1. Мережі стільникового рухомого зв'язку в стандарті GSM 16.06.1996 Самуйлов К. Е., Нікітіна М. В. ...
2. Послуги і стандарт GSM
3. Архітектура мережі GSM
4. рухома станція
5. Підсистема базових станцій
6. мережева підсистема
7. радіоканали
8. Множинний доступ і структура каналів
9. кодування мовлення
10. Деякі мережеві аспекти
11. хендовер
12. роумінг
13. Внесок Європи в масові системи мобільного зв'язку
14. FDMA - множинний доступ з частотним поділом
15. CDMA - множинний доступ з кодовим поділом
16. TDMA - множинний доступ з тимчасовим поділом
17. Мережі стільникового рухомого зв'язку в стандарті GSM
18. Історія GSM
19. Послуги і стандарт GSM
20. Архітектура мережі GSM
21. рухома станція
22. Підсистема базових станцій
23. мережева підсистема
24. радіоканали
25. Множинний доступ і структура каналів
26. кодування мовлення
27. Деякі мережеві аспекти
28. хендовер
29. роумінг
30. Мережі стільникового рухомого зв'язку в стандарті GSM
31. Історія GSM
32. Послуги і стандарт GSM
33. Архітектура мережі GSM
34. рухома станція
35. Підсистема базових станцій
36. мережева підсистема
37. радіоканали
38. Множинний доступ і структура каналів
39. кодування мовлення
40. Деякі мережеві аспекти
41. хендовер
42. роумінг
43. Внесок Європи в масові системи мобільного зв'язку
44. FDMA - множинний доступ з частотним поділом
45. CDMA - множинний доступ з кодовим поділом
46. TDMA - множинний доступ з тимчасовим поділом

Мережі стільникового рухомого зв'язку в стандарті GSM

16.06.1996 Самуйлов К. Е., Нікітіна М. В.

Історія GSM Послуги і стандарт GSM Архітектура мережі GSM рухома станція Підсистема базових станцій мережева підсистема радіоканали Множинний доступ і структура каналів кодування мовлення Деякі мережеві аспекти хендовер роумінг Внесок Європи в масові системи мобільного зв'язку ПОРІВНЯННЯ ТЕХНОЛОГІЙ множинного доступу FDMA - множинний доступ з частотним поділом CDMA - множинний доступ з кодовим поділом TDMA - множинний доступ з тимчасовим поділом

Стандарту GSM відведена одна з головних ролей в процесі еволюції систем зв'язку. Він тісно пов'язаний з усіма сучасними стандартами цифрових мереж, в першу чергу з ISDN (Integrated Services Digital Network) і IN (Intelligent Network). Основні функціональні елементи GSM входять в розробляється зараз міжнародний стандарт глобальної системи рухомого зв'язку UMTS (Universal Mobile Telecommunications System).

Історія GSM

На початку 1980-х років почався швидкий розвиток аналогових систем стільникового рухомого зв'язку Європи, особливо в країнах Скандинавії, Великобританії, Франції та Німеччини. Кожна країна розробляла свою власну систему, що є несумісною з іншими як в обладнанні, так і в послугах, що надаються. Внаслідок цього мобільне обладнання кожної держави використовувалося лише всередині його національних кордонів і мало дуже обмежений ринок збуту. Таким чином виникла необхідність у створенні єдиного загальноєвропейського стандарту.

У 1982 році CEPT (Conference of European Posts and Telegraphs) з метою вивчення та розробки загальноєвропейської системи стільникового рухомого зв'язку загального користування створила робочу групу, яка дістала назву GSM (Groupe Special Mobile). Розробляється система повинна була відповідати таким критеріям:

• висока якість передачі мовної інформації;
• низька вартість обладнання та послуг, що надаються;
• можливість підтримки портативного обладнання користувача;
• підтримка ряду нових послуг і обладнання;
• спектральна ефективність;
• сумісність з ISDN;
• підтримка міжнародного роумінгу, тобто можливості використання абонентом свого мобільного телефону при переміщенні в іншу мережу GSM.

У 1989 році справа створення GSM перейшло до ETSI (European Telecommunication Standards Institute), а в 1990 році були опубліковані специфікації першої фази GSM. До середини 1991 року стали підтримуватися комерційні послуги GSM, а до 1993 року функціонувало вже 36 мереж GSM в 22 країнах, і ще 25 країн обрали напрямок GSM або поставили питання про його прийнятті. Незважаючи на те, що система GSM була стандартизована в Європі, насправді вона не є виключно європейським стандартом. Мережі GSM впроваджені, або плануються до впровадження майже в 60 країнах Європи, Близького і Далекого Сходу, Африки, Південної Америки і в Австралії. На початку 1994 року кількість абонентів GSM у всьому світі досягло 1,3 мільйона чоловік. На початку 1995 року їхня налічувалося вже понад 5 мільйонів. Акронім GSM набув нового значення - Global System for Mobile communications.

Розробники GSM вибрали невипробувані в той час цифрову систему, протиставивши її стандартизованим аналоговим системам стільникового рухомого зв'язку, таким як AMPS (Advanced Mobile Phone Service) в США і TACS (Total Access Communications System) у Великобританії. Вони вірили в те, що удосконалення алгоритмів компресії і цифрових процесорів дозволить задовольнити початкові вимоги до системи, і вона буде розвиватися по шляху поліпшення співвідношення якість / ціна.

Створення мереж рухомого зв'язку (стільникових мереж) в Росії по суті знаходиться на початковому етапі - введені в дію системи стандарту NMT-450 (наприклад Московська Стільниковий), AMPS-800 (Білайн), розпочато розгортання систем стандарту GSM-900. Якісний стрибок відбувся лише в останні 2-3 роки, коли в Москві, Санкт-Петербурзі і ряді великих міст були створені перші мобільні радіотелефонні мережі. Для мереж GSM відставання в кілька років пояснюється перш за все існували до кінця 80-х років обмеженнями сосом на поставку відповідних технологій в країни Східної Європи і колишнього СРСР. Сьогодні в Росії близько 100 тис. Абонентів стільникових мереж (близько 0.1% населення), в тому числі близько 15 тис. Абонентів GSM. При цьому послуги Стільникового зв'язку надають приблизно сорок операторів мереж, з них послуги GSM - шість операторів.

Послуги і стандарт GSM

З самого початку розробники GSM прагнули забезпечити сумісність мереж GSM і ISDN по набору пропонованих послуг. Відповідно до визначень ITU-T (International Telecommunication Union - Telecommunications Standardization Sector), мережа GSM може надавати такі типи послуг:

• послуги з перенесення інформації (bearer services);
• послуги надання зв'язку (teleservices);
• додаткові послуги (supplementary services).

Найвідомішим напрямком діяльності GSM є телефонія. Так як GSM по суті є цифровою системою передачі даних, мова кодується і передається у вигляді цифрового потоку. Ще одним прикладом сервісу є надання екстреної допомоги, коли найближчий постачальник такого роду послуги повідомляється за допомогою набору трьох цифр (наприклад, 911). Крім того, надаються різноманітні послуги передачі даних. Абоненти GSM можуть здійснювати обмін інформацією з абонентами ISDN, звичайних телефонних мереж, мереж з комутацією пакетів, і мереж зв'язку з комутацією каналів, використовуючи різні методи і протоколи доступу, наприклад, X.25 або X.32. Можлива передача факсимільних повідомлень, що реалізуються при використанні відповідного адаптера для факс-апарату. Унікальною можливістю GSM, якої не було в старих аналогових системах, є двунаправленная передача коротких повідомлень SMS (Short Message Service), (до 160 байт), що передаються в режимі з проміжним зберіганням даних. Адресату, що є абонентом SMS, може бути надіслано повідомлення, після якого відправнику надсилається підтвердження про отримання. Короткі повідомлення можна використовувати в режимі широкомовлення, наприклад, для того, щоб повідомляти абонентів про зміну умов дорожнього руху в регіоні.

Поточні специфікації у вигляді додаткових можливостей описують послуги з перенесення інформації та надання зв'язку (наприклад, перенаправлення виклику в разі недоступності рухомого абонента), Надалі очікується поява нових можливостей, таких як ідентифікація виклику, постановка виклику в чергу, переговори відразу декількох абонентів і ін.

Архітектура мережі GSM

Область, що накривається мережею GSM, розбита на стільники шестикутної форми. Діаметр кожної шестикутної комірки може бути різним - від 400 м до 50 км. Функції і інтерфейси елементів мережі GSM описані в рекомендаціях ETSI. Система складається з трьох складових частин.

рухома станція

Крім терміналу MS містить пластикову картку, яку називають модулем ідентифікації абонента SIM (Subscriber Identity Module). При вставці SIM-карти в інший термінал GSM абонент продовжує отримувати повний комплекс послуг.

Кожен термінал має унікальний міжнародний ідентифікатор мобільного обладнання, SIM-карта містить міжнародний ідентифікаційний номер мобільного абонента, секретний ключ для аутентифікації, і іншу інформацію. Ці ідентифікатори не залежать одне від одного, а SIM-карта захищена від несанкціонованого використання паролем або персональним кодом.

Підсистема базових станцій

BSS теж складається з двох частин: з базової приймально-передавальної станції BTS (Base Transceiver Station) і контролера базової станції BSC (Base Station Controller) .Інтерфейс Abis, що зв'язує ці частини, дозволяє оперувати компонентами, створеними різними виробниками. Радіопокриття BSS ділиться на території - їх прийнято називати - "соти", кожна покривається однієї BTS.

BTS управляє протоколами радіоканалів з MS. На великій густонаселеній території може розташовуватися багато BTS, і тому до них пред'являються дуже строгі вимоги (чіткість меж, надійність, переносимість і низька ціна). BSC управляє радиоресурсами одного або декількох BTS, контролює надання радіоканалу, регулювання частоти, управління переміщуваними з комірки в комірку викликами (хендоверів) і є сполучною ланкою між мобільною станцією і MSC.

мережева підсистема

Як вже було зазначено, основний компонент мережевої підсистеми - центр MSC. Він керує рухомим абонентом: реєструє, ідентифікує, оновлює інформацію про місцезнаходження, здійснює хендоверів, маршрутизує дзвінки під час роумінгу абонентів, а також забезпечує з'єднання з фіксованими мережами. Перераховані послуги забезпечуються різними функціональними елементами HLR, VLR і ін. (Див. Рис.1), доступ до яких можливий через мережу системи загальноканальної сигналізації SS7 (Signalling System No. 7).

( 1x1 )

Малюнок 1. Архітектура мережі GSM.
Рухома станція MS (Mobile Station) - портативний (кишеньковий) апарат, або автомобільний телефон.
Підсистема базових станцій BSS (Base Station Subsystem) - пристрій управління радіоканалами зв'язку з MS.
Мережева підсистема NSS (Network Subsystem), ядром якої є центр комутації послуг рухомого зв'язку MSC (Mobile services Switching Center), управляє послугами рухомого зв'язку і взаємодією абонентів мережі GSM і інших типів мереж.

SS7 стандартизована на міжнародному рівні і призначена для обміну сигнальною інформацією в цифрових мережах зв'язку з цифровими програмно-керованими станціями. Система оптимізована для роботи по цифрових каналах зі швидкістю 64 кбіт / с і дозволяє управляти процесом з'єднання, а також передавати інформацію техобслуговування та експлуатації. Крім того її можна Піменяется як надійної транспортної системи для передачі інших видів інформації між станціями і спеціалізованими центрами в мережах телекомунікацій.

SS7 використовує метод передачі сигнальної інформації по спеціальному каналу, загального для одного або декількох пучків інформаційних каналів. Сигнальна інформація повинна передаватися в правильній послідовності, без втрат, при цьому можуть бути задіяні і наземні, і супутникові канали. Мережа SS7 є обов'язковою умовою створення мережі стандарту GSM. Архітектура протоколів SS7 і її відповідність еталонної моделі взаємодії відкритих систем показані на рис.2.

( 1x1 )

Малюнок 2. Система сигналізації SS7.

Опорний регістр місцезнаходження HLR (Home Location Register) і візитна регістр місцезнаходження VLR (Visitor Location Register), разом з MSC, забезпечують можливості маршрутизації і роумінгу. HLR містить всі дані адміністративного характеру про кожну зареєстровану абонента у відповідній даному HLR мережі GSM, а також інформацію про його поточне місцезнаходження. Інформація про місцезнаходження абонента, як правило, надається у вигляді сигнального адреси VLR, асоційованого з мобільною станцією.

VLR містить вибіркову адміністративну інформацію з опорного регістра, необхідну для управління викликом і надання всього комплексу послуг для кожного мобільного абонента, який в цей момент знаходиться в географічній зоні, керованої даними VLR.

Інші два регістри використовуються для забезпечення аутентифікації і безпеки.

радіоканали

Ширина смуги спектра для діючих в Європі мереж стільникового рухомого зв'язку - 890-915 Мгц для висхідного ланки (від мобільної станції до базової) і 935-960 МГц для низхідного ланки (від базової стації до рухомий). Оскільки дані діапазони вже використовувалися аналоговими системами на початку 80-х років, верхні 10 МГц кожної смуги зарезервовані для мережі GSM, яка ще тільки розробляється. Зрештою GSM займе всю смугу шириною 2x25 МГц.

Множинний доступ і структура каналів

Оскільки радіоспектр має обмежені ресурси, необхідно оптимально розподілити ширину смуги між усіма можливими користувачами. Метод, застосовуваний з цією метою в GSM, - це комбінація методів множинного доступу TDMA і FDMA (Time- and Frequency-Division Multiple Access).

Спочатку смуга частот в 25 МГц ділиться на смуги в 200 КГц. Кожній станції відповідає своя смуга (або кілька смуг). Абоненти смуги розділені в часі. Кожному абоненту відповідає один кадр. Вісім кадрів об'єднуються у фрейм. 26 фреймів, в свою чергу, утворюють мультіфрейм, який повторюється циклічно. Довжина мультіфрейма - 120 мілісекунд. На один кадр доводиться 1/200 мультіфрейма, тобто близько 0.6 мілісекунди.

Канали визначаються числом і позицією відповідних їм циклічних кадрів, і вся палітра повторюється приблизно кожні 3 години. Вони діляться на запропоновані канали (dedicated channels), або канали трафіку, кожен з яких відповідає одній рухомий станції, і загальні канали (common channels), або канали управління, використовувані рухливими станціями в пасивному режимі.

Канали трафіку (TCH) застосовуються для перенесення мовного потоку і потоку даних. Ці канали для висхідного і низхідного ланок розділені в часі трьома кадрами, так, щоб MS міг здійснювати прийом і передачу інформації в різний час. Це дозволяє спростити електронне обладнання MS і зробити рухливий термінал більш компактним.

Загальні канали використовуються вільними рухливими станціями при обміні сигнальної інформацією, необхідною для переходу в режим зайнятості. Рухливі станції, що знаходяться в режимі зайнятості, сповіщають прилеглі базові станції про переміщення в інший осередок і передають необхідну інформацію.

( 1x1 )

Малюнок 3. Структура мультіфрейма GSM.

кодування мовлення

GSM - система цифрова, тому вимагає оцифровування аналогового мовлення. Метод, який використовується існуючими телефонними системами і мережею ISDN для мультиплексування аналогових ліній на високошвидкісних каналах і оптичних лініях, називається сигнал PCM PCM (Pulse Coded Modulation). Швидкість вихідного потоку в PCM 64 кбіт / с дуже висока для передачі по радіоканалах системи GSM. Дослідницька група GSM вивчила кілька алгоритмів кодування мови, поки, нарешті, не зупинила свій вибір на схемі кодування RPE-LTP (Regular Pulse Excitation-Long Term Prediction). Схема здійснює переклад мовного потоку, що надходить зі швидкістю 64 кбіт / c, в потік зі швидкістю 13 кбіт / с, і назад, зі збереженням якості сигналу.

Деякі мережеві аспекти

Забезпечення високої якості передачі голосу і даних по радіоканалу - це лише частина функцій GSM. Як вже говорилося, географічна зона, накривається мережею, розділена на стільники, а значить необхідно існування механізму переміщення абонента з комірки в комірку в процесі обслуговування виклику. Крім того, для здійснення роумінгу абонента потрібна реєстрація, ідентифікація, маршрутизація виклику і оновлення інформації про місцезнаходження рухомого абонента. Виконання цих функцій було б неможливо без сигналізації в мережі GSM. Як вже зазначалося вище, для сигналізації між елементами мережевої підсистеми і для забезпечення взаємодії з іншими мережами в GSM використовується система SS7.

хендовер

Радіо- і фіксовані канали, які беруть участь у виклику абонента в GSM, не прив'язані до даного виклику. Завдяки цьому з'являється можливість для переміщення рухомого абонента з комірки в комірку в процесі виклику, який і називається хендоверів.

В системі GSM існує чотири типи хендоверів з наступними характеристиками:

• канали в одній і тій же комірці;
• стільники (BTS), що знаходяться під управлінням одного і того ж BSC;
• стільники, що знаходяться під управлінням різних BSC, але належать одному MSC;
• стільники, що знаходяться під управлінням різних MSC.

Перші два типи хендоверів (внутрішні) використовують тільки один BSC. Для збереження ширини смуги сигналізації вони управляються за допомогою BSC, і при цьому MSC НЕ использут, а лише повідомляють його про завершення хендовер. Останні два типи хендоверів, які називаються зовнішніми, відбуваються під управлінням залучених в процедуру MSC.

Ініціаторами хендовер може стати і рухливий термінал, і MSC (для збереження балансу навантаження трафіку). Рухомий термінал створює список з шести варіантів для можливого перемикання, виходячи з інтенсивності отриманих сигналів. Ця інформація передається BSC і MSC, принаймні один раз в секунду, і використовується алгоритмом хендовер.

роумінг

На відміну від фіксованих мереж, де абонентський термінал проводами підключений до центрального офісу, абонент мережі GSM може переміщатися в межах національної мережі і за її межами, тобто здійснювати роумінг. Щоб додзвонитися до рухомого абонента, необхідно набрати номер, званий номером мобільного абонента цифрової мережі з інтеграцією служб MSISDN (Mobile Subscriber ISDN). Такий номер містить код країни і національний код призначення, що ідентифікує оператора даного абонента. Перші кілька цифр номера ідентифікують HLR абонента в його мережі рухомого зв'язку.

Вхідній дзвінок мобільного абонента Направляється для ОБРОБКИ шлюзом GMSC (Gateway MSC). GMSC в основному Виконує Функції комутатора, что запітує HLR абонента про Отримання необхідніх Даних и про маршрутізації, и тому містіть таблицю з'єднання номерів MSISDN з відповіднімі Їм HLR. Номер роумінгу мобільної станції MSRN (Mobile Station Roaming Number) повністю визначає маршрутизацію, відноситься до географічного плану нумерації і ніяк не пов'язаний з абонентами.

Самуйлов К.Є., Нікітіна М. В. - співробітники Російського Університету дружби народів. З ними можна зв'язатися по електронній пошті: [email protected]

Внесок Європи в масові системи мобільного зв'язку

Мережі персональних комунікацій це не технологія - це концепція, яка грунтується на прив'язці до користувача, а не до місця. Ця концепція заснована на тезі, що не тільки "нові росіяни" і не тільки самі "круті" бізнесмени повинні мати можливість скуштувати від пирога благ під назвою "стільниковий телефон". Зростання конкуренції та обмежені возмжность наданої смуги частот змушують зацікавлених осіб шукати нові можливості в області більш високих частот, ніж існуючі системи. У 1990 році у Великобританії були зроблені перші кроки по впровадженню системи мобільного зв'язку, що працює на частоті 1800 МГц. Нова система отримала назву DCS 1800 (Digital Cellular System - 1800 МГц). Значно збільшуючи в порівнянні з GSM ємність системи DCS-1800 претендує на роль істинно народної системи. Очікується, що найближчим часом DCS стане загальноєвропейським стандартом, а можливо пошириться і на інші континенти. Правда, Японія і США йдуть своїм шляхом, розвиваючи власні стандарти. Для систем персонального зв'язку в США виділений подібний діапазон - 1900 МГц.

FDMA - множинний доступ з частотним поділом

Стандарт FDMA широко використовується як в традіцінно аналогових системах стільникового зв'язку, так і в сучасних цифрових системах (як правило в поєднанні з іншими методами).

З усього доступного діапазону кожному абоненту виділяється своя смуга частот, яку він може використовувати всі 100% часу. У такий спосіб не часовий чинник, а тільки лише відмінності в частоті використовуються для поділу (диференціації) абонентів. Подібний підхід має помітну перевагу: вся інформація передається в "реальному часі", і абонент отримує можливість використовувати всю смугу пропускання, виділеного йому сегмента. Ширина смуги сегмента може варіюватися в залежності від використовуваної системи зв'язку.



CDMA - множинний доступ з кодовим поділом

Канали трафіку при такому способі поділу середовища створюються присвоєнням кожному користувачеві окремого коду, який поширюється по всій ширині смуги. В даному випадку не існує тимчасового поділу, і всі абоненти постійно використовують всю ширину каналу. Потрібно зауважити, що смуга частот, що виділяється для організації одного каналу, дуже широка. Мовлення абонентів накладаються один на одного, але оскільки їх коди відрізняються, вони можуть бути легко диференційовані.

Як ілюстарціі цього методу можна уявити кімнату, в якій знаходяться кілька пар людей. Ці пари хочуть спілкуватися тільки один з одним і не цікавляться іншими. Якщо кожна пара знає тільки одну мову і його використовує, а всі мови різні, тоді повітря кімнати може бути "частотою" для їх голосів. Аналогія полягає в тому, що повітря в кімнаті є широкосмуговим каналом, а мови представляються у вигляді кодів. Якщо ми включимо мовні "фільтри", то люди, які говорять німецькою, не почують тих, хто говорить іспанською і т.д. Ми будемо збільшувати кількість абонентів до тих пір, поки загальний "Фоновий шум" (перешкоди від інших абонентів) не буде нас обмежувати. Регулюючи потужність сигналу всіх абонентів, яка не повинна бути вище необхідної при збереженні високої якості мови, ми забезпечуємо зв'язком велика кількість абонентів. Максимальна кількість користувачів, або каналів трафіку залежить від інтенсивності використання кожного каналу трафіку, і тому не є визначеним. Це відбивається в концепції "м'якої перевантаження" (soft overload), згідно з якою додатковий абонент (або пара з нашої аналогії) може отримати доступ, якщо необхідно, за рахунок кілька зростаючих перешкод для інших абонентів.

Повторне використання частот У разі застосування інших стільникових технологій мережі проектуються з повторним використанням частот у кожної восьмої або кожної п'ятої соте, тобто N = 7 або N = 4.

Більшість операторів використовують в кожному осередку три незалежних секторних антени (трисекторна модель, N = 7). Або, іншими словами, зазвичай одна сьома всіх частот, виділених оператору стільникового зв'язку, може використовуватися в будь-який соте. Стільники повинні бути рознесені достаточнодалеко один від одного з тим, щоб перешкоди були усунені або зведені до мінімуму, і відповідно досягнуто прийнятну якість мови.

У разі використання стандатра CDMA сигнал може бути прийнятий за наявності високого рівня перешкод, але при цьому зберігається те ж саме або вищу якість передачі. Всі абоненти спільно використовують один і той же частотний ресурс. У стандарті CDMA одна і та ж смуга частот використовується в кожній соте і в кожному секторі секторізованной стільники. В даному випадку модель повторного використання частот виглядає як N = 1. Ця модель N = 1 є тією умовою, яке забезпечує для стандарту CDMA більш високу пропускну здатність (ємність) в порівнянні з AMPS і іншими технологіями. Перешкоди, створювані іншими абонентами і іншими базовими станціями, є фактор, в кінцевому підсумку визначає верхній поріг пропускної здатності мережі стандарту CDMA. При розробці первинної мережі метою є зведення до мінімуму загального рівня перешкод. У стандарті CDMA існує безліч способів знизити рівень перешкод і довести до максимуму ємність мережі.

TDMA - множинний доступ з тимчасовим поділом

Стандарт TDMA активно використовується сучасними цифровими системами рухомий свзи. На відміну від систем частоності поділу, всі абоненти системи TDMA працюють в одному і тому ж діапазоні частот, але при цьому кожен має тимчасові обмеження доступу. Кожному абоненту виділяється часовий проміжок (кадр), в перебігу якого йому дозволяється "мовлення". Після того, як один абонент завершує мовлення, дозвіл прередается іншому, потім третьому і т.д. Після того, як обслужені всі абоненти, процес починається спочатку. З точки зору абонента його активність носить пульсуючий характер. Чим більше абонентів, тим рідше кожному з них надається можливість передати свої дані, тим, відповідно, менше даних він зможе передати. Якщо обмежити потреби (можливості) абонента відомою величиною, можна оцінити кількість користувачів, яких реально зможе обслужити система з таким способом поділу середовища. Тимчасовий поділ, як правило, накладається на частотне розділення і мовлення ведеться в виділеній смузі частот.

Мережі стільникового рухомого зв'язку в стандарті GSM

16.06.1996 Самуйлов К. Е., Нікітіна М. В.

Історія GSM Послуги і стандарт GSM Архітектура мережі GSM рухома станція Підсистема базових станцій мережева підсистема радіоканали Множинний доступ і структура каналів кодування мовлення Деякі мережеві аспекти хендовер роумінг Внесок Європи в масові системи мобільного зв'язку ПОРІВНЯННЯ ТЕХНОЛОГІЙ множинного доступу FDMA - множинний доступ з частотним поділом CDMA - множинний доступ з кодовим поділом TDMA - множинний доступ з тимчасовим поділом

Стандарту GSM відведена одна з головних ролей в процесі еволюції систем зв'язку. Він тісно пов'язаний з усіма сучасними стандартами цифрових мереж, в першу чергу з ISDN (Integrated Services Digital Network) і IN (Intelligent Network). Основні функціональні елементи GSM входять в розробляється зараз міжнародний стандарт глобальної системи рухомого зв'язку UMTS (Universal Mobile Telecommunications System).

Історія GSM

На початку 1980-х років почався швидкий розвиток аналогових систем стільникового рухомого зв'язку Європи, особливо в країнах Скандинавії, Великобританії, Франції та Німеччини. Кожна країна розробляла свою власну систему, що є несумісною з іншими як в обладнанні, так і в послугах, що надаються. Внаслідок цього мобільне обладнання кожної держави використовувалося лише всередині його національних кордонів і мало дуже обмежений ринок збуту. Таким чином виникла необхідність у створенні єдиного загальноєвропейського стандарту.

У 1982 році CEPT (Conference of European Posts and Telegraphs) з метою вивчення та розробки загальноєвропейської системи стільникового рухомого зв'язку загального користування створила робочу групу, яка дістала назву GSM (Groupe Special Mobile). Розробляється система повинна була відповідати таким критеріям:

• висока якість передачі мовної інформації;
• низька вартість обладнання та послуг, що надаються;
• можливість підтримки портативного обладнання користувача;
• підтримка ряду нових послуг і обладнання;
• спектральна ефективність;
• сумісність з ISDN;
• підтримка міжнародного роумінгу, тобто можливості використання абонентом свого мобільного телефону при переміщенні в іншу мережу GSM.

У 1989 році справа створення GSM перейшло до ETSI (European Telecommunication Standards Institute), а в 1990 році були опубліковані специфікації першої фази GSM. До середини 1991 року стали підтримуватися комерційні послуги GSM, а до 1993 року функціонувало вже 36 мереж GSM в 22 країнах, і ще 25 країн обрали напрямок GSM або поставили питання про його прийнятті. Незважаючи на те, що система GSM була стандартизована в Європі, насправді вона не є виключно європейським стандартом. Мережі GSM впроваджені, або плануються до впровадження майже в 60 країнах Європи, Близького і Далекого Сходу, Африки, Південної Америки і в Австралії. На початку 1994 року кількість абонентів GSM у всьому світі досягло 1,3 мільйона чоловік. На початку 1995 року їхня налічувалося вже понад 5 мільйонів. Акронім GSM набув нового значення - Global System for Mobile communications.

Розробники GSM вибрали невипробувані в той час цифрову систему, протиставивши її стандартизованим аналоговим системам стільникового рухомого зв'язку, таким як AMPS (Advanced Mobile Phone Service) в США і TACS (Total Access Communications System) у Великобританії. Вони вірили в те, що удосконалення алгоритмів компресії і цифрових процесорів дозволить задовольнити початкові вимоги до системи, і вона буде розвиватися по шляху поліпшення співвідношення якість / ціна.

Створення мереж рухомого зв'язку (стільникових мереж) в Росії по суті знаходиться на початковому етапі - введені в дію системи стандарту NMT-450 (наприклад Московська Стільниковий), AMPS-800 (Білайн), розпочато розгортання систем стандарту GSM-900. Якісний стрибок відбувся лише в останні 2-3 роки, коли в Москві, Санкт-Петербурзі і ряді великих міст були створені перші мобільні радіотелефонні мережі. Для мереж GSM відставання в кілька років пояснюється перш за все існували до кінця 80-х років обмеженнями сосом на поставку відповідних технологій в країни Східної Європи і колишнього СРСР. Сьогодні в Росії близько 100 тис. Абонентів стільникових мереж (близько 0.1% населення), в тому числі близько 15 тис. Абонентів GSM. При цьому послуги Стільникового зв'язку надають приблизно сорок операторів мереж, з них послуги GSM - шість операторів.

Послуги і стандарт GSM

З самого початку розробники GSM прагнули забезпечити сумісність мереж GSM і ISDN по набору пропонованих послуг. Відповідно до визначень ITU-T (International Telecommunication Union - Telecommunications Standardization Sector), мережа GSM може надавати такі типи послуг:

• послуги з перенесення інформації (bearer services);
• послуги надання зв'язку (teleservices);
• додаткові послуги (supplementary services).

Найвідомішим напрямком діяльності GSM є телефонія. Так як GSM по суті є цифровою системою передачі даних, мова кодується і передається у вигляді цифрового потоку. Ще одним прикладом сервісу є надання екстреної допомоги, коли найближчий постачальник такого роду послуги повідомляється за допомогою набору трьох цифр (наприклад, 911). Крім того, надаються різноманітні послуги передачі даних. Абоненти GSM можуть здійснювати обмін інформацією з абонентами ISDN, звичайних телефонних мереж, мереж з комутацією пакетів, і мереж зв'язку з комутацією каналів, використовуючи різні методи і протоколи доступу, наприклад, X.25 або X.32. Можлива передача факсимільних повідомлень, що реалізуються при використанні відповідного адаптера для факс-апарату. Унікальною можливістю GSM, якої не було в старих аналогових системах, є двунаправленная передача коротких повідомлень SMS (Short Message Service), (до 160 байт), що передаються в режимі з проміжним зберіганням даних. Адресату, що є абонентом SMS, може бути надіслано повідомлення, після якого відправнику надсилається підтвердження про отримання. Короткі повідомлення можна використовувати в режимі широкомовлення, наприклад, для того, щоб повідомляти абонентів про зміну умов дорожнього руху в регіоні.

Поточні специфікації у вигляді додаткових можливостей описують послуги з перенесення інформації та надання зв'язку (наприклад, перенаправлення виклику в разі недоступності рухомого абонента), Надалі очікується поява нових можливостей, таких як ідентифікація виклику, постановка виклику в чергу, переговори відразу декількох абонентів і ін.

Архітектура мережі GSM

Область, що накривається мережею GSM, розбита на стільники шестикутної форми. Діаметр кожної шестикутної комірки може бути різним - від 400 м до 50 км. Функції і інтерфейси елементів мережі GSM описані в рекомендаціях ETSI. Система складається з трьох складових частин.

рухома станція

Крім терміналу MS містить пластикову картку, яку називають модулем ідентифікації абонента SIM (Subscriber Identity Module). При вставці SIM-карти в інший термінал GSM абонент продовжує отримувати повний комплекс послуг.

Кожен термінал має унікальний міжнародний ідентифікатор мобільного обладнання, SIM-карта містить міжнародний ідентифікаційний номер мобільного абонента, секретний ключ для аутентифікації, і іншу інформацію. Ці ідентифікатори не залежать одне від одного, а SIM-карта захищена від несанкціонованого використання паролем або персональним кодом.

Підсистема базових станцій

BSS теж складається з двох частин: з базової приймально-передавальної станції BTS (Base Transceiver Station) і контролера базової станції BSC (Base Station Controller) .Інтерфейс Abis, що зв'язує ці частини, дозволяє оперувати компонентами, створеними різними виробниками. Радіопокриття BSS ділиться на території - їх прийнято називати - "соти", кожна покривається однієї BTS.

BTS управляє протоколами радіоканалів з MS. На великій густонаселеній території може розташовуватися багато BTS, і тому до них пред'являються дуже строгі вимоги (чіткість меж, надійність, переносимість і низька ціна). BSC управляє радиоресурсами одного або декількох BTS, контролює надання радіоканалу, регулювання частоти, управління переміщуваними з комірки в комірку викликами (хендоверів) і є сполучною ланкою між мобільною станцією і MSC.

мережева підсистема

Як вже було зазначено, основний компонент мережевої підсистеми - центр MSC. Він керує рухомим абонентом: реєструє, ідентифікує, оновлює інформацію про місцезнаходження, здійснює хендоверів, маршрутизує дзвінки під час роумінгу абонентів, а також забезпечує з'єднання з фіксованими мережами. Перераховані послуги забезпечуються різними функціональними елементами HLR, VLR і ін. (Див. Рис.1), доступ до яких можливий через мережу системи загальноканальної сигналізації SS7 (Signalling System No. 7).

( 1x1 )

Малюнок 1. Архітектура мережі GSM.
Рухома станція MS (Mobile Station) - портативний (кишеньковий) апарат, або автомобільний телефон.
Підсистема базових станцій BSS (Base Station Subsystem) - пристрій управління радіоканалами зв'язку з MS.
Мережева підсистема NSS (Network Subsystem), ядром якої є центр комутації послуг рухомого зв'язку MSC (Mobile services Switching Center), управляє послугами рухомого зв'язку і взаємодією абонентів мережі GSM і інших типів мереж.

SS7 стандартизована на міжнародному рівні і призначена для обміну сигнальною інформацією в цифрових мережах зв'язку з цифровими програмно-керованими станціями. Система оптимізована для роботи по цифрових каналах зі швидкістю 64 кбіт / с і дозволяє управляти процесом з'єднання, а також передавати інформацію техобслуговування та експлуатації. Крім того її можна Піменяется як надійної транспортної системи для передачі інших видів інформації між станціями і спеціалізованими центрами в мережах телекомунікацій.

SS7 використовує метод передачі сигнальної інформації по спеціальному каналу, загального для одного або декількох пучків інформаційних каналів. Сигнальна інформація повинна передаватися в правильній послідовності, без втрат, при цьому можуть бути задіяні і наземні, і супутникові канали. Мережа SS7 є обов'язковою умовою створення мережі стандарту GSM. Архітектура протоколів SS7 і її відповідність еталонної моделі взаємодії відкритих систем показані на рис.2.

( 1x1 )

Малюнок 2. Система сигналізації SS7.

Опорний регістр місцезнаходження HLR (Home Location Register) і візитна регістр місцезнаходження VLR (Visitor Location Register), разом з MSC, забезпечують можливості маршрутизації і роумінгу. HLR містить всі дані адміністративного характеру про кожну зареєстровану абонента у відповідній даному HLR мережі GSM, а також інформацію про його поточне місцезнаходження. Інформація про місцезнаходження абонента, як правило, надається у вигляді сигнального адреси VLR, асоційованого з мобільною станцією.

VLR містить вибіркову адміністративну інформацію з опорного регістра, необхідну для управління викликом і надання всього комплексу послуг для кожного мобільного абонента, який в цей момент знаходиться в географічній зоні, керованої даними VLR.

Інші два регістри використовуються для забезпечення аутентифікації і безпеки.

радіоканали

Ширина смуги спектра для діючих в Європі мереж стільникового рухомого зв'язку - 890-915 Мгц для висхідного ланки (від мобільної станції до базової) і 935-960 МГц для низхідного ланки (від базової стації до рухомий). Оскільки дані діапазони вже використовувалися аналоговими системами на початку 80-х років, верхні 10 МГц кожної смуги зарезервовані для мережі GSM, яка ще тільки розробляється. Зрештою GSM займе всю смугу шириною 2x25 МГц.

Множинний доступ і структура каналів

Оскільки радіоспектр має обмежені ресурси, необхідно оптимально розподілити ширину смуги між усіма можливими користувачами. Метод, застосовуваний з цією метою в GSM, - це комбінація методів множинного доступу TDMA і FDMA (Time- and Frequency-Division Multiple Access).

Спочатку смуга частот в 25 МГц ділиться на смуги в 200 КГц. Кожній станції відповідає своя смуга (або кілька смуг). Абоненти смуги розділені в часі. Кожному абоненту відповідає один кадр. Вісім кадрів об'єднуються у фрейм. 26 фреймів, в свою чергу, утворюють мультіфрейм, який повторюється циклічно. Довжина мультіфрейма - 120 мілісекунд. На один кадр доводиться 1/200 мультіфрейма, тобто близько 0.6 мілісекунди.

Канали визначаються числом і позицією відповідних їм циклічних кадрів, і вся палітра повторюється приблизно кожні 3 години. Вони діляться на запропоновані канали (dedicated channels), або канали трафіку, кожен з яких відповідає одній рухомий станції, і загальні канали (common channels), або канали управління, використовувані рухливими станціями в пасивному режимі.

Канали трафіку (TCH) застосовуються для перенесення мовного потоку і потоку даних. Ці канали для висхідного і низхідного ланок розділені в часі трьома кадрами, так, щоб MS міг здійснювати прийом і передачу інформації в різний час. Це дозволяє спростити електронне обладнання MS і зробити рухливий термінал більш компактним.

Загальні канали використовуються вільними рухливими станціями при обміні сигнальної інформацією, необхідною для переходу в режим зайнятості. Рухливі станції, що знаходяться в режимі зайнятості, сповіщають прилеглі базові станції про переміщення в інший осередок і передають необхідну інформацію.

( 1x1 )

Малюнок 3. Структура мультіфрейма GSM.

кодування мовлення

GSM - система цифрова, тому вимагає оцифровування аналогового мовлення. Метод, який використовується існуючими телефонними системами і мережею ISDN для мультиплексування аналогових ліній на високошвидкісних каналах і оптичних лініях, називається сигнал PCM PCM (Pulse Coded Modulation). Швидкість вихідного потоку в PCM 64 кбіт / с дуже висока для передачі по радіоканалах системи GSM. Дослідницька група GSM вивчила кілька алгоритмів кодування мови, поки, нарешті, не зупинила свій вибір на схемі кодування RPE-LTP (Regular Pulse Excitation-Long Term Prediction). Схема здійснює переклад мовного потоку, що надходить зі швидкістю 64 кбіт / c, в потік зі швидкістю 13 кбіт / с, і назад, зі збереженням якості сигналу.

Деякі мережеві аспекти

Забезпечення високої якості передачі голосу і даних по радіоканалу - це лише частина функцій GSM. Як вже говорилося, географічна зона, накривається мережею, розділена на стільники, а значить необхідно існування механізму переміщення абонента з комірки в комірку в процесі обслуговування виклику. Крім того, для здійснення роумінгу абонента потрібна реєстрація, ідентифікація, маршрутизація виклику і оновлення інформації про місцезнаходження рухомого абонента. Виконання цих функцій було б неможливо без сигналізації в мережі GSM. Як вже зазначалося вище, для сигналізації між елементами мережевої підсистеми і для забезпечення взаємодії з іншими мережами в GSM використовується система SS7.

хендовер

Радіо- і фіксовані канали, які беруть участь у виклику абонента в GSM, не прив'язані до даного виклику. Завдяки цьому з'являється можливість для переміщення рухомого абонента з комірки в комірку в процесі виклику, який і називається хендоверів.

В системі GSM існує чотири типи хендоверів з наступними характеристиками:

• канали в одній і тій же комірці;
• стільники (BTS), що знаходяться під управлінням одного і того ж BSC;
• стільники, що знаходяться під управлінням різних BSC, але належать одному MSC;
• стільники, що знаходяться під управлінням різних MSC.

Перші два типи хендоверів (внутрішні) використовують тільки один BSC. Для збереження ширини смуги сигналізації вони управляються за допомогою BSC, і при цьому MSC НЕ использут, а лише повідомляють його про завершення хендовер. Останні два типи хендоверів, які називаються зовнішніми, відбуваються під управлінням залучених в процедуру MSC.

Ініціаторами хендовер може стати і рухливий термінал, і MSC (для збереження балансу навантаження трафіку). Рухомий термінал створює список з шести варіантів для можливого перемикання, виходячи з інтенсивності отриманих сигналів. Ця інформація передається BSC і MSC, принаймні один раз в секунду, і використовується алгоритмом хендовер.

роумінг

На відміну від фіксованих мереж, де абонентський термінал проводами підключений до центрального офісу, абонент мережі GSM може переміщатися в межах національної мережі і за її межами, тобто здійснювати роумінг. Щоб додзвонитися до рухомого абонента, необхідно набрати номер, званий номером мобільного абонента цифрової мережі з інтеграцією служб MSISDN (Mobile Subscriber ISDN). Такий номер містить код країни і національний код призначення, що ідентифікує оператора даного абонента. Перші кілька цифр номера ідентифікують HLR абонента в його мережі рухомого зв'язку.

Мережі стільникового рухомого зв'язку в стандарті GSM

16.06.1996 Самуйлов К. Е., Нікітіна М. В.

Історія GSM Послуги і стандарт GSM Архітектура мережі GSM рухома станція Підсистема базових станцій мережева підсистема радіоканали Множинний доступ і структура каналів кодування мовлення Деякі мережеві аспекти хендовер роумінг Внесок Європи в масові системи мобільного зв'язку ПОРІВНЯННЯ ТЕХНОЛОГІЙ множинного доступу FDMA - множинний доступ з частотним поділом CDMA - множинний доступ з кодовим поділом TDMA - множинний доступ з тимчасовим поділом

Стандарту GSM відведена одна з головних ролей в процесі еволюції систем зв'язку. Він тісно пов'язаний з усіма сучасними стандартами цифрових мереж, в першу чергу з ISDN (Integrated Services Digital Network) і IN (Intelligent Network). Основні функціональні елементи GSM входять в розробляється зараз міжнародний стандарт глобальної системи рухомого зв'язку UMTS (Universal Mobile Telecommunications System).

Історія GSM

На початку 1980-х років почався швидкий розвиток аналогових систем стільникового рухомого зв'язку Європи, особливо в країнах Скандинавії, Великобританії, Франції та Німеччини. Кожна країна розробляла свою власну систему, що є несумісною з іншими як в обладнанні, так і в послугах, що надаються. Внаслідок цього мобільне обладнання кожної держави використовувалося лише всередині його національних кордонів і мало дуже обмежений ринок збуту. Таким чином виникла необхідність у створенні єдиного загальноєвропейського стандарту.

У 1982 році CEPT (Conference of European Posts and Telegraphs) з метою вивчення та розробки загальноєвропейської системи стільникового рухомого зв'язку загального користування створила робочу групу, яка дістала назву GSM (Groupe Special Mobile). Розробляється система повинна була відповідати таким критеріям:

• висока якість передачі мовної інформації;
• низька вартість обладнання та послуг, що надаються;
• можливість підтримки портативного обладнання користувача;
• підтримка ряду нових послуг і обладнання;
• спектральна ефективність;
• сумісність з ISDN;
• підтримка міжнародного роумінгу, тобто можливості використання абонентом свого мобільного телефону при переміщенні в іншу мережу GSM.

У 1989 році справа створення GSM перейшло до ETSI (European Telecommunication Standards Institute), а в 1990 році були опубліковані специфікації першої фази GSM. До середини 1991 року стали підтримуватися комерційні послуги GSM, а до 1993 року функціонувало вже 36 мереж GSM в 22 країнах, і ще 25 країн обрали напрямок GSM або поставили питання про його прийнятті. Незважаючи на те, що система GSM була стандартизована в Європі, насправді вона не є виключно європейським стандартом. Мережі GSM впроваджені, або плануються до впровадження майже в 60 країнах Європи, Близького і Далекого Сходу, Африки, Південної Америки і в Австралії. На початку 1994 року кількість абонентів GSM у всьому світі досягло 1,3 мільйона чоловік. На початку 1995 року їхня налічувалося вже понад 5 мільйонів. Акронім GSM набув нового значення - Global System for Mobile communications.

Розробники GSM вибрали невипробувані в той час цифрову систему, протиставивши її стандартизованим аналоговим системам стільникового рухомого зв'язку, таким як AMPS (Advanced Mobile Phone Service) в США і TACS (Total Access Communications System) у Великобританії. Вони вірили в те, що удосконалення алгоритмів компресії і цифрових процесорів дозволить задовольнити початкові вимоги до системи, і вона буде розвиватися по шляху поліпшення співвідношення якість / ціна.

Створення мереж рухомого зв'язку (стільникових мереж) в Росії по суті знаходиться на початковому етапі - введені в дію системи стандарту NMT-450 (наприклад Московська Стільниковий), AMPS-800 (Білайн), розпочато розгортання систем стандарту GSM-900. Якісний стрибок відбувся лише в останні 2-3 роки, коли в Москві, Санкт-Петербурзі і ряді великих міст були створені перші мобільні радіотелефонні мережі. Для мереж GSM відставання в кілька років пояснюється перш за все існували до кінця 80-х років обмеженнями сосом на поставку відповідних технологій в країни Східної Європи і колишнього СРСР. Сьогодні в Росії близько 100 тис. Абонентів стільникових мереж (близько 0.1% населення), в тому числі близько 15 тис. Абонентів GSM. При цьому послуги Стільникового зв'язку надають приблизно сорок операторів мереж, з них послуги GSM - шість операторів.

Послуги і стандарт GSM

З самого початку розробники GSM прагнули забезпечити сумісність мереж GSM і ISDN по набору пропонованих послуг. Відповідно до визначень ITU-T (International Telecommunication Union - Telecommunications Standardization Sector), мережа GSM може надавати такі типи послуг:

• послуги з перенесення інформації (bearer services);
• послуги надання зв'язку (teleservices);
• додаткові послуги (supplementary services).

Найвідомішим напрямком діяльності GSM є телефонія. Так як GSM по суті є цифровою системою передачі даних, мова кодується і передається у вигляді цифрового потоку. Ще одним прикладом сервісу є надання екстреної допомоги, коли найближчий постачальник такого роду послуги повідомляється за допомогою набору трьох цифр (наприклад, 911). Крім того, надаються різноманітні послуги передачі даних. Абоненти GSM можуть здійснювати обмін інформацією з абонентами ISDN, звичайних телефонних мереж, мереж з комутацією пакетів, і мереж зв'язку з комутацією каналів, використовуючи різні методи і протоколи доступу, наприклад, X.25 або X.32. Можлива передача факсимільних повідомлень, що реалізуються при використанні відповідного адаптера для факс-апарату. Унікальною можливістю GSM, якої не було в старих аналогових системах, є двунаправленная передача коротких повідомлень SMS (Short Message Service), (до 160 байт), що передаються в режимі з проміжним зберіганням даних. Адресату, що є абонентом SMS, може бути надіслано повідомлення, після якого відправнику надсилається підтвердження про отримання. Короткі повідомлення можна використовувати в режимі широкомовлення, наприклад, для того, щоб повідомляти абонентів про зміну умов дорожнього руху в регіоні.

Поточні специфікації у вигляді додаткових можливостей описують послуги з перенесення інформації та надання зв'язку (наприклад, перенаправлення виклику в разі недоступності рухомого абонента), Надалі очікується поява нових можливостей, таких як ідентифікація виклику, постановка виклику в чергу, переговори відразу декількох абонентів і ін.

Архітектура мережі GSM

Область, що накривається мережею GSM, розбита на стільники шестикутної форми. Діаметр кожної шестикутної комірки може бути різним - від 400 м до 50 км. Функції і інтерфейси елементів мережі GSM описані в рекомендаціях ETSI. Система складається з трьох складових частин.

рухома станція

Крім терміналу MS містить пластикову картку, яку називають модулем ідентифікації абонента SIM (Subscriber Identity Module). При вставці SIM-карти в інший термінал GSM абонент продовжує отримувати повний комплекс послуг.

Кожен термінал має унікальний міжнародний ідентифікатор мобільного обладнання, SIM-карта містить міжнародний ідентифікаційний номер мобільного абонента, секретний ключ для аутентифікації, і іншу інформацію. Ці ідентифікатори не залежать одне від одного, а SIM-карта захищена від несанкціонованого використання паролем або персональним кодом.

Підсистема базових станцій

BSS теж складається з двох частин: з базової приймально-передавальної станції BTS (Base Transceiver Station) і контролера базової станції BSC (Base Station Controller) .Інтерфейс Abis, що зв'язує ці частини, дозволяє оперувати компонентами, створеними різними виробниками. Радіопокриття BSS ділиться на території - їх прийнято називати - "соти", кожна покривається однієї BTS.

BTS управляє протоколами радіоканалів з MS. На великій густонаселеній території може розташовуватися багато BTS, і тому до них пред'являються дуже строгі вимоги (чіткість меж, надійність, переносимість і низька ціна). BSC управляє радиоресурсами одного або декількох BTS, контролює надання радіоканалу, регулювання частоти, управління переміщуваними з комірки в комірку викликами (хендоверів) і є сполучною ланкою між мобільною станцією і MSC.

мережева підсистема

Як вже було зазначено, основний компонент мережевої підсистеми - центр MSC. Він керує рухомим абонентом: реєструє, ідентифікує, оновлює інформацію про місцезнаходження, здійснює хендоверів, маршрутизує дзвінки під час роумінгу абонентів, а також забезпечує з'єднання з фіксованими мережами. Перераховані послуги забезпечуються різними функціональними елементами HLR, VLR і ін. (Див. Рис.1), доступ до яких можливий через мережу системи загальноканальної сигналізації SS7 (Signalling System No. 7).

( 1x1 )

Малюнок 1. Архітектура мережі GSM.
Рухома станція MS (Mobile Station) - портативний (кишеньковий) апарат, або автомобільний телефон.
Підсистема базових станцій BSS (Base Station Subsystem) - пристрій управління радіоканалами зв'язку з MS.
Мережева підсистема NSS (Network Subsystem), ядром якої є центр комутації послуг рухомого зв'язку MSC (Mobile services Switching Center), управляє послугами рухомого зв'язку і взаємодією абонентів мережі GSM і інших типів мереж.

SS7 стандартизована на міжнародному рівні і призначена для обміну сигнальною інформацією в цифрових мережах зв'язку з цифровими програмно-керованими станціями. Система оптимізована для роботи по цифрових каналах зі швидкістю 64 кбіт / с і дозволяє управляти процесом з'єднання, а також передавати інформацію техобслуговування та експлуатації. Крім того її можна Піменяется як надійної транспортної системи для передачі інших видів інформації між станціями і спеціалізованими центрами в мережах телекомунікацій.

SS7 використовує метод передачі сигнальної інформації по спеціальному каналу, загального для одного або декількох пучків інформаційних каналів. Сигнальна інформація повинна передаватися в правильній послідовності, без втрат, при цьому можуть бути задіяні і наземні, і супутникові канали. Мережа SS7 є обов'язковою умовою створення мережі стандарту GSM. Архітектура протоколів SS7 і її відповідність еталонної моделі взаємодії відкритих систем показані на рис.2.

( 1x1 )

Малюнок 2. Система сигналізації SS7.

Опорний регістр місцезнаходження HLR (Home Location Register) і візитна регістр місцезнаходження VLR (Visitor Location Register), разом з MSC, забезпечують можливості маршрутизації і роумінгу. HLR містить всі дані адміністративного характеру про кожну зареєстровану абонента у відповідній даному HLR мережі GSM, а також інформацію про його поточне місцезнаходження. Інформація про місцезнаходження абонента, як правило, надається у вигляді сигнального адреси VLR, асоційованого з мобільною станцією.

VLR містить вибіркову адміністративну інформацію з опорного регістра, необхідну для управління викликом і надання всього комплексу послуг для кожного мобільного абонента, який в цей момент знаходиться в географічній зоні, керованої даними VLR.

Інші два регістри використовуються для забезпечення аутентифікації і безпеки.

радіоканали

Ширина смуги спектра для діючих в Європі мереж стільникового рухомого зв'язку - 890-915 Мгц для висхідного ланки (від мобільної станції до базової) і 935-960 МГц для низхідного ланки (від базової стації до рухомий). Оскільки дані діапазони вже використовувалися аналоговими системами на початку 80-х років, верхні 10 МГц кожної смуги зарезервовані для мережі GSM, яка ще тільки розробляється. Зрештою GSM займе всю смугу шириною 2x25 МГц.

Множинний доступ і структура каналів

Оскільки радіоспектр має обмежені ресурси, необхідно оптимально розподілити ширину смуги між усіма можливими користувачами. Метод, застосовуваний з цією метою в GSM, - це комбінація методів множинного доступу TDMA і FDMA (Time- and Frequency-Division Multiple Access).

Спочатку смуга частот в 25 МГц ділиться на смуги в 200 КГц. Кожній станції відповідає своя смуга (або кілька смуг). Абоненти смуги розділені в часі. Кожному абоненту відповідає один кадр. Вісім кадрів об'єднуються у фрейм. 26 фреймів, в свою чергу, утворюють мультіфрейм, який повторюється циклічно. Довжина мультіфрейма - 120 мілісекунд. На один кадр доводиться 1/200 мультіфрейма, тобто близько 0.6 мілісекунди.

Канали визначаються числом і позицією відповідних їм циклічних кадрів, і вся палітра повторюється приблизно кожні 3 години. Вони діляться на запропоновані канали (dedicated channels), або канали трафіку, кожен з яких відповідає одній рухомий станції, і загальні канали (common channels), або канали управління, використовувані рухливими станціями в пасивному режимі.

Канали трафіку (TCH) застосовуються для перенесення мовного потоку і потоку даних. Ці канали для висхідного і низхідного ланок розділені в часі трьома кадрами, так, щоб MS міг здійснювати прийом і передачу інформації в різний час. Це дозволяє спростити електронне обладнання MS і зробити рухливий термінал більш компактним.

Загальні канали використовуються вільними рухливими станціями при обміні сигнальної інформацією, необхідною для переходу в режим зайнятості. Рухливі станції, що знаходяться в режимі зайнятості, сповіщають прилеглі базові станції про переміщення в інший осередок і передають необхідну інформацію.

( 1x1 )

Малюнок 3. Структура мультіфрейма GSM.

кодування мовлення

GSM - система цифрова, тому вимагає оцифровування аналогового мовлення. Метод, який використовується існуючими телефонними системами і мережею ISDN для мультиплексування аналогових ліній на високошвидкісних каналах і оптичних лініях, називається сигнал PCM PCM (Pulse Coded Modulation). Швидкість вихідного потоку в PCM 64 кбіт / с дуже висока для передачі по радіоканалах системи GSM. Дослідницька група GSM вивчила кілька алгоритмів кодування мови, поки, нарешті, не зупинила свій вибір на схемі кодування RPE-LTP (Regular Pulse Excitation-Long Term Prediction). Схема здійснює переклад мовного потоку, що надходить зі швидкістю 64 кбіт / c, в потік зі швидкістю 13 кбіт / с, і назад, зі збереженням якості сигналу.

Деякі мережеві аспекти

Забезпечення високої якості передачі голосу і даних по радіоканалу - це лише частина функцій GSM. Як вже говорилося, географічна зона, накривається мережею, розділена на стільники, а значить необхідно існування механізму переміщення абонента з комірки в комірку в процесі обслуговування виклику. Крім того, для здійснення роумінгу абонента потрібна реєстрація, ідентифікація, маршрутизація виклику і оновлення інформації про місцезнаходження рухомого абонента. Виконання цих функцій було б неможливо без сигналізації в мережі GSM. Як вже зазначалося вище, для сигналізації між елементами мережевої підсистеми і для забезпечення взаємодії з іншими мережами в GSM використовується система SS7.

хендовер

Радіо- і фіксовані канали, які беруть участь у виклику абонента в GSM, не прив'язані до даного виклику. Завдяки цьому з'являється можливість для переміщення рухомого абонента з комірки в комірку в процесі виклику, який і називається хендоверів.

В системі GSM існує чотири типи хендоверів з наступними характеристиками:

• канали в одній і тій же комірці;
• стільники (BTS), що знаходяться під управлінням одного і того ж BSC;
• стільники, що знаходяться під управлінням різних BSC, але належать одному MSC;
• стільники, що знаходяться під управлінням різних MSC.

Перші два типи хендоверів (внутрішні) використовують тільки один BSC. Для збереження ширини смуги сигналізації вони управляються за допомогою BSC, і при цьому MSC НЕ использут, а лише повідомляють його про завершення хендовер. Останні два типи хендоверів, які називаються зовнішніми, відбуваються під управлінням залучених в процедуру MSC.

Ініціаторами хендовер може стати і рухливий термінал, і MSC (для збереження балансу навантаження трафіку). Рухомий термінал створює список з шести варіантів для можливого перемикання, виходячи з інтенсивності отриманих сигналів. Ця інформація передається BSC і MSC, принаймні один раз в секунду, і використовується алгоритмом хендовер.

роумінг

На відміну від фіксованих мереж, де абонентський термінал проводами підключений до центрального офісу, абонент мережі GSM може переміщатися в межах національної мережі і за її межами, тобто здійснювати роумінг. Щоб додзвонитися до рухомого абонента, необхідно набрати номер, званий номером мобільного абонента цифрової мережі з інтеграцією служб MSISDN (Mobile Subscriber ISDN). Такий номер містить код країни і національний код призначення, що ідентифікує оператора даного абонента. Перші кілька цифр номера ідентифікують HLR абонента в його мережі рухомого зв'язку.

Вхідній дзвінок мобільного абонента Направляється для ОБРОБКИ шлюзом GMSC (Gateway MSC). GMSC в основному Виконує Функції комутатора, что запітує HLR абонента про Отримання необхідніх Даних и про маршрутізації, и тому містіть таблицю з'єднання номерів MSISDN з відповіднімі Їм HLR. Номер роумінгу мобільної станції MSRN (Mobile Station Roaming Number) повністю визначає маршрутизацію, відноситься до географічного плану нумерації і ніяк не пов'язаний з абонентами.

Самуйлов К.Є., Нікітіна М. В. - співробітники Російського Університету дружби народів. З ними можна зв'язатися по електронній пошті: [email protected]

Внесок Європи в масові системи мобільного зв'язку

Мережі персональних комунікацій це не технологія - це концепція, яка грунтується на прив'язці до користувача, а не до місця. Ця концепція заснована на тезі, що не тільки "нові росіяни" і не тільки самі "круті" бізнесмени повинні мати можливість скуштувати від пирога благ під назвою "стільниковий телефон". Зростання конкуренції та обмежені возмжность наданої смуги частот змушують зацікавлених осіб шукати нові можливості в області більш високих частот, ніж існуючі системи. У 1990 році у Великобританії були зроблені перші кроки по впровадженню системи мобільного зв'язку, що працює на частоті 1800 МГц. Нова система отримала назву DCS 1800 (Digital Cellular System - 1800 МГц). Значно збільшуючи в порівнянні з GSM ємність системи DCS-1800 претендує на роль істинно народної системи. Очікується, що найближчим часом DCS стане загальноєвропейським стандартом, а можливо пошириться і на інші континенти. Правда, Японія і США йдуть своїм шляхом, розвиваючи власні стандарти. Для систем персонального зв'язку в США виділений подібний діапазон - 1900 МГц.

FDMA - множинний доступ з частотним поділом

Стандарт FDMA широко використовується як в традіцінно аналогових системах стільникового зв'язку, так і в сучасних цифрових системах (як правило в поєднанні з іншими методами).

З усього доступного діапазону кожному абоненту виділяється своя смуга частот, яку він може використовувати всі 100% часу. У такий спосіб не часовий чинник, а тільки лише відмінності в частоті використовуються для поділу (диференціації) абонентів. Подібний підхід має помітну перевагу: вся інформація передається в "реальному часі", і абонент отримує можливість використовувати всю смугу пропускання, виділеного йому сегмента. Ширина смуги сегмента може варіюватися в залежності від використовуваної системи зв'язку.



CDMA - множинний доступ з кодовим поділом

Канали трафіку при такому способі поділу середовища створюються присвоєнням кожному користувачеві окремого коду, який поширюється по всій ширині смуги. В даному випадку не існує тимчасового поділу, і всі абоненти постійно використовують всю ширину каналу. Потрібно зауважити, що смуга частот, що виділяється для організації одного каналу, дуже широка. Мовлення абонентів накладаються один на одного, але оскільки їх коди відрізняються, вони можуть бути легко диференційовані.

Як ілюстарціі цього методу можна уявити кімнату, в якій знаходяться кілька пар людей. Ці пари хочуть спілкуватися тільки один з одним і не цікавляться іншими. Якщо кожна пара знає тільки одну мову і його використовує, а всі мови різні, тоді повітря кімнати може бути "частотою" для їх голосів. Аналогія полягає в тому, що повітря в кімнаті є широкосмуговим каналом, а мови представляються у вигляді кодів. Якщо ми включимо мовні "фільтри", то люди, які говорять німецькою, не почують тих, хто говорить іспанською і т.д. Ми будемо збільшувати кількість абонентів до тих пір, поки загальний "Фоновий шум" (перешкоди від інших абонентів) не буде нас обмежувати. Регулюючи потужність сигналу всіх абонентів, яка не повинна бути вище необхідної при збереженні високої якості мови, ми забезпечуємо зв'язком велика кількість абонентів. Максимальна кількість користувачів, або каналів трафіку залежить від інтенсивності використання кожного каналу трафіку, і тому не є визначеним. Це відбивається в концепції "м'якої перевантаження" (soft overload), згідно з якою додатковий абонент (або пара з нашої аналогії) може отримати доступ, якщо необхідно, за рахунок кілька зростаючих перешкод для інших абонентів.

Повторне використання частот У разі застосування інших стільникових технологій мережі проектуються з повторним використанням частот у кожної восьмої або кожної п'ятої соте, тобто N = 7 або N = 4.

Більшість операторів використовують в кожному осередку три незалежних секторних антени (трисекторна модель, N = 7). Або, іншими словами, зазвичай одна сьома всіх частот, виділених оператору стільникового зв'язку, може використовуватися в будь-який соте. Стільники повинні бути рознесені достаточнодалеко один від одного з тим, щоб перешкоди були усунені або зведені до мінімуму, і відповідно досягнуто прийнятну якість мови.

У разі використання стандатра CDMA сигнал може бути прийнятий за наявності високого рівня перешкод, але при цьому зберігається те ж саме або вищу якість передачі. Всі абоненти спільно використовують один і той же частотний ресурс. У стандарті CDMA одна і та ж смуга частот використовується в кожній соте і в кожному секторі секторізованной стільники. В даному випадку модель повторного використання частот виглядає як N = 1. Ця модель N = 1 є тією умовою, яке забезпечує для стандарту CDMA більш високу пропускну здатність (ємність) в порівнянні з AMPS і іншими технологіями. Перешкоди, створювані іншими абонентами і іншими базовими станціями, є фактор, в кінцевому підсумку визначає верхній поріг пропускної здатності мережі стандарту CDMA. При розробці первинної мережі метою є зведення до мінімуму загального рівня перешкод. У стандарті CDMA існує безліч способів знизити рівень перешкод і довести до максимуму ємність мережі.

TDMA - множинний доступ з тимчасовим поділом

Стандарт TDMA активно використовується сучасними цифровими системами рухомий свзи. На відміну від систем частоності поділу, всі абоненти системи TDMA працюють в одному і тому ж діапазоні частот, але при цьому кожен має тимчасові обмеження доступу. Кожному абоненту виділяється часовий проміжок (кадр), в перебігу якого йому дозволяється "мовлення". Після того, як один абонент завершує мовлення, дозвіл прередается іншому, потім третьому і т.д. Після того, як обслужені всі абоненти, процес починається спочатку. З точки зору абонента його активність носить пульсуючий характер. Чим більше абонентів, тим рідше кожному з них надається можливість передати свої дані, тим, відповідно, менше даних він зможе передати. Якщо обмежити потреби (можливості) абонента відомою величиною, можна оцінити кількість користувачів, яких реально зможе обслужити система з таким способом поділу середовища. Тимчасовий поділ, як правило, накладається на частотне розділення і мовлення ведеться в виділеній смузі частот.