Системы GSM

Сотовые или персональные коммуникационные систе­мы, а также мобильные радиосистемы третьего поколе­ния, — все это сотовые беспроводные сети связи, предоста­вляющие услуги передачи голоса и данных. Сотовые системы делят территории стран и континентов на малые области радиосвязи, связанные друг с другом. Каждая сота, обслуживающая зону, имеет один или несколько приемо­передатчиков, взаимодействующих с мобильными теле­фонами внутри данной местности. Сотовая система связи соединяет мобильные радиотелефоны (мобильные стан­ции) с помощью радиоканалов с базовыми станциями. Не­которые радиоканалы используются для передачи упра­вляющих сигналов, некоторые для передачи голоса и данных пользователя. Каждая базовая станция содержит блоки, преобразующие радиосигналы в электросигналы, которые передаются на коммутационный центр мобильной связи (КЦМС). Вычислительно-коммутационные блоки КЦМС видоизменяют и передают эти сигналы на другие базовые станции или в стационарную телефонную сеть. КЦМС содержат также информационные базы с данными об активных абонентах в данной зоне связи. Программное обеспечение системы обрабатывает вызовы, определяет и предоставляет по запросу нужные услуги и поддерживает соединение через систему КЦМС до конечного коммуни­кационного устройства, такого как другой сотовый теле­фон или телефон стационарной телефонной сети.

Связанные между собой зоны радиопокрытия в городах формируют структуры, похожие на соты пчел. Соты спроектированы так, что их границы взаимоперекрываются с другими сотами, обеспечивая передачу абонентов из од­ной зоны обслуживания в другую. Когда клиент (также на­зываемый абонентом) движется через сотовую систему, КЦМС координирует и передает вызовы из одной соты в другую, поддерживая непрерывность соединения.

Ключевыми факторами развития системы мобильной связи являются новые беспроводные технологии и услуги. Так, обычные мобильные телефоны заменяют и вытесняют телефо­ны со встроенными видео- и фотокамерами, цветными диспле­ями, расширенными вспомогательными функциями органай­зера, почтового ящика электронной почты и т. п. Вследствие перехода к новым технологиям, ведущим к увеличению эф­фективности систем связи и к новым услугам, растет число производителей, желающих освоить данный рынок услуг. Все это ведет к росту предложения коммуникационных услуг В настоящее время наиболее интенсивно развиваются беспро­водные сети, основанные на технологии Bluetooth. Включение этой технологии в телефонные устройства ведет к интеграции коммуникационных устройств в домашние компьютерные се­ти, облегчает подключение беспроводных наушников, обмен данных с персональными компьютерами различной мощности от карманных до мощных настольных систем, облегчает пере­дачу данных на принтеры.

Технологии, используемые в работе мобильных систем связи

Ключевые технологии, используемые в сотовой мобиль­ной связи, включают в себя повторное использование ча­стоты соты, аналоговые сотовые сети, цифровую мобильную связь, цифровую пакетную связь и широкополосные сети.

В первых системах мобильной радиотелефонии исполь­зовались мощные приемопередатчики для наибольшего ох­вата территории с ограниченной полосой радиоканала. Вследствие того, что каждый радиоканал требует опреде­ленной полосы пропускания и что количество таких частот очень ограничено, число пользователей такой сети также было резко ограничено. Общее число пользователей такой сети не превышало, как правило, нескольких -сотен или тысяч.

Для рационального использования данного спектра ча­стот была разработана сотовая система. Эта система позволя­ет повторно использовать данный спектр частот на больших территориальных пространствах. Технология повторного ис­пользования сотовой частоты позволяет обслуживать боль­шее число пользователей и, следовательно, повышает ем­кость системы. Как было указано выше, для дальнейшего роста емкости системы необходимо либо увеличивать число задействованных радиоканалов, либо снижать мощность ба­зовой станции и, соответственно, увеличивать количество станций. Для снижения перекрытия частот необходимо пространственно разносить базовые станции, имеющие одинако­вый спектр радиочастот. Теоретически можно рассчитать уровни сигналов и удаленность базовых станций друг от дру­га, но в городских условиях этого практически невозможно добиться, в результате приходится подстраивать уровень мощ­ности базовых станций для минимального паразитного взаимо­действия между ними. Приемлемое расстояние между базовыми станциями определялось по соотношению расстояние/радиус. В этом соотношении для современных аналоговых станций, имеющих одинаковый спектр частот, применяется пропорция 4,6/1, то есть для соты с радиусом действия 1 км соты дол­жны быть равноудалены на расстояние в 4,6 км. Другая ме­тодика, называемая расщеплением соты, позволяла увеличи­вать емкость постепенно. Соты расщеплялись снижением уровня мощности и/или уменьшением высоты антенны для снижения радиуса зоны покрытия. Все это позволяло доби­ваться снижения уровня покрытия зоны и тем самым добав­лять новые базовые станции. Для аналоговых станций на рас­пространение сигнала влияют различные факторы, такие как рельеф местности и сезонные условия.

Каждая сота могла обслуживать ограниченное число абонентов. При превышении их числа система начинала блокировать дополнительных абонентов, генерируя сигнал занятости при установлении соединения.

При переходе от аналоговых к цифровым сотовым си­стемам связи некоторые технологии позволяли работать в двойном или множественном режиме. Телефоны с этой технологией позволяли работать на аналоговых или цифровых радиоканалах в зависимости от их доступности. Большин­ство таких телефонов предлагало работу на цифровом ра­диоканале, при наличии обеих возможностей на данном участке местности.

Сотовые телефоны имеют некоторые отличия в техноло­гии их работы. К этим отличиям относятся: ширина радиока­нала, тип технологии доступа — FDMA, TDMA или CDMA, скорость передачи данных по каналу управления, уровень мощности сигнала. Аналоговые сотвые системы имеют очень узкий канал передачи данных, от 10 до 30 кГц. Ширина канала цифровых систем варьируется от 10 кГц до 1, 25 мГц. Технологии доступа определяют возможность доступа к услугам и к способам разделения каждого радиоканала. Ско­рость передачи радиосигналов определяет, как быстро могут быть переданы сообщения. Мощность радиосигнала сотовых телефонов и способы управления ею определяют, как далеко телефон может находиться от базовой станции. В зависимости от ширины и типа радиоканала все сотовые и другие мобильные коммуникационные системы позволяют работать одновременно в режиме двухсторонней связи между говорящими, то есть сотовый телефон является одновремен­но приемником и передатчиком.

Одной из ключевых особенностей сотовых систем явля­ется их способность передачи управления соединением от одной системы к другой. Данный процесс является автома­тическим и является результатом совместной работы сети связи и сотового телефона. В этом процессе главную роль играют короткие управляющие сообщения, которые переда­ются между телефоном и системой во время вызова. Сооб­щения настолько малы по длительности, что клиент не мо­жет уловить процесс перехода в другую зону обслуживания.

Аналоговые сотовые системы обычно характеризуются использованием определенного типа модуляции (обычно фазовой модуляции) для передачи голосовой информации. Для передачи управляющих сигналов данным системам приходится использовать цифровые радиоканалы.

В ранних мобильных радиосистемах сотовые телефоны ска­нировали доступные радиоканалы в поисках незанятого, что позволяло осуществлять вызов. Сегодняшние аналоговые сото­вые системы имеют сотни радиоканалов, что делает неприем­лемым сканирование каналов вследствие неприемлемого ин­тервала времени поиска. Для быстрого перехода на доступный канал выделяются радиоканалы, служащие управляющим це­лям. В настоящее время большинство сотовых систем исполь­зуют два типа радиоканалов—управляющие и голосовые. Кана­лы управления транспортируют только цифровые сообщения и сигналы, позволяющие мобильным телефонам обновлять си­стемную информацию и конкурировать за доступные ресурсы.

Каналы управления передают извещения и сообщения о назначении канала. Голосовые каналы в основном использу­ются для голосовой информации, но также могут передавать и принимать некоторые цифровые сообщения, управляющие частотой и мощностью сигнала, во время соединения.

Современные аналоговые системы могут обслуживать только одного абонента на одном радиоканале, так что чи­сло доступных каналов влияет на емкость системы. Типич­ный абонент использует систему несколько минут в день, так что в течение дня 20—30 абонентов используют один радиоканал. Таким образом, 50 каналов может обслуживать 1000—1500 пользователей.

Базовые операции аналоговых сотовых систем включа­ют инициацию телефона при его включении, прослушива­ние извещений (режим ожидания), попытку доступа к ре­сурсам и режим разговора (или данных).

При включении питания телефона начинается поиск определенного набора каналов управления и настройка на наиболее мощный. В процессе сканирования ведется про­слушивание управляющих каналов для получения инфор­мации о системе и начальной установке.

После инициализации телефон переходит в режим про­стоя и ожидает извещений о входящих звонках или ини­циации звонка клиентом. Когда вызов принимается или инициируется, мобильный телефон переходит в режим до­ступа к системе через управляющий канал. После получе­ния доступа канал управления пересылает сообщение о вы­делении голосового канала и телефон переходит в режим передачи. Поскольку работа по голосовому каналу проис­ходит по принципу частотной модуляции, телефон работа­ет как маленькая широковещательная радиостанция. Для пересылки управляющих сообщений по голосовому каналу голос замещается прерыванием передачи и принятия со­общения. В некоторых системах управляющее сообщение накладывается на аудиосигнал.

Попытка мобильного телефона получить услугу от сото­вой системы называется доступом. Телефоны конкурируют в доступе к каналу управления, что равнозначно доступу к си­стеме. Доступ предпринимается при получении извещения о получении вызова или при его инициации. При этом телефон отслеживает состояние «занят/ожидание» канала управления перед и во время передачи сообщения о попытке доступа. Если канал доступен, мобильный телефон начинает переда­чу, а базовая станция отслеживает состояние занятости кана­ла управления. Осуществление соединения возможно за определенное время, задаваемое таймером ожидания. Если время вышло, а соединение не состоялось, попытка доступа заканчивается в предположении, что другой сотовый теле­фон занял управляющий канал приемника базовой станции.

При успешной попытке доступа система выдает сообще­ние о назначении канала, заставляя телефон настроиться на нужный голосовой канал. При отсутствии соединения выби­рается случайное время ожидания и попытка повторяется. Система проектируется так, чтобы исключить совпадение времен ожидания разных телефонов. Это делается для умень­шения взаимных помех при попытке доступа к каналу.

При получении звонка телефон извещается процессом, называемым пейджинг. Это краткое сообщение управляю­щего канала, содержащее номер звонящего телефона или номер мобильного идентификатора. Когда телефон опреде­ляет, что получил извещение, то автоматически отвечает сообщением системного доступа, что показывает его по­пытку доступа. В то же время телефон издает сигнал абоненту, извещая его о входящем вызове. Когда абонент отвечает на вызов, телефон передает запрос системе для от­вета на вызов. В запросе пересылается телефонный номер и электронный серийный номер для идентификации пользо­вателя.

После настройки телефона на голосовой канал начинает­ся передача голоса или другой информации клиента. Пе­риодически между базовой станцией и телефоном пересы­лаются управляющие сообщения. Эти сообщения могут управлять мощностью телефона, изменением частоты или другими специальными функциями.

Для увеличения срока службы батарей телефон может осу­ществлять передачу сигнала на базовую станцию только при разговоре клиента. Во время его молчания телефон прекраща­ет передачу на краткий период — до нескольких секунд. Та­кой режим работы называется прерывистой передачей.

Цифровые мобильные системы стали вытеснять анало­говые ввиду большей гибкости в работе. Дополнительные услуги становятся возможными просто при изменении или доработке программного обеспечения. Это выгодно отлича­ется от технологии аналоговых систем, когда данные пере­даются методами аналоговой модуляции.

Цифровые системы, как правило, характеризуются их ти­пом технологии доступа (TDMA or CDMA). Технология до­ступа определяет способ передачи цифровой информации внутри сотовой системы.

В цифровых системах клиенты обслуживаются одним радиоканалом одновременно. Это достигается внедрением технологий оцифровки и сжатия голоса. Такая обработка информации приводит к тому, что радиоканал делится на несколько подканалов. Каждый подканал обслуживает од­ного клиента.

Цифровые системы также используют два типа коммуни­кационных каналов — управляющий и голосовой. Управляю­щий канал — это один из нескольких подканалов радиокана­ла. Таким образом, один управляющий канал может обслуживать несколько голосовых каналов. Это в свою оче­редь упрощает доступ телефону к управляющей системной информации и позволяет конкурировать за доступ к ресурсам.

Базовые операции цифровой сотовой системы определя­ют инициализацию телефона при включении питания, про­слушивание извещающих сообщений при ожидании, попыт­ки доступа в режиме разговора или передачи данных.

Инициализация телефона представляет собой сканирование установленного набора каналов управления и выбора наиболее сильного по мощности. Также в этом режиме прослушиваются сообщения управляющего канала для получения системной идентификации и начальной информации. Из-за гораздо боль­шего числа коммуникационных каналов в цифровой системе по сравнению с аналоговой встает задача уменьшения времени поиска доступного канала управления. Для этого используют­ся такие алгоритмы, как запоминание последнего канала управ­ления, таблица предпочтительных каналов управления и дру­гие механизмы поиска управляющего канала.

После инициализации телефон переходит в режим ожида­ния приема входящего извещения или инициации звонка кли­ентом. При наступлении такого события телефон переходит в режим доступа к системе и пытается получить доступ к систе­ме через управляющий канал. Когда доступ получен, канал управления передает сообщение с информацией об иденти­фикаторе канала данных и открывает его для передачи. Теле­фон перестраивает частоту и входит в режим разговора.

Цифровые телефонные системы, кроме того, используют возможность более надежно удостоверять себя в процессе доступа к ресурсам системы, чем аналоговые системы. Про­цесс опознания подлинности называется аутентификацией. Для выполнения этого процесса используются ресурсы те­лефона и самой сотовой системы.

При успешном опознании система посылает сообщение о назначении канала телефону и разрешает передачу информации.

Как и в аналоговых системах, действует режим подстрой­ки оборудования с обеих сторон — как телефона, так и си­стемы. В этом случае также используются управляющие сообщения, которые могут замещать оцифрованную речь, и называемые быстрыми сигналами или накладываемые на оцифрованный голосовой сигнал (медленные сигналы).

Цифровые телефоны также могут использовать режим прерывания передачи для экономии батарей.

Таким образом, эффективность цифровых технологий по­вышается за счет оцифровки голоса, его сжатия (кодирования), кодирования каналов и эффективной модуляции радиосигнала.

Оцифровка голоса дает поток данных 64 Кбит в секунду. Если передавать такой поток данных через радиоканал, ширина цифрового канала становится менее эффективной, чем аналогового канала (около 30 кГц). Вследствие это­го применяется кодировка голоса. Это позволяет перейти к спектральному способу передачи голоса, исключая ненужные для передачи голоса частотные составляющие. Число различ­ных схем сжатия голоса зависит от голосовой активности и схем разделения радиоресурсов, то есть технологии цифровой сотовой системы. Так, для разных схем доступа возможна степень сжатия голоса в пять, восемь и более раз. Максималь­ный коэффициент сжатия для схемы CDMA может достигать 64. Для систем GSM сжатие голоса имеет коэффициент 5.

Уменьшение числа единиц цифровой информации (би­тов), необходимой для восстановления формы голосового сигнала, ведет к обеднению качества речи. Усложнение схе­мы кодирования может привести к улучшению качества го­лоса даже при малом количестве битов.

Оцифровка голоса — это вычислительный процесс. Лю­бые вычисления требуют времени. Стандартно, голос делится на отрезки длительностью около 20 миллисекунд. Оцифров­ка, подстройка времени телефона со временем радиоканала и дешифровка голоса ведут к задержке в передаче голоса. Об­щая задержка может достигать 50—100 миллисекунд. Хотя такая задержка незаметна в разговоре, она может проявляться в разговоре появлением эха. Поэтому требуется дополнитель­ная обработка сигнала с целью устранения эха.

Для повышения помехоустойчивости при передаче оциф­рованного голоса через радиоканал вводятся дополни­тельные биты коррекции ошибок.

Пакетные цифровые сотовые системы занимают проме­жуточное положение между поколениями сотовых систем, поэтому их часто называют «системами 2,5 поколения». Дан­ные системы расширяют возможности сотовой системы до работы с различными коммуникационными приложениями. Режим работы системы позволяет увеличить скорость пере­дачи битов информации и повысить емкость системы в пла­не количества клиентов.

ВВЕДЕНИЕ В СИСТЕМЫ GSM

В этой главе предоставляется обзор сотовой системы GSM с акцентом на радиоинтерфейс. Целью не является де­тальный обзор возможностей системы, напротив суммаризируются элементарные понятия системы с целью облег­чить читателю понимание дальнейших тем.

Первый шаг в развитии системы GSM был сделан в 1979 г., когда для нее был выделен диапазон 900 мГц. Дальнейшее развитие система получила в 1982 г., когда было принято решение о создании в Европе всеобщей услуги мобиль­ной связи. Именно так и расшифровывается данная аббре­виатура.

Предлагаемая система должна была соответствовать сле­дующим условиям:

• хорошее в субъективном плане качество речи, сравни­мое с обычными телефонными сетями;
• приемлемые по цене сотовые телефоны и оплата за услу­ги связи;
• адаптируемость телефонов к требованиям законода­тельств разных стран;
• поддержка услуг, внедрямых по мере их возникновения;
• улучшенная эффективность телефонов по сравнению с аппаратами первого поколения;
• совместимость с сетью передачи голоса и данных, реа­лизованных с стационарных телефонных сетях (ISDN);
• надежность связи.

Для решения этих проблем в качестве базы была выбрана цифровая технология передачи данных. Базовый проект си­стемы был реализован в 1987 г. после многочисленных дис­куссий, приведших к выбору ключевых элементов системы, таких как узкополосная схема доступа с разделением по времени — TDMA или модуляционная схема. В 1989 г. ответственность за развитие GSM была передана Европей­скому институту телекоммуникационных стандартов (ETSI). ETSI была поставлена задача унификации европейских правил в телекоммуникационном секторе, и в 1990 г. бы­ла опубликована первая фаза спецификаций GSM. Вторая фаза рекомендаций была опубликована в 1995 г.

Первый GSM телефон был продемонстрирован в 1991 г. в Женеве, на выставке Telecom’91, коммерческие ус­луги сети начали предоставляться в этом же году, а два го­да спустя данная технология уже имела 36 операторов в 22 странах. Система была стандартизирована в Европе, на данный момент она функционирует в 160 странах у 436 опе­раторов. Число абонентов системы растет огромными тем­пами, и на май 2001 г. составляло 500 миллионов.

Тысячи страниц рекомендаций GSM определяют работу операторов, инфраструктуру сети и разработки производи­телей техники мобильной связи, гарантируя тем самым на­дежное взаимодействие между компонентами системы

GSM все еще находится в процессе эволюции, определяя новые функции и развивая существующие. Развитие системы находит свое отражение в выпуске новых рекомендаций, впер­вые опубликованных как фаза 1, затем последовали фаза 2 и 2+. В настоящее время выпуск рекомендаций производится каж­дый год (выпуски 96,97,98,99 и выпуски 4 и 5 в 2000 и 2001 г.).

Как уже указывалось, ответственность за спецификации GSM были возложены на ETSI в конце 1999 г. В течение 2000 г. ответственность за выпуск рекомендаций была пере­дана партнерскому проекту третьего поколения (3GPP). Эта всемирная организация была создана для выра­ботки спецификаций и технических отчетов для создания мобильных систем связи третьего поколения. Партнеры со­гласились сотрудничать для поддержки и развития техниче­ских спецификаций GSM, включая развитие технологий ра­диодоступа, одной из которых является GPRS.

В настоящее время участниками проекта являются:

• Европейская Ассоциация Телекоммуникационных Стан­дартов — ETSI;
• Японская Ассоциация Радиопромышленных Предприятий и Комитет телекоммуникационных технологий Японии — ARIB и TTS;
• Ассоциация Телекоммуникационных Технологий Кореи — ТТА;
• Т1 — Организация Американских Стандартов;
• Группа Китайских Беспроводных Стандартов — CWTS — китайская организация стандартов.

Основные понятия и термины системы GSM

Первые поколения мобильных систем были аналоговы­ми. Они получили резкое развитие в Европе в начале 80-х гг. Так, существовавшие тогда в скандинавских странах систе­мы связи не были совместимы с системами, имевшимися в Великобритании и Италии. По сравнению с этими систе­мами GSM имела следующие преимущества:

—  стандартизация;

—  емкость;

—  качество;

—  надежность.

Стандартизация гарантирует совместимость между систе­мами разных стран, позволяя абонентам использовать свои те­лефоны в странах, адаптированных к цифровым стандартам. Отсутствие стандартов в системах первого поколения ограни­чивало услугу границами одной страны. Мобильность улуч­шилась с тех пор, когда перемещение абонента не ограничива­лось зоной покрытия определенной системы. Звонки могли тарифицироваться по одному личному иденитификатору даже при перемещении абонента из одной страны в другую.

Операторы также могли закупать оборудование разных производителей и составлять компоненты своей сети с уче­том стоимостных характеристик оборудования. Все это вело к созданию приемлемых экономических условий, как для абонентов, так и для операторов, ввиду создания условий конкурентоспособности для различных производителей.

Что касается емкости, то использование радиодиапазона более эффективно у цифровых систем, таких как GSM, чем у аналоговых систем. Это значит, что большее число поль­зователей обслуживается на той же полосе пропускания. Это становится возможным при использовании таких тех­нологий цифровой связи, как алгоритмы сжатия голоса, ко­дирование каналов и множественный доступ.

Качество цифровой системы передачи выше ввиду приме­нения схем кодирования каналов, что улучшает надежность передачи при наличии помех в каналах связи и взаимодей­ствии систем связи различных операторов. Улучшение каче­ства сигнала также достигается контролем над качеством ра­диосигнала, мощностью передатчика и другими параметрами.

Надежность и конфиденциальность достигается введе­нием техник опознания и шифрации как для голоса, так и для данных, что гарантирует защиту доступа к сети.

Сотовая телефония

В мобильных радиосистемах самым важным фактором является использование частотного спектра. Для наилучше­го использования полосы пропускания система проектиру­ется так, что зона обслуживания делится на смежные участ­ки обслуживания. По теории связи эти ячейки имеют шестиугольную форму, что привело к формированию тер­мина «сота» в отношении зоны или ячейки обслуживания и к формированию понятия сотовой сети обслуживания.

Каждая ячейка содержит базовую станцию — приемопере­датчик, который работает на другом диапазоне каналов, чем со­седние станции, во избежание взаимодействия с ними. Это раз­деление позволяет использовать одни и те же частоты в несмежных ячейках. Группа ячеек, использующая весь частот­ный спектр, доступный оператору связи, называется кластером.

Форма зон радиообслуживания на самом деле непрерывно меняется. Она зависит от местоположения базовых станций, которые не могут быть установлены в правильном геометри­ческом порядке, от рельефа местности, от распространения сигнала при наличии помех на местности и других причин.

В нысыщеной городской среде важным фактором является плотность сетевого трафика в определенных участках мест­ности. Для того чтобы иметь возможность обслужить боль­шее число пользователей в этих зонах, оператору приходит­ся уменьшать радиус зоны обслуживания, чтобы увеличить емкость системы в данной географической местности. Это достигается уменьшением мощности сигнала базовой стан­ции. Кроме того, возможно использовать те же частотные диапазоны в этих ячейках. Но вместе с тем, необходимо увеличивать расстояние между ячейками, использующими одни частотные каналы, чтобы избежать взаимодействия частот и возникновения паразитных связей.

Публичная мобильная телефонная сеть

Это сеть, предназначенная для предоставления услуг мо­бильной связи общего пользования. Может рассматривать­ся как расширение стационарной телефонной сети общего пользования или как ее неотъемлемая часть.

Многополосные сотовые телефоны

Из-за различных требований к мобильным сетям в разных странах сотовые телефоны проектируются с уче­том требований многополосности. Действительно, во избе­жание насыщения сети в высоконаселенных городах сото­вые телефоны должны поддерживать возможность работы на разных частотных диапазонах, что бы позволить абонентам взаимодействовать в любой местности и в любое время.

Двухполосные телефоны могут работать на разных ча­стотных диапазонах по одной и той же технологии. Напри­мер, 900- и 1800- мегагерцовый частотный диапазон для GSM Кроме того, на рынке также присутствуют трехполос­ные телефоны GSM, работающие в диапазонах 900, 1800 и 1900 мГц. Телефоны таких типов (1800 и 1900 мГц) ни­когда не продаются в одной стране, поскольку предназначе­ны для абонентов, использующих такой телефон в различ­ных странах.

SIM-карта

Одной из самых интересных особенностей GSM является то, что данные об абоненте не хранятся в самом телефонном аппарате. Вместо этого импользуется смарт-карта «умная карта» или карта со встроенным микропроцессором — мо­дуль идентификации абонента или по-английски SIM.

Для разрешения связи карта должна быть установлена в аппарат. Вследствие этого можно звонить не со своего телефона или иметь несколько телефонов для одной карты. Это удобно для абонентов, бывающих в разных странах, использующих разные частотные диапазоны связи. Так в Европе можно взять напрокат телефон, работающий в диапазоне 1900 мгц в США, используя одну SIM-карту. SIM-карта используется для хранения имен и телефонных номеров в дополнение к тем, что хранятся в памяти самого телефона.

Карта также используется для защиты абонента, позволяя опознавать абонента, а также кодировать и деко­дировать разговоры.

Мобильность

GSM — это сотовая система связи, поддерживающая мо­бильность на больших территориях. В отличие от беспро­водных телефонных систем они поддерживают местополо­жение, перемещение и переключение.

Возможность определять местоположение пользователя не поддерживалась в сотовых системах первого поколения. Это значило, что когда телефон получал входящий звонок, то сеть выдавала широковещательный сигнал на всю зону действия. В GSM, напротив, имеются группы ячеек, опреде­ляемых оператором, называющиеся зонами расположения. Си­стема в состоянии определить зону расположения, в которой находится абонент. Таком образом, когда абонент получает звонок, извещение передается только в эту зону. Это более эффективно использует физические ресурсы.

Перемещение. Системы GSM обладают возможностью международного перемещения или возможностью прини­мать и совершать международные звонки, не покидая дома. Это возможно в силу двусторонних соглашений между операторами. Для обеспечения роуминга SIM-карта содер­жит список сетей, между которыми возможен роуминг.

Когда абонент перемещается в другую страну, телефон автоматически определяет сеть из списка SIM карты в по­рядке очередности расположения сетей, но этот порядок может быть изменен абонентом вручную. Домашняя мо­бильная сеть — это сеть в которой абонент прописан, гостевая мобильная сеть — это сеть, куда перемещается абонент. Ког­да абонент получает звонок в гостевой мобильной сети, пе­ремещение вызова осуществляется оператором домашней мобильной сети в гостевую мобильную сеть.

Переключение. Когда пользователь во время соединения перемещается из зоны действия одной соты в другую соту, ра­диосвязь между базовой станцией и сотовым телефоном заме­щается радиосвязью между другой базовой станцией и телефо­ном. Переключение осуществляется незаметно для абонента. Для двухполосных телефонов возможно переключение с одно­го диапазона, например 900 мГц на диапазон 1800 мГц.

Опорный канал

Для каждой базовой станции сети имеется широковеща­тельный канал для передачи информации об этой станции в систему. Мощность этого сигнала максимальна в данной соте, так что любой сотовый телефон в зоне действия этой соты может получить данный сигнал.

Режим ожидания сотового телефона

При отсутствии соединения сотовый телефон находится в режиме ожидания. Это значит, что он находится в режиме экономного потребления энергии, что не мешает ему син­хронизироваться с сетью и возможностью передавать и принимать вызовы.

Услуги GSM

В спецификациях телекоммуникационных стандартов, таких как GSM, первым шагом является определение услуг, предлагаемых системой. GSM — это цифровая сотовая си­стема, спроектированная для поддержки широкого спектра услуг в зависимости от контракта абонента и возможно­стей сети и сетевого оборудования.

В терминологии GSM телекоммуникационные услуги делятся на две большие группы:

—      передачи — телекоммуникационные сервисы, предоста­вляющие возможности передачи сигналов между точка­ми доступа (взаимодействие «пользователь — сеть»). На­пример, синхронный выделенный пакетный режим передачи данных — это сервис передачи;

—      телесервисы, или удаленные сервисы — телекоммуни­кационные сервисы, предоставляющие полные возмож­ности связи между пользователями, включая функции оконечного оборудования, в соответствии с протокола­ми, установленными соглашениями между оператора­ми связи.

Сервисы передачи

Существуют следующие категории:

—      неограниченный цифровой доступ — предоставляет ци­фровую связь по схеме точка-точка;

—      частота 3,1 кГц, являющаяся внешней частотой для мобильной сети общего пользования и служащая для предоставления неограниченного цифрового доступа к сети ISDN или к стационарной телефонной сети через модем;

—      услуга сборки/разборки асинхронной информации (PAD) позволяет получить доступ пользователям из мо­бильной сети в пакетно-ориентированную сеть передачи данных;

—      пакет — позволяет иметь синхронный доступ в пакетно- ориентированную сеть передачи данных и выбирать между голосом и данными, переключаясь с одного на другое в течение вызова;

—      голос с переходом на данные во время вызова. Нельзя переключаться обратно на передачу голоса.

Телесервисы

В терминах приложений телесервисы объединяют ко­нечное оборудование с сервисами передачи.

Предоставляют доступ к двум типам приложений:

—   между двумя совместимыми терминалами;

—    из точки доступа мобильной сети в систему, включа­ющую высокоуровневые услуги, например, к серверу. Безусловно, основным телесервисом является телефо­ния, передающая оцифрованный голос по радиоканалу. Голосовые вызовы также включают аварийные вызовы, для которых оператор выделяет трехцифровой дозвонный номер.

Другие телесервисы:

—   услуги передачи данных со скоростью передачи от 2,4 до 14,4 Кбит/с. Основаны на передаче, ориентированной на соединение.

—   сервис коротких сообщений — двусторонняя передача ко­ротких символьных сообщений длиной до 160 симво­лов;

—   доступ к услуге голосовых сообщений;

—   передача факсов.

Дополнительные сервисы

Дополнительные сервисы включают в себя некоторые ти­пы переадресации звонка, например, в случае недоступности абонента в локальной сети, идентификацию звонка, ожида­ние звонка, конференции, исключение входящих и исходя­щих звонков. Ограничение на звонки удобно при перемеще­нии абонента в другую страну, когда вопрос экономии средств стоит достаточно остро.

Архитектура сети GSM

Структура сети GSM определяется таким образом, чтобы описывать ее функционирование в терминах функций и интерфейсов. Три основные подсистемы:

—      мобильные сотовые терминалы, в частности сотовые те­лефоны;

—      подсистема базовых станций;

—      система организующая сеть и коммутаторы. Мобильные терминалы состоят из собственно оборудо­вания и модуля идентификации абонента — SIM. Сотовый терминал ответственен:

—      за прием и передачу радиосигнала;

—      кодирование и декодирование канальной информации;

—      модуляцию и демодуляцию голосовой информации;

—      обработку аудиосигнала при прохождении его по ап­паратуре (микрофон — усиление, телефон — усиле­ние);

—     доступ к радиоканалу, контроль мощности сигнала, ча­стотные переходы при звонке.

SIM контролирует список услуг, доступных клиенту, по­зволяет делать вызовы и принимать их. Кроме того, он со­держит уникальный идентификатор абонента или, в наших терминах, федеральный номер. Оборудование сотового те­лефона также имеет уникальный идентификатор. Эти иден­тификаторы независимы друг от друга.

Подсистема базовых станций

Состоит из базовых приемопередатчиков и устройств их управления — контроллеров. Один контроллер может об­служивать несколько приемопередатчиков. Базовые приемо­передатчики ответственны за связь с мобильным оборудо­ванием. Их функции:

—      модуляция — демодуляция;

—      кодирование — декодирование канала;

—      шифрование сигнала;

—      высокочастотное излучение сигнала, управление мощно­стью излучателя.

Физически базовые передатчики делятся на три типа по решаемым задачам: нормальный тип, микропередатчик для работы в масштабах улицы и третий тип — для работы внутри помещений.

Контроллер управляет использованием радиоресурсов базовых передатчиков.

—     захватом и высвобождением радиоканала;

—     переходом на различные частотные полосы;

—     управлением мощностью;

—     передачей абонента в различные зоны действия передатчиков;

—     выбором алгоритма шифрования;

—     контролированием радиосоединения.

Сетевая подсистема

Коммутатор мобильных услуг является центром сетевой подсистемы. Он ответственен за переключение вызовов между мобильными пользователями, между абонентами мобиль­ной и стационарной телефонной сети, управляет входящи­ми и исходящими звонками из различных сетей — ISDN, стационарной телефонной сети, сетей пакетной передачи данных. Также управляет опознанием и регистрацией або­нентов. Обновляет информацию о местоположении клиен­та, передает управление клиентом на другой коммутатор, управляет маршрутом вызова.

Для своей работы коммутатор имеет две базы — журнал местной регистрации и журнал гостевой регистрации. Жур­нал местной регистрации, или журнал местных абонентов, содержит информацию управляющего свойства обо всех абонентах внутри сети. В этой информации содержится международный идентификатор абонента и список услуг, на которые подписан абонент. В журнале местной регистра­ции также содержится текущая информация о клиенте, прописанном в журнале гостевой регистрации.

Гостевой журнал содержит информацию, по сути своей являющейся временной, об абонентах, находящихся в дан­ный момент времени в зоне действия данного коммутатора.

Несмотря на то, что функционально эти части независимы, фактически в каждом коммутаторе содержится журнал го­стевой регистрации.

Коммутатор не содержит информации об оборудовании, находящемся в его зоне действия. Для этого имеется журнал регистрации оборудования, база, хранящая информацию о всех мобильных телефонах сети с помощью международно­го идентификатора оборудования. Идентификатор оборудо­вания может быть помечен как недействительный, что при­ведет к невозможности работы данного устройства, даже при наличии действующей SIM-карты. Данная возможность предназначена для защиты от краж оборудования.

Кроме указанных баз есть еще центр опознания, защи­щенная база, хранящая копии ключей, содержащихся в SIM-картах. Центр опознания проверяет достоверность або­нента, запрашивающего услугу связи. Центр, помимо этого, предоставляет услугу шифровки информации абонента.

Есть еще два компонента — центр поддержки работы се­ти и проведения операций и центр управления сетью. Они предоставляют возможность локального и удаленного управления сетью, ее конфигурирования, тестирования обо­рудования, ведения и управления счетом абонента, оценкой производительности и сбором прочей информации, необхо­димой для формирования отчета о трафике клиента и пре­доставления на ее основе счета к оплате.

Характеристики радиоинтерфейса

В настоящее время GSM функционирует в разных стра­нах, используя при этом различные частотные диапазоны. GSM-900 действует в большинстве стран Европы и почти во всем мире. Его расширение называется E-GSM. DCS-1800 действует на частоте 1800 мГц и в основном действует в Европе. Его используют в зонах городов с высокой плот­ностью абонентов. Также он используется, с целью избежать перенасыщения сети в протоколе GSM-900. PCS-1900 ис­пользуется в Северной Америке. В настоящее время для это­го протокола разрабатывается вторая полоса связи GSM-850. GSM-400 используется в скандинавских странах. Данная ча­стота выбрана по причине существования аналоговой сети «Мобильная северная телефония».

Система основана на принципе частотного разделения с двусторонней одновременной передачей информации (ду­плексирование с частотным разделением). Это значит, что связь от мобильного устройства к сети (телефон передает, база принимает — условное обозначение «uplink» — ап- линк) и oт сети к мобильному устройству (телефон прини­мает, база передает — условное обозначение «downlink» — даунлинк) занимают различные частотные диапазоны.

Например, в 900 мегагерцовом диапазоне E-GSM полоса 880—915 мГц используется при связи от телефона к сети, а блок 925—960 мГц — от сети к телефону. Ниже приведена таблица основных каналов связи для различных систем GSM.

Частотные полосы систем GSM
		Uplink полоса	Downlink полоса
GSM-900		890-915 мГц	935-960 мГц
E-GSM-900		880-915 мГц	925-960 мГц
DCS-1800		1710-1785 мГц	1805-1880 мГц
PCS-1900		1850-1910 мГц	1930-1990 мГц
GSM-400	GSM-450	450,4-457,6 мГц	460,4-467,6 мГц
	GSM-480	478,8-486 мГц	488,8-496 мГц
GSM-850		824-849 мГц	869-894 мГц

Оператор может реализовать сети, реализующие комбинации различных частотных полос, особенно при наличии многополосных телефонов.

Используются различные способы разделения физических ресурсов среди всех пользователей радиосистемы, для этого понятия используют термин «метод множественного доступа». Имеются следующие схемы разделения ресурсов — схемы, поддерживающие одновременные соединения и разделяющие радиоресурсы системы, носят названия множественный доступ с делением частоты (FDMA), множественный доступ с разделением времени (TDMA) и множественный доступ с кодированием (CDMA). GSM одновременно использует методы FDMA и TDMA.

Разделение по частоте заключается в разделении диапа­зона 25 мГц на отдельные каналы, каждый из которых име­ет ширину 200 кГц и используется для передачи мо­дулированного сигнала или несущей. Каждая пара «uplink»/«downlink» называется абсолютным радиочастот­ным каналом (ARFC) и обозначается номером абсолютного радиочастотного канала (ARFCN). ТОМА делит каждый частотный канал на временные слоты — последовательные отрезки времени равной длительности. Временное разделе­ние позволяет восьми пользователям (максимальная вели­чина) использовать одну несущую, при этом каждый поль­зователь может использовать только один временной слот. Последовательность восьми временных слотов называется фреймом. Каждый слот времени идентифицируется номе­ром (TN) от 0 до 7.

Логические каналы

Пара «частотный канал — слот времени» определяет фи­зический канал как для «uplink», так и для «downlink». На физические каналы накладываются (картируются) ло­гические каналы, цель которых состоит в передаче голо­совой и сигнальной информации. Сигнальная информа­ция служит для создания соединения (вызова), и для подстройки радиосоединения на изменения окружающей среды.

Логические каналы можно разделить на два типа: пе­редачи информации пользователя и передачи информации системы — канал трафика и управляющий канал. По функ­циям управляющие каналы можно разделить на 4 типа — широковещательный, выделенный, общего значения и объединенный. Широковещательный канал используется сетью только для передачи к мобильным устройствам ин­формацию общего пользования.

Канал называется выделенным, если только один мо­бильный терминал занимает физический канал, и общим, если по каналу передается информация нескольких пользо­вателей.

Объединенный канал соединен с мобильным устрой­ством в добавление к выделенному каналу и передает сиг­нальную информацию об операциях по этому каналу.

Широковещательные логические каналы передаются на частоте опорного канала. Они служат для:

— синхронизации времени и частоты между мобильной станцией и системой базовых станций. Синхронизация нужна для доступа к услугам соты;

—  оценки качества связи во время соединения, когда из­меряется качество сигнала (мощность) от базовой станции, поддерживающей связь в данный момент вре­мени, и от других станций с тем, чтобы определить мо­мент перехода в зону обслуживания другой базовой станции;

— для доступа к общей информации соты, необходимой для выполнения операций мобильного телефона, для идентификации опорных частот соседних сот, для опре­деления объема услуг соты.

Канал широковещательного управления (ВССН) постоянно передает общую информацию о соте — иден­тификатор базовой станции, используемые частоты, по­следовательности перехода с частоты на частоту. Ин­формация передается внутри блоков системной информации (СИ). Частота передачи СИ зависит от типа информации.

Канал управления частотой (FCCH) используется сото­вым телефоном для подстройки частоты собственного гене­ратора от генератора базовой станции.

Канал синхронизации (SCH) используется сотовым теле­фоном для подстройки времени с базовой станцией.

Четыре канала образуют каналы общего управления — три для управления вызовом с мобильного телефона, один — для передачи вызова на мобильный телефон.

Канал случайного доступа служит для запросов мобиль­ного телефона к сети, для установления соединения по слу­чайному слоту.

Канал извещения служит для информирования мобиль­ного телефона (МТ) о поступившем вызове.

Канал разрешения доступа предназначен для присоеди­нения физических ресурсов к МТ, следует за каналом слу­чайного доступа.

Широковещательный канал соты служит для передачи новостей на все телефоны в зоне действия соты.

Выделенные каналы

Отдельный выделенный канал управления служит для опознания, регистрации, установления вызова, обновления данных о положении.

Медленный ассоциированный канал управления служит для передачи управляющих сигналов со связанным с ним ка­налом данных пользователя или с отдельным выделенным ка­налом управления. Информация этого канала касается управ­ления качеством радиосигнала, то есть мощности сигнала связанного канала или синхронизации времени МТ и базовой станции.

Быстрый ассоциированный канал управления служит для передачи сигналов от сети к МТ для извещения о пере­ходе из соты в соту.

Канал данных пользователя или канал трафика зависит от услуги, предоставляемой пользователю — голос или дан­ные, передаваемые с различной скоростью.

Таблица логических каналов и их назначения
	Логический канал	Сокра­щение	Uplink/ Down­link	Задача
Широковеща­тельные кана­лы (ВСН)	Широковещательный канал управления	ВССН	DL	Вещание систем­ной информации
	Канал управления частотой	FCCH	DL	Синхронизация с частотой соты
	Канал синхронизации	SCH	DL	Синхронизация со временем со­ты и опознание
Каналы общего управления (СССН)	Канал извещения	РСН	DL	Извещение MT
	Канал случайного до­ступа	RACH	UL	Случайный до­ступ
	Канал разрешения доступа	AGCH	DL	Присоединение ресурсов
	Канал широковеща­ния соты	СВСН	DL	Широковеща­ние SMS-сооб- щений
Выделенный канал управления	Отдельный выделен­ный канал управления	SDCCH	UL/DL	Общая информация
	Медленный ассоци­ированный канал управления	SACCH	UL/DL	Информация связанная каналом пользо­вателя
	Быстрый ассоцииро­ванный канал управления	FACCH	UL/DL	Информация, о переходе из соты в соту
Канал данных пользователя или канал трафика	Голосовая информация	TCH/FS	UL/DL	Передача голоса на полном ресур­се
	Голосовая информа­ция	TCH/HS	UL/DL	Передача голо­са на половин­ном ресурсе
	Канал данных на ско­ростях 2,4 Кбит/с, 4,8 Кбит/с, 9,6 Кбит/с, 14,4 Кбит/с	TCH/F2.4 TCH/F4.8 TCH/F9.6 TCH/F14.4	UL/DL	Канал данных на полном ресурсе
	Канал данных на ско­ростях 2,4 Кбит/с, 4,8 Кбит/с	ТСН/Н2.4 ТСН/Н4.8	UL/DL	Канал данных на половинном ресурсе

Отображение логических каналов на физические каналы

Временная структура метода TDMA

Базовой единицей времени является слот времени или временной интервал длительностью 15/26 миллисекун­ды. Информация, передаваемая в этом интервале времени, называется пакетом или английским словом «burst». Длительность восьми слотов времени, то есть фрейма, составляет 4,615 миллисекунды. Слоты времени прону­мерованы от 0 до 7. Фреймы uplink и downlink соедине­ний смещены друг относительно друга по времени. Слот 0 содинения uplink соответствует слоту 3 соединения downlink. Это временное смещение позволяет МТ пере­ключаться с одного соединения на другое или с одной ча­стоты на другую.

Как указывалось ранее, физический канал определяет­ся как последовательность фреймов TDMA и является двунаправленным как от приемника к передатчику, так и обратно. Для поддержки режима криптозащиты дол­жны быть определены фреймы очень большой длитель­ности или гиперфреймы. Их временная длительность со­ставляет 3 часа 28 минут 53 секунды и 760 миллисе­кунд. Фреймы TDMA нумеруются внутри гиперфрейма от 0 до 2 715 647.

Один гиперфрейм делится на 2048 суперфреймов дли­тельностью 6,12 с. Суперфрейм делится на мультифрей- мы. В GSM имеются два типа мультифреймов, они со­держат 26 и 51 фрейм TDMA. Мультифрейм 26 исполь­зуется для передачи канала трафика, а также быстрого и медленного ассоциированных каналов управления. Мультифрейм 51 используется для передачи данных по широковещательному каналу, по каналам общего управ­ления, отдельному выделенному каналу управления сов­местно с быстрым ассоциированным каналом управ­ления. В качестве примечания запомним, что супер­фрейм состоит из 26 мультифреймов 51 или из 51 мульти- фрейма 26.

Отображение канала трафика и медленного ассоци­ированного канала управления на мультифрейм 26

Канал трафика является двунаправленным каналом. Различают два типа каналов: полноскоростной и полуско­ростной. Полноскоростной канал трафика использует один временной слот для каждого фрейма в мультифрейме, за исключением фреймов 12 и 25. Фрейм 12 использу­ется для передачи медленного ассоциированного канала управления, а фрейм 25 используется для ожидания, то есть ни один канал не передается в течение этого интерва­ла времени.

Пол у скоростной канал трафика использует один времен­ной слот каждого второго фрейма в мультифрейме. Таким образом, в мультифрейме передаются два полускоростных канала трафика. Фрейм 12 используется для медленного ас­социированного канала управления первого полускорост­ного канала, фрейм 25 — для медленного ассоциированного канала управления второго полускоростного канала

Отображение быстрого ассоциированного канала управления на мультифрейм 26

Быстрый ассоциированный канал управления связан с каналом трафика и передает высокоскоростные сигналы управления, требуемые для установления соединения, опоз­нания абонента и управления переходом из одной зоны в другую. Появление этого канала в мультифрейме строго не фиксировано, как для медленного канала. Вместо этого бы­стрый канал появляется во фрейме, зарезервированном для канала трафика. Мультиплексирование каналов возможно при замене голосового пакета пакетом информации быстро­го канала. Приемное устройство извещается об этом путем установки флага подмены. Этот принцип позволяет не те­рять качество речи, если быстрый канал не появляется в ка­нале трафика достаточно часто.

Отображение отдельного выделенного канала управ­ления на мультифрейм 51

Данный канал несет управляющую информацию более высокого уровня в системе. С этим каналом связан медлен­ный канал управления.

Во фрейме 51 возможно два режима совмещения каналов

—     Отдельный выделенный канал управления совместно с мед­ленным каналом. Отдельный канал отображается на четыре фрейма мультифрейма 51. Восемь каналов, выделенных для восьми мобильных устройств, также отображаются на этот мультифрейм. Незанятые фреймы мультифрейма использу­ются для отображения восьми медленных ассоциированных каналов. Отображение этих связанных каналов производит­ся на двух последовательных мультифреймах 51.

—     Отдельный и медленный канал отображаются совместно с общими каналами управления, широковещательным каналом, каналами синхронизации времени и частоты. Методика захвата фрейма, как в случае быстрого канала,

в канале трафика не срабатывает с отдельным выделенным каналом управления по причине достаточно высокой скоро­сти передачи сигнала перехода в другую зону через отдель­ный выделенный канал управления.

Отображение широковещательных каналов управле­ния и каналов общего назначения на мультифрейм 51

Эти каналы мультиплексируются в мультифрейме на ча­стоте сервиса передачи. Канал коррекции частоты передается в слоте времени 0, фреймах 0, 10, 20, 30, 40. Канал синхрони­зации времени также передается в слоте времени 0, фреймах 1, 11,21,31,41. Широковещательный канал передается в сло­те времени 0, во фреймах, не занятых двумя предыдущими. Кроме того, он может передаваться в слотах времени 2, 4, 6.

Канал разрешения доступа и канал извещения динамиче­ски размещаются в мультифрейме в зависимости от загруз­ки сети. Они тоже используют слот времени 0, а также могут использовать слоты времени 2, 4, 6. Широковеща­тельный канал и каналы общего управления отображаются динамически, точное значение отображения передается на мобильное устройство в блоке системной информации, пе­редаваемой через широковещательный канал.

Один из параметров широковещательной информации также сообщает о том, объединяются ли каналы общего управления с отдельным выделенным и медленным канала­ми или нет.

Суммарные комбинации отображения логических каналов.

Для того, чтобы помочь читателю облегчить запомина­ние и понимание возможных комбинаций логических кана­лов приведем их в сжатой форме.

1. TCH/F + FACCH/F + SACCH/TF
2. ТСН/Н+ FACCH/H + БАССНЯН
3. FCCH + SCH + ВССН + СССН
4. FCCH + SCH + ВССН + СССН + SDCCH + SACCH
5. ВССН + СССН
6. SDCCH + SACCH

Другие логические каналы существуют для пакетно-ориентированных услуг и рассматриваются далее в разделах о GPRS.