Исследование структуры и принципов функционирования системы мобильной радиосвязи GSM

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………. 3
1Общие сведения о принципах построения и функционирования мобильной радиосвязи GSM……………… 4
1.1Принципы построения системы мобильной радиосвязи GSM… 4
1.2Трафик и протоколы сетей системы мобильной радиосвязи GSM……………………………………………………………………….. 10
1.3Сигналы, используемые в системах мобильной радиосвязи GSM………………………………………………………………………... 14
1.4Выводы по первой главе………………………………………….. 17
2Построение модели системы мобильной радиосвязи GSM и исследование её характеристик…………………………………………. 18
2.1Построение модели системы мобильной радиосвязи GSM…….. 18
2.2Исследование характеристик системы мобильной радиосвязи GSM на основе её моделей………………………………………………. 23
2.3Временное и частотное представление сигнала…………………. 26
2.4Выводы по второй главе…………………………………………... 27
3Перспективы развития систем мобильной радиосвязи GSM…… 28
3.1Анализ перспективных направлений развития системы мобильной радиосвязи GSM…………………………………………….. 27
3.2Обоснования места и роли системы мобильной радиосвязи GSM в перспективных СПИ……………………………………………... 29
3.3Выводы по третьей главе…………………………………………. 32
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………… 33
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………... 34

ВВЕДЕНИЕ
Любая радиосвязь, позволяющая абоненту пользоваться ею без привязки к конкретному месту: сотовая, пейджинговая, с помощью радиотелефонов, радиоудлинителей, раций и т. д. называется мобильной. Сотовая связь - разновидность мобильной связи, организованная по принципу сот или ячеек, путем размещения базовых станций, которые покрывают локальную территорию [1].
Первая система сотовой связи, состоящая из одного шестиканального передатчика, была создана в североамериканском городе Сент-Луисе ещё в 1946 г. Активное же внедрение сотовой связи началось значительно позже. Первые коммерческие системы появились в Америке в 1979 г., а приобрели национальный масштаб только в 1980-х. Например, в 1981 г. в Европе появилась первая международная система, объединившая Норвегию, Данию, Швецию и Финляндию.
В итоге в начале 1980-х гг. в Европе уже существовало более двадцати различных не совместимых между собой аналоговых сетей. Несовместимость стандартов мешала распространению сотовой телефонии, усложняла жизнь и операторам, и абонентам. Невозможно было, к примеру, осуществлять автоматический роуминг при перемещении из зоны действия одной сети в зону действия другой. И абонентские устройства, сами сотовые телефоны были далеко не универсальными. Для каждого типа сотовой связи нужно было разрабатывать уникальную аппаратуру.
Существовавшие на тот момент стандарты относят к стандартам первого поколения (1G - first generation). Это стандарты аналоговой сотовой связи. Их примерами является скандинавская система NMT, английская TACS и американская AMPS. Одним из самых живучих стандартов первого поколения стал цифровой стандарт D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone Service), который довольно долго был популярен в России, так же как и его аналоговый вариант AMPS.
В целях принятия единого стандарта в 1982 г. была создана специальная группа под названием Group Special Mobile (GSM), в которую вошли представители 24 западноевропейских стран. Разработчики новой системы резонно полагали, что цифровые методы сжатия и кодирования информации значительно расширят применения сотовой связи, обеспечат лучшее качество и предоставят пользователям невиданные ранее сервисы. В качестве стандарта была принята цифровая система компании «Mannesmann», внедренная в 1991 г. в Германии.
Таким образом, в середине 1991 г. началась коммерческая эксплуатация первой сети этого стандарта. Сегодня GSM является самой распространенной системой сотовой связи в мире, а ее название расшифровывается иначе - Global System for Mobile telecommunications -глобальная система мобильных телекоммуникаций. GSM на сегодняшний день является наиболее распространенным стандартом связи. По данным ассоциации GSMA на данный стандарт приходится 82 % мирового рынка мобильной связи. В GSMA в настоящее время входят операторы более чем 210 стран и территорий. GSM относится к сетям второго поколения (2 Generation).
Общие сведения о принципах построения и функционирования мобильной радиосвязи GSM
Принципы построения системы мобильной радиосвязи GSM
Принцип построения сотовых систем состоит в следующем: в пределах территории действия сети устанавливается некоторое количество относительно маломощных стационарных приемопередающих станций (базовых станций), каждая из которых имеет небольшую зону действия (обычно несколько километров). При этом зоны действия соседних станций несколько перекрывают друг друга, чтобы обеспечить возможность перемещения абонента из одной зоны в другую без потери связи. Чтобы такое перекрытие было возможным, соседние станции должны использовать различные рабочие частоты. Для полного покрытия определенной территории требуются как минимум три различные частоты, чтобы расположенные в виде треугольника станции могли иметь перекрытие зон обслуживания. Четвертая же станция может снова использовать одну из этих трех частот, так как она граничит только с двумя зонами. При таком подходе форма зоны действия каждой базовой станции представляет собой шестиугольник, а расположение этих зон в точности повторяет структуру пчелиных сот, что и дало название системам связи с подобным принципом построения.
Радиозоны соседних сот на границах соседствующих зон имеют взаимное перекрытие, что обеспечивает безобрывную связь при переходе пользователя из одной зоны в другую. Каждая сота имеет свою базовую станцию, а вся система имеет единый центр управления – центр коммутации мобильной связи (ЦК) (MSC-Mobile (services) Switching Center). Возможны системы с несколькими центрами коммутации, один из которых назначается ведущим (GMSC-Gateway Mobile Switching Center). На рис. 1.1.1 показан пример многосотовой структуры.
Рис. 1.1.1. Структура многосотовой системы.
Систему из сот, окружающих одну общую соту, называют кластером (Cluster). Разбиение большой системы на кластеры производится с целью повторного использования частот одного кластера в других кластерах. Используют кластеры из 3, 4, 7, 9 и 12 сот. Стандартным считается семисотовая система. Диапазон частот, отведенный системам подвижной связи, невелик и его распределяют внутри кластера. Для увеличения количества пользователей (емкости системы) каждой соте при частотном планировании выделяют лишь некоторую часть от всего выделенного диапазона частот. Таким образом, частоты одного кластера теперь могут повторяться в других кластерах. Возможное взаимное влияние сот, имеющих одинаковые частоты, уменьшают распределением одинаковых частот в наиболее удаленных друг от друга сотах. Например, одинаковые частоты могут быть в сотах с одинаковыми номерами согласно рис. 1.1.1.
Совокупность локальных территорий составляет зону обслуживания оператора. Уровень сигнала в конкретном месте зависит от близости к базовой станции, рельефа местности, застройки, индустриальных помех и других факторов. Сигнал с базовой станции передается на коммутатор и обрабатывается им.
В состав оборудования системы сотовой связи входят базовые станции и центр коммутации, соединенные по выделенным проводным или радиорелейным каналам, как показано на рис. 1.1.2 [1].
Рис. 1.1.2. Состав оборудования системы сотовой связи
Центр коммуникации - это автоматическая телефонная станция системы сотовой связи, обеспечивающая все функции управления сетью: слежение за подвижными абонентами, организация их эстафетной передачи, переключение рабочих каналов в соте при появлении помех, соединение абонента с абонентом обычной телефонной сети.
Базовая станция представляет собой многоканальный приемопередатчик, работающий в режиме приема и передачи сигнала и служащий своеобразным интерфейсом между сотовым телефоном и центром коммуникации подвижной связи.
Число каналов базовой станции обычно кратно восьми: 8, 16, 32. Один из каналов является управляющим, или каналом вызова, поскольку именно на нем производится установление соединения при вызове подвижного абонента сети, однако разговор происходит после переключения на другой канал, свободный в данный момент. Сама идея сотовой сети мобильной связи заключается в том, что, еще не выйдя из зоны действия одной базовой станции, телефон и его владелец попадают в зону действия следующей и так вплоть до наружной границы всей зоны покрытия сети. При этом сотовая связь не обязательно подразумевает мобильность: сегодня во всем мире все большее распространение получает так называемая «сотовая фиксированная связь». Такое решение часто оказывается экономически выгодным -отпадает необходимость в дорогостоящей прокладке телефонного кабеля, а одной мощной базовой станции вполне достаточно для телефонизации целого микрорайона. Антенны базовых станций устанавливаются в городе на высоте 15-100 м от поверхности земли на уже существующих постройках (общественных, производственных зданиях, жилых домах, дымовых трубах), а за городом - на высоких мачтах.
Система сотовой связи функционирует по следующему алгоритму. В режиме ожидания (трубка положена) приемное устройство радиотелефона постоянно сканирует либо все каналы системы, либо только управляющие. Для вызова соответствующего абонента всеми базовыми станциями системы связи по управляющим каналам передается сигнал вызова. Сотовый телефон вызываемого абонента при получении этого сигнала отвечает по одному из свободных каналов управления. Базовые станции, принявшие ответный сигнал, передают информацию о его параметрах в центр коммуникации, который в свою очередь переключает разговор на ту базовую станцию, где зафиксирован максимальный уровень сигнала сотового телефона вызываемого абонента. Число абонентов в каждой соте непостоянно, поскольку они перемешаются из соты в соту. При пересечении границы между сотами производится автоматическое переключение абонента на обслуживание в другой соте.В сравнении с аналоговыми стандартами, GSM имеет целый ряд преимуществ. Основное из них – применение маломощных передатчиков в абонентских аппаратах и в базовых станциях. Это удешевляет саму аппаратуру, но не сказывается на качестве связи. Кроме того, передача информации в цифровом виде позволяет легко обеспечить высокую степень конфиденциальности переговоров и широкий спектр сервисных функций.
Технология GSM - это на самом деле целый «букет» сложнейших технологий. Первая из них - технология оцифровки и кодирования звука. Поскольку эти операции требуют немалых вычислительных ресурсов, то в каждом сотовом телефоне, даже в самом дешевом, работает достаточно мощный специализированный процессор. Процессор реализует и технологию многоканального выравнивания. Дело в том, что в диапазоне 900 МГц и выше радиосигнал легко отражается от стен зданий и других препятствий. В результате телефон получает множество отличающихся по фазе сигналов, из которых выделяет нужный, а остальные игнорирует.
Еще одна любопытная особенность GSM - прерывистая передача. Когда мы молчим, телефон отключает передатчик. Как только заговорим - включает. Этот механизм позволяет свести к минимуму энергопотребление сотового телефона.
Все сотовые телефоны в зависимости от мощности встроенных радиопередатчиков подразделяются на несколько классов. Большинство популярных моделей имеют мощность до 0,8 Вт. Но обычно, когда базовая станция находится рядом с абонентским устройством (а «соты» GSM в больших городах располагаются достаточно густо, чтобы избежать «мертвых» зон между строениями), полная мощность передатчика телефона для поддержания устойчивой связи не нужна. Для регулировки мощности используется механизм анализа количества ошибок при передаче-приеме. На его основе мощность передатчика базовой станции и телефона понижается до уровня, когда качество связи достаточно стабильно.
Намного более сложным представляется с точки зрения рядового абонента система передачи сигнала от одной базовой станции к другой, выделения каналов связи и прочее [1].
Трафик и протоколы сетей системы мобильной радиосвязи GSM
Все операторы сотовой GSM-связи, кроме передачи речевых сообщений, предоставляют стандартный набор услуг по передаче данных: CSD, GPRS, EDGE, WAP.
CSD (Circuit Switched Data или GSM Data) - стандартная технология передачи данных с коммутацией каналов в сети GSM. Для того чтобы воспользоваться CSD-услугами, необходимо иметь мобильный телефон с поддержкой CSD. При этом абсолютное большинство мобильных телефонов поддерживает технологию CSD.
Преимущества CSD:
• постоянная скорость передачи данных - 9,6 кбит/с;
• наиболее обширная зона CSD-покрытия, которая соответствует зоне GSM-покрытия;
• тарификация CSD-услуг не зависит от объема переданных и полученных данных;
• стабильное CSD-соединение.
Особенности CSD:
• при использовании CSD информация передается по одному выделенному и закрепленному за CSD-соединением радиоканалу;
• CSD совместима со всеми самыми распространенными аналоговыми и цифровыми протоколами передачи данных.
Мобильный трафик – это количество минут сотовой связи, потребляемое абонентом [2].
Интернет-трафик – это количество мегабайт, потребляемое смартфоном, планшетом или компьютером. Пакеты трафика включаются во все современные тарифы сотовых операторов [2].
Для доступа в Интернет непосредственно с мобильного телефона подключайте услугу WAP (Wireless Application Protocol). При этом для работы в Интернете не нужен компьютер, достаточно только мобильного телефона, поддерживающего WAP. Многие сайты в Интернет имеют свои WAP-версии, оптимизированные специально для доступа с мобильных телефонов. Применение данной услуги будет более подробно рассмотрено далее.
Для скоростного доступа в Интернет обычно используется технологии GPRS или EDGE. GPRS (General Packet Radio Service) - это технология пакетной передачи данных, которая позволяет с помощью мобильного телефона получать и передавать информацию на более высоких скоростях по сравнению со стандартным голосовым каналом GSM (9,6 кбит/с). Максимальная скорость в GPRS составляет 171,2 кбит/с. Можно выйти в Интернет со своего мобильного телефона с помощью WAP-технологии как с использованием GPRS, так и без нее. EDGE (Enhanced Data-Rates For GSM Evolution) - это логическое продолжение GPRS, обеспечивающее более высокую скорость передачи данных - до 384 кбит/с. EDGE предоставляет пользователю те же услуги, что и GPRS. Технология EDGE не требует дополнительных настроек, в зоне покрытия мобильный телефон выберет её автоматически [1].
Функции регистрации (registration), аутентификации (authentication), маршрутизации вызова (call routing), обновления координат местоположения, механизм передачи соединения (handover) выполняются подсистемой сети, главным образом используя протоколы сигнализации системы мобильной связи, основанные на протоколах системы ОКС-7. Структура этих протоколов показана на рис. 1.2.1.
Существует довольно объёмная структура протоколов GSM [3].
Рис. 1.2.1. Общая структура протоколов GSM
Основное описание протоколов сети GSM дано в документах ETSI. Эти документы представляют собой некоторые группы, систематизированные по версиям.
Таблица 1 – Протоколы сети GSM
CM Connection ManagementУправление соединением
MM Mobility ManagementУправление мобильностью
RRM Radio Resources ManagementУправление радиоресурсомLAPD Link Access Protocol D Процедура доступа к звену передачи данных по каналу D (m — обозначает воздушный интерфейс)
BTSM Base Transceiver Station ManagementУправление базовой приемопередающей станцией
BSSAP BSS Application PartПрикладная часть (подсистема) системы базовой станции
SCCP Signaling Connection Control PartПодсистема управления соединениемканалов сигнализации
MTP Massage Transfer PartПодсистема передачи сообщений
Протоколы в GSM разделены на три уровня в зависимости от интерфейса, как показано на рис. 1.2.1.
Участок «мобильная станция – базовая станция» использует следующие уровни. Уровень 1 – физический уровень, который использует структуры канала, рассмотренные выше, по «воздушному интерфейсу». Уровень 2 – уровень звена передачи данных по интерфейсу Um, уровень звена передачи данных – это модифицированная версия процедуры LAPD, применяемой в ISDN, называемая LAPDm. Уровень 3 – протокол, использующий также модифицированную версию LAPD, самостоятельно разделен на три следующих подслоя.
Управление радиоресурсами (RRM – Radio Resources Management) – управляет первоначальной установкой оконечных устройств, включением радио- и фиксированных каналов, их обслуживанием, а также обеспечивает процедуру хэндовера.
Управление передвижением (ММ – Mobility Management) – управляет обновлением местоположения и процедурами регистрации, а также защитой и аутентификацией.
Управление соединением (СМ – Connection Management) – осуществляет общий процесс управления установлением соединения и сигнализацией и управляет дополнительными услугами, а также службой передачи коротких сообщений.
При взаимодействии базовой приемопередающей станции (BTS) с контроллером базовой станции (BSC) используется интерфейс Abis, который обеспечивает управление базовой приемопередающей станцией (BTSM – Base Transceiver Station Management).
Передача сигналов между различными объектами в фиксированной части сети (интерфейс А) использует следующие протоколы: на уровне 1 – МТР (Message Transfer Part – подсистема передачи сообщений); на уровне 2 – SCCP (Signaling Connection Control Part – подсистема управления соединением канала сигнализации), принадлежащий системе сигнализации ОКС-7. На уровне 3 применяют перечисленные выше протоколы GSM – ММ и СМ.
Подсистема третьего уровня BSSAP (BSS Application Part – прикладная часть системы базовой станции) предназначена для связи контроллера базовой станции (BSS) с центром коммутации мобильной связи (MSC). Спецификация MAP весьма сложна и изложена на более чем 500 страницах, это – один из самых длинных документов в рекомендациях GSM.
Сигналы, используемые в системах мобильной радиосвязи GSM
Наиболее важным и сложным с точки зрения реализации в любой системе сотовой связи является интерфейс между базовой станцией (BTS) и мобильной станцией (MS). Наибольшую сложность вызывает необходимость в ограниченном частотном диапазоне при воздействии помех передать как можно больше информации от как можно большего числа абонентов. От того, насколько эффективно будет решена вышеуказанная проблема и зависит успех той или иной системы сотовой связи [4].
Весь частотный диапазон в окружающем пространстве является общедоступным ресурсом, к которому теоретически каждый может получить доступ. Однако при одновременно передаче в одном и том же частотном диапазоне произойдет примерно то же самое, как если бы по одному телефону пытались разговаривать одновременно несколько абонентов, т.е. произойдет наложение сигналов или интерференция. Интерференция в радио пространстве будет ухудшать качество соединения, постоянно будут возникать ошибки и перезапросы, и, в конечном счете, это приведет к обрыву соединения. Чтобы не допустить возникновения интерференции, весь частотный диапазон поделен на диапазоны (полосы). В сотовой связи, например, используются диапазоны радиочастот 900, 1800, 1900 и 2100 МГц. Существуют также и довольно распространены мультидиапазонные (Dual-Band, Multi-Band) телефоны, способные работать в диапазонах 900/1800 МГц, 850/1900 МГц, 900/1800/1900 МГц, 2100 МГц и некоторые другие в зависимости от стандарта и страны. Цифра в названии диапазона указывает не на начало, конец или ширину частотной полосы. Это лишь условное название, а сами частоты располагаются в районе данной частоты [1], [4].
Рис. 1.3.1. Схематичное распределение каналов мобильной радиосвязи GSM
Концепции сотовой связи присущи две наиболее характерные особенности: многократное использование одних и тех же частот и разделение сотовых ячеек.
Многократное использование одних и тех же радиочастот означает одновременное использование одной и той же частоты, или радиоканала, для ведения различных телефонных разговоров на одной и той же географически определенной территории. Идея использовать для работы нескольких независимых передатчиков одну и ту же частоту не является чем-то новым – подобный приём используется всеми службами радиовещания. Что действительно нового внесла в этот принцип система сотовой связи, так это то, что абоненты сотовой связи расположены достаточно близко друг к другу, – два абонента, использующие одну и ту же частоту, могут находиться всего на расстоянии нескольких десятков километров друг от друга, а не на расстоянии в сотни километров. Это достигается за счет использования сравнительно маломощных передатчиков в многочисленных узлах сотовой связи, в отличие от варианта использования одного, но гораздо более мощного передающего устройства. Каждый передатчик системы сотовой связи обслуживает только свою собственную ячейку, причем ячейки с одинаковыми рабочими частотами располагаются достаточно далеко друг от друга, чтобы не создавать друг для друга радиопомех и использовать те же самые частоты.
Принцип многократного деления ячеек основывается на той идее, что размеры сотовой ячейки не являются строго фиксированными и могут изменяться на одной и той же территории или с течением времени. Первоначально все ячейки на данной территории могут иметь достаточно большую площадь покрытия. Если же количество абонентов в какой-то определенной сотовой ячейке становится слишком велико, чтобы все вызовы оказались обработанными с установленным для системы связи качеством, то перегруженная ячейка делится на ряд более мелких ячеек путем добавления нескольких дополнительных передатчиков. Тот же самый главный коммутационный центр мобильной связи, MTSO, будет продолжать обслуживание всех узлов сотовой связи, за тем небольшим исключением, что может оказаться перед необходимостью использовать более мощный компьютер или дополнительные коммутирующие устройства.
Выводы по первой главе
Из первой главы следует, что системы мобильной радиосвязи GSM по историческим меркам являются относительно молодыми системами. Первая система сотовой связи, состоящая из простейшего передатчика, была создана в североамериканском городе Сент-Луисе ещё в 1946 г. Далее, благодаря своей эффективности по передачи радиосигнала на дальние расстояния, мобильные сети стали широко популярны. Успеху также способствовало принятие в 1982 г. единого стандарта в рамках группы, названной Group Special Mobile (GSM), в которую вошли представители 24 западноевропейских стран.
Главной особенностью мобильной радиосвязи GSM является то, что весь частотный диапазон поделен на диапазоны (полосы). Это сделано для того,чтобы не произошло наложение сигналов или интерференция друг на друга. Также важен размер соты, определяющей сколько абонентов могут одновременно обслуживаться.
Построение модели системы мобильной радиосвязи GSM и исследование её характеристик
Построение модели системы мобильной радиосвязи GSM
Модель одной соты сети мобильной радиосвязи GSM можно упрощенно представить в виде, показанном на рис. 2.1.1.
Рис. 2.1.1. Модель структуры односотовой системы мобильной радиосвязи GSM
MS (Mobile Station) – мобильная станция (возимая, носимая или карманного типа); BTS (Base Transceiver Station) – трансивер базовой станции; BSC (Base Station Controller) – контроллер базовой станции; BSS (Base Station Subsystem) - подсистема (радиочастотная часть) базовой станции; MSC (Mobile services Switching Center) – коммутатор подвижной связи; HLR (Home Location Register) – «домашний» регистр; VLR (Visitor Location Register) – «гостевой» регистр; AuC (Authentification Center) - центр авторизации (аутентификации); EIR (Equipment Identity Register) – регистр идентификации оборудования; NSS (Network and Switching Subsystem) – подсистема сети и коммутации.
Модель структуры, состоящей из многих сот (ячеек), становится значительно сложнее.
Рис. 2.1.2. Модель структуры системы мобильной радиосвязи GSM, состоящей из многих сот (ячеек)
Подвижная станция (ПС) (MS – Mobile Station) – это маленькое портативное устройство, приобретаемое пользователем. Оно представляет собой приемопередатчик, способный выполнять множество функций. В его состав входят: блок управления, приемопередающий блок и антенный блок. Подробнее блок схема ПС приведена на рис. 2.1.3.
Рис. 2.1.3. Блок-схема подвижной станции
Кодер речи служит для преобразования цифрового сигнала с целью сокращения избыточности (декодер осуществляет обратное преобразование). Кодер канала добавляет в цифровой сигнал, получаемый с выхода кодера речи, дополнительную (избыточную) информацию, предназначенную для защиты от ошибок при передаче сигнала по линии связи. С этой же целью в кодере канала информация подвергается определенной переупаковке (перемежению). Кроме того, в кодере канала в состав сигнала вводится информация управления, поступающая из логического блока. Декодер канала выделяет из входного потока управляющую информацию и направляет ее на логический блок. Принятая информация проверяется на наличие ошибок; выявленные ошибки исправляются. Для последующей обработки принятая информация подвергается обратной переупаковке для правильной расстановке во времени фрагментов переданной информации. Эквалайзер служит для частичной компенсации искажений сигнала вследствие многолучевого распространения. По существу он является адаптивным фильтром, настраиваемым по сигналам так называемой обучающей последовательности, специально посылаемым базовой станцией в составе передаваемой информации. Блок эквалайзера не является функционально необходимым и в некоторых моделях подвижных станций может отсутствовать. Более подробно об отдельных узлах ПС будет сказано в последующем.
При разработке современных систем связи пользуются разделением системы связи по функциональным слоям (Layer) в соответствии с моделью ISO / OSI. Различают 7 уровней.
Таблица 2 – Функциональные слои (Layer), построенные в соответствии с моделью ISO / OSI
Layer 7 APPLICATION
(приложений) Application protocols, user-oriented provision of communication media (Протоколы приложений, обеспечивающие связь пользователя с системой)
Layer 6 PRESENTATION
(представлений) Application specific format transfer (Преобразование информации в специальный вид)
Layer 5 SESSION
(подключений) Connection of application processes, billing (Приложения процессов подключения, биллинг)
Layer 4 TRANSPORT
(транспотртный) Flow control for point-to-point connections (Управление соединениями (типа точка-точка))
Layer 3 NETWORK
(сетевой) Connection and switching of communication links (Соединение и коммутация линий)
Layer 2 DATA LINK
(передача данных) Control of signaling links, block transfer of signaling data
(Управление каналами сигнализации)
Layer 1 PHYSICAL
(физический) Physical transmission, coding, error correction, modulation, etc.
(Физическая среда передачи, кодирование, коррекция ошибок, модуляция и т.п.)
От низшего 1-го уровня к высшему 7-му. Низший уровень (1 Layer) – это физический уровень – уровень среды передачи; Layer 2 – слой управления сигнализацией, Layer 3 – сетевой слой высший уровень и (7 Layer) – слой пользователей. В такой модели обмен информацией происходит как внутри слоя, так и между слоями. Внутри слоя (может быть это просто уровень передачи сигналов между блоками устройства) протоколы обмена могут быть разработаны каждым производителем и могут модернизироваться или меняться. Однако, между слоями (стыками) протоколы обмена стандартизованы и унифицированы для всех производителей, что обеспечивает совместимость функционального оборудования от различных производителей.
Исследование характеристик системы мобильной радиосвязи GSM на основе её моделей
В физической среде передачу данных можно осуществить по-разному. Например, можно использовать
- метод частотного разделения каналов (FDMA);
- метод временного разделения каналов (TDMA);
- метод кодового разделения каналов (CDMA).
В соответствии с рекомендацией СЕРТ 1980 г., касающейся использования спектра частот подвижной связи в диапазоне частот 862-960 МГц, стандарт GSM на цифровую общеевропейскую (глобальную) сотовую систему наземной подвижной связи предусматривает работу передатчиков в двух диапазонах частот: 890-915 МГц (для передатчиков подвижных станций - MS), 935-960 МГц (для передатчиков базовых станций - BTS) [5] – [6].В стандарте GSM используется узкополосный многостанционный доступ с временным разделением каналов (NB ТDМА). В структуре ТDМА кадра содержится 8 временных позиций на каждой из 124 несущих.
Для защиты от ошибок в радиоканалах при передаче информационных сообщений применяется блочное и сверточное кодирование с перемежением. Повышение эффективности кодирования и перемежения при малой скорости перемещения подвижных станций достигается медленным переключением рабочих частот (SFH) в процессе сеанса связи со скоростью 217 скачков в секунду.
Для борьбы с интерференционными замираниями принимаемых сигналов, вызванными многолучевым распространением радиоволн в условиях города, в аппаратуре связи используются эквалайзеры, обеспечивающие выравнивание импульсных сигналов со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16 мкс.
Система синхронизации рассчитана на компенсацию абсолютного времени задержки сигналов до 233 мкс, что соответствует максимальной дальности связи или максимальному радиусу ячейки (соты) 35 км.
В стандарте GSM выбрана гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Обработка речи осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи (DTX), которая обеспечивает включение передатчика только при наличии речевого сигнала и отключение передатчика в паузах и в конце разговора. В качестве речепреобразующего устройства выбран речевой кодек с регулярным импульсным возбуждением/долговременным предсказанием и линейным предикативным кодированием с предсказанием (RPE/LTR-LTP-кодек). Общая скорость преобразования речево, о сигнала - 13 кбит/с.
В стандарте GSM достигается высокая степень безопасности передачи сообщений; осуществляется шифрование сообщений по алгоритму шифрования с открытым ключом (RSA).
В целом система связи, действующая в стандарте GSM, рассчитана на ее использование в различных сферах. Она предоставляет пользователям широкий диапазон услуг и возможность применять разнообразное оборудование для передачи речевых сообщений и данных, вызывных и аварийных сигналов; подключаться к телефонным сетям общего пользования (PSTN), сетям передачи данных (PDN) и цифровым сетям с интеграцией служб (ISDN).
Таблица 3 – Основные характеристики стандарта GSM [7]
Частоты передачи подвижной станции приема базовой станции, МГц 890 - 915
Частоты приема подвижной станции и передачи базовой станции, МГц 935 - 960
Дуплексный разнос частот приема и передачи, МГц 45
Скорость передачи сообщений в радиоканале, кбит/с 270, 833
Скорость преобразования речевого кодека, кбит/с13
Ширина полосы канала связи, кГц 200
Максимальное количество каналов связи 124
Максимальное количество каналов, организуемых в базовой станции 16-20
Вид модуляции GMSK
Индекс модуляции ВТ 0,3
Ширина полосы предмодуляционного гауссовского фильтра, кГц 81,2
Количество скачков по частоте в секунду 217
Временное разнесение в интервалах ТDМА кадра (передача/прием) для подвижной станции 2
Вид речевого кодека RPE/LTP
Максимальный радиус соты, км до 35
В системах стандарта GSM применяют частотное разделение каналов (124 частотных канала в отведенном диапазоне частот шириной 25 МГц). Каждый частотный канал подвергается временному уплотнению в 8 раз методами TDMA.
Временное и частотное представление сигнала
Возможны два представления сигнала: временное, при котором f(t) выражается как функция времени, и частотное, при котором определён спектр (т.е. амплитуды различных частотных составляющих). Преобразование Фурье служит инструментом, позволяющим представлять данный сигнал экспоненциальными составляющими. Функция F(ω) есть прямое преобразование Фурье сигнала f(t). F(ω) представляет сигнал f(t) в частотной области. Временное представление определяет некоторый сигнал в каждый момент времени, тогда как частотное представление характеризует относительные амплитуды частотных составляющих сигнала. Любое из этих представлений полностью определяет сигнал [9].
Рис. 2.3.1. Временное и частотное представление сигнала [10]
Слева на рисунке 2.3.1 показан сигнал во временной области, а справа тот же сигнал в частотной области. Представление сигнала во временной области показывает зависимость амплитуды от времени, тогда как представление сигнала в частотной области показывает зависимость амплитуды от частоты. Сложив соответствующим образом спектральные составляющие (или набор синусоидальных сигналов), вы можете наблюдать сигнал во временной области. Во временной области сигнал представлен зависимостью амплитуды от времени. Такое представление сигнала обычно происходит на экране осциллографа. Представление сигнала во временной области показывает изменение сигнала во времени. Это позволяет видеть моменты времени с разными значениями амплитуды.
Но наблюдение сигнала во временной области не всегда даёт всю необходимую информацию. Например, во временной области можно увидеть, что сигнал не является чистой синусоидой, однако нельзя понять, почему это происходит. Здесь наступает время перейти в частотную область. В частотной области сигнал представлен зависимостью амплитуды от частоты синусоидальных компонентов спектра. Это помогает понять, почему сигнал не является чистой синусоидой, которую вы надеялись получить.
Частотная область помогает получить ответы, недоступные во временной области. Но это не значит, что можно полностью отказаться от измерений сигнала во временной области. Временная область остаётся более удобной для многих измерений, а некоторые измерения можно выполнить только во временной области. Примерами таких измерений являются измерения длительности фронтов, выбросов или "звонов".
Выводы по второй главе
Во второй главе был рассмотрен принцип построения модели системы мобильной радиосвязи GSM и структуру подвижной станции. Было установлено, что при разработке современных систем связи пользуются разделением системы связи по функциональным слоям (Layer) в соответствии с моделью ISO / OSI. Всего различают 7 функциональных слоёв (уровней), где низший уровень (1 Layer) – это физический уровень – уровень среды передачи; высший уровень (7 Layer) – слой пользователей. В такой модели обмен информацией происходит как внутри слоя, так и между слоями.
Также было установлено, что в физической среде передачу данных можно осуществить по-разному. Например, можно использовать метод частотного разделения каналов (FDMA), метод временного разделения каналов (TDMA) и метод кодового разделения каналов (CDMA). Для борьбы с интерференционными замираниями принимаемых сигналов, вызванными многолучевым распространением радиоволн в условиях города, в аппаратуре связи используются эквалайзеры, обеспечивающие выравнивание импульсных сигналов со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16 мкс.
Перспективы развития систем мобильной радиосвязи GSM
Анализ перспективных направлений развития системы мобильной радиосвязи GSM
Современные сети мобильно связи очень удобно использовать для прослушивания и шпионажа. На рынке появилось множество устройств, позволяющих вести дистанционное аудионаблюдение. Так, например GSM жучок с голосовой активацией, можно использовать в качестве сигнализации. Когда в радиусе действия аппарата будет зарегистрирован шум, устройство немедленно активируется и передаст сообщени