канала SPACH с подканалами вызова РСН (Paging Channel), ответа на вызов ARCH (Access Response Channel) и передачи коротких сообщений по определенному адресу SMSCH («от точки к точке» — point-to-point Short Message Service Chan­nel);
• общего канала обратной связи SCF (Shared Channel Feed­back).

Канал RACH (канал случайного доступа) используется при установлении связи по инициативе подвижной станции или, иными словами, для организации доступа в сеть со стороны подвижной станции. Канал SCF используется для передачи ответной инфор­мации в процессе организации этого доступа.

В канале ВССН передается информация, предназначенная для всех подвижных станций (вещательный режим передачи ин­формации): это информация о состоянии сети (подканалы F-BCCH и Е-ВССН), а также вещательные короткие сообщения (подканал S-BCCH). Быстро изменяющаяся информация о состоянии сети, требующая частого обновления (параметры каналов управления и информация, существенная для организации доступа в сеть), пе­редается в подканале F-BCCH, вся информация которого обновля­ется с частотой суперкадров. Менее срочная информация*переда­ется в подканале Е-ВССН, передача одного сообщения в котором может растягиваться на несколько суперкадров.

Канал SPACH используется для передачи адресных сообще­ний, т.е. сообщений, адресованных конкретным подвижным стан­циям. В подканале РСН передается информация вызова, а также команды для подвижной станции. Подканал ARCH используется на завершающем этапе установления соединения подвижной станции с сетью. Подканал SMSCH предназначен для адресной передачи коротких сообщений.

Передача информации в прямых цифровых каналах управле­ния организуется следующим образом. Информация канала SCF передается в соответствующем поле каждого слота канала управ­ления. Информация остальных каналов размещается в полях Data и имеет определенную последовательность в пределах слотов суперкадра и гиперкадра. Всего в суперкадре при полно­скоростном кодировании 32 слота канала управления. Первые сло­ты отводятся для подканала F-BCCH (от 3 до 10 слотов), следую­щие слоты — для Е-ВССН (от 1 до 8 слотов), затем — для S-BCCH (от 0 до 16 слотов) и в конце — для информации канала SPACH (от 2 до 28 слотов). Информация подканалов F-BCCH и РСН одинако­ва в обоих суперкадрах одного гиперкадра (дублирование инфор­мации с целью повышения достоверности ее приема); информация других подканалов в суперкадрах одного гиперкадра различна.

Принятая структура каналов управления предусматривает такую организацию вызова подвижной станции, которая поддер­живает режим засыпания (sleep mode) последней. Для этого вызов повторяется с периодичностью кадра вызова, а длительность кад­ра вызова в зависимости от его класса составляет от 1,28 секунды до 123 секунд. Если говорить более конкретно, то длительность кадра вызова для классов 1…8 составляет соответственно 1, 2, 3, 6, 12, 24, 48 и 96 гиперкадров, и в обоих суперкадрах первого ги­перкадра в пределах кадра вызова передается информация вызо­ва. Подвижная станция принимает (декодирует) информацию в первом (первичном) из двух указанных суперкадров, и если вызова в ее адрес нет, то «засыпает», т.е. отключается даже на прием до конца кадра вызова. Если декодировать информацию в первичном суперкадре не удается, например из-за искажений сигналов, вы­званных помехами, то предпринимается попытка декодировать вторичный суперкадр, несущий ту же информацию подканалов F- ВССН и РСН, после чего подвижная станция также получает воз­можность «заснуть» до конца кадра вызова. По умолчанию, т.е. до первой регистрации в системе, подвижная станция использует кадр вызова класса 1, т.е. кадр вызова минимальной длительности (один гиперкадр). В дальнейшем длительность кадра вызова на­значается сетью.

Структура логических каналов стандарта GSM в упрощенном виде приведена в табл. 2.3.
Таблица 2.3. Упрощенная структура логических каналов стандарта GSM

Виды логических каналов	Типы каналов в пределах видов
Каналы трафика ТСН	TCH/FS, TCH/HS
Каналы управления ССН	ВССН: FCCH, SCH СССН: РСН, RACH, AGCH SDCCH ACCH: FACCH, SACCH

Логические каналы стандарта GSM делятся на каналы тра­фика и каналы управления.

Каналы трафика TCH (Traffic Channels), в свою очередь, де­лятся на полноскоростные TCH/FS (с полноскоростным кодирова­нием; F — сокращение от Full — полный; S — Speech — речь) и полу­скоростные TCH/HS (Н — сокращение от Half — половина); в обоих случаях имеется в виду передача речи. Типы каналов трафика для передачи данных в табл.2.3 не включены (TCH/F9.6, TCH/F4.8, ТСН/Н4.8 и т.п.).

Каналы управления ССН (Control Channels) делятся на 4 ти­па: вещательные каналы управления ВССН (Broadcast Control Channels), общие каналы управления СССН (Common Control Channels), выделенные закрепленные каналы управления SDCCH (Standalone Dedicated Control Channels), совмещенные каналы уп­равления ACCH (Associated Control Channels).

Вещательные каналы управления ВССН предназначены для. передачи информации от базовой станции к подвижным в веща­тельном режиме, т.е. без адресования к какой-либо конкретной подвижной станции. В число вещательных каналов управления вхо­дят: канал коррекции частоты FCCH (Frequency Correction Channel) — для подстройки частоты подвижной станции под частоту базо­вой, канал синхронизации SCH (Synchronization Channel) — для кад­ровой синхронизации подвижных станций, а также канал общей информации, не имеющий отдельного наименования.

Общие каналы управления СССН включают: канал вызова РСН (Paging Channel), используемый для вызова подвижной стан­ции базовой; канал разрешения доступа AGCH (Access Grant Channel) — для назначения закрепленного канала управления, кото­рое также передается от базовой станции на подвижную; канал случайного доступа RACH (Random Access Channel) — для выхода с подвижной станции на базовую с запросом о назначении выделен­ного канала управления. При передаче информации по общим ка­налам управления прием информации не сопровождается под­тверждением.

Выделенные закрепленные каналы управления SDCCH (ис­пользуются в двух вариантах, не отраженных в табл. 2.3) — авто­номные каналы управления для передачи информации с базовой станции на подвижную и в обратном направлении.

Совмещенные каналы управления АССН, также используе­мые для передачи информации в обоих направлениях (от базовой станции к подвижным и от подвижных к базовой) и имеющие не­сколько вариантов, не отраженных в табл.2.3, включают: медлен­ный совмещенный канал управления SACCH (Slow Associated Control Channel) — объединяется с каналом трафика (кадр 13 муль­тикадра канала трафика) или с каналом SDCCH; быстрый совме­щенный канал управления FACCH (Fast Associated Control Channel) — совмещается с каналом трафика, заменяя в соответствующем слоте информацию речи, причем эта замена помечается скрытым флажком.

В отличие от дуплексных каналов — трафика и совмещенных каналов управления, размещаемых в канале трафика эфирного ин­терфейса, — симплексные каналы управления ВССН и СССН раз­мещаются в нулевом слоте кадров канала управления эфирного интерфейса на так называемых несущих ВССН, имеющихся в ячей­ке.

Сообщения канала RACH могут быть переданы в нулевом слоте любого кадра в пределах 51-кадрового мультикадра канала управления (рис.2.14). Сообщение RACH передается подвижной станцией раз в 235 мс, т.е. только в одном из кадров мультикадра, при этом используется структура слота, соответствующая пачке доступа.

Сообщения каналов ВССН и СССН, передаваемые от базо­вой станции к подвижным (прямой канал), размещаются в нулевых слотах 50 кадров мультикадра канала управления эфирного интер­фейса; последний, 51-й, кадр мультикадра остается свободным. Первые 50 кадров делятся на 5 блоков по 10 кадров: в начале каж­дого блока передается сообщение канала FCCH (структура слота — пачка коррекции частоты), далее — сообщение канала SCH (струк­тура слота — пачка синхронизации), затем в первом блоке переда­ется четыре сообщения канала ВССН и четыре сообщения канала AGCH или канала РСН, а в остальных четырех блоках все восемь сообщений отводятся под канал AGCH или РСН. Сообщения логи­ческих каналов управления в большинстве случаев кодируются со значительной избыточностью с целью защиты от ошибок при пере­даче информации.

И в заключение еще раз отметим, что изложенные сведения о структуре и организации работы логических каналов управления весьма схематичны и не претендуют на исчерпывающую полноту. Более того, такие сложные и ответственные разделы, как органи­зация каналов управления, имеют тенденцию совершенствоваться со временем, так что детальное знакомство с их работой требует изучения новейших версий стандартов, содержащих последние изменения.