Структура сети сотовой связи GSM

GSM — это сокращенное название системы сотовой связи — Global System for Mobile communication. Сеть сотовой связи состоит из большого числа развернутых на местности приемопередатчиков, зоны обслуживания которых частично перекрываются. Принцип повторного использования частот в сети позволяет добиться высокой плотности трафика на больших территориях. Поскольку уровень мощности, излучаемой терминалами (те­лефонами) сотовой связи ограничен, на местности приходится размещать большое количество базовых станций, обслуживающих небольшие площа­ди. Несколько базовых станций объединяются в ячейку, часто представля­емую в виде правильного шестиугольника. Совокупность таких ячеек на местности похожа на пчелиные соты. Отсюда и это вид связи получил свое название — сотовая связь.

Сеть сотовой связи стандарта GSM подразделяется на три элемента:

•    мобильные станции, которыми пользуются ее абоненты;

•    базовые станции, управляющие процессом соединения с мобильны­ми станциями;

•    коммутационные центры мобильной связи, обеспечивающие комму­тацию соединений между абонентами мобильных станций и абонен­тов мобильных станций с абонентами телефонных сетей общего по­льзования и наоборот.

Вызовы

В системе GSM используется принцип временного разделения кана­лов с множественным доступом (TDMA — Time Division Multiple Access). При этом сигналы с базовой станции (BS — Base Station) передаются на мобильную станцию (MS — Mobile Station) и наоборот. В состав базовой станции входят трансивер или приемопередающее устройство (BTS — Base Tranceiver Station) и контроллер (BSC — Base Station Controller). Как правило, один BSC обслуживает 20—30 BTS, а коммутационный центр мо­бильной связи (MSC — Mobile Switching Centre) управляет трафиком (по­токами информации) между разными ячейками сотовой связи на основе сигналов, получаемых от базовых станций.

Регистрация посетителя (VLR — Visitor Location Register), относящего­ся к «чужой» сети, является одной из функций MSC. При появлении в сети «чужого» абонента он сверяет его данные с имеющимися в памяти и либо разрешает (если роуминг данному абоненту разрешен), либо отказы­вает (если роуминг запрещен) этому абоненту в доступе к сети.

Каналы и обработка сигналов

Каналы в системе сотовой связи стандарта GSM делятся на два клас­са: логические и физические. Физические каналы характеризуются их час­тотными параметрами, в частности, диапазоном, частотами приема и пе­редачи базовых и мобильных станций, и временными параметрами или параметрами используемых временных слотов. Логические каналы так и называются, потому что они логически распределяются в физических ка­налах. Физические каналы используются для передачи сигналов логичес­ких каналов управления или каналов трафика. Что и когда передается по физическому каналу, определяется конкретным промежутком времени.

Каждому физическому каналу, представляющему собой пару частот — передачи и приема, присваивается номер.

Рассчитать частоту канала п можно по формулам:

Fjx = 890 + 0,2-п (МГц), где 1 < п < 124;

Frx = FTx + 45 (МГц), где Frx и Ftx обозначают соответственно частоты приема и передачи.

Как было сказано выше, эти данные представляют собой логический канал. Он состоит из канала трафика TCH (Traffic Channel), используемый главным образом для передачи речевой информации, и ши­роковещательного канала ВСН (Broadcast Channel) для передачи сигналов управления. Основное назначение канала ВСН — передача информации от базовой станции на мобильную с целью синхронизации работы, иден­тификации, вызова и управления соединением. Его сигнал постоянно из­лучается каждой базовой станцией сотовой связи, а мобильная станция всегда ищет для соединения ту базовую станцию, принимаемый сигнал которой максимален.

Структура канала ВСН включает:

•    канал коррекции частоты FCCH (Frequency Correction Channel);

•    канал синхронизации SCH (Synchronization Channel);

•    широковещательный канал управления ВССН (Broadcast Control Channel).

Общий канал управления ССН (Common Control Channel) играет роль доски объявлений и состоит в свою очередь из двух каналов — канала вы­зова РСН (Paging Channel) и канала предоставления доступа AGCH (Access Grant Channel). Медленный управляющий канал взаимодействия SACCH (Slow Associated Control Channel) присутствует в сигнале каждые 12 фреймов и служит для управления мощностью передающего устройства и синхронизации работы мобильной станции, передачи служебной ин­формации на мобильную станцию, передачи от нее на соседние базовые станции информации об уровне и качестве приема. Быстрый канал обме­на сигналами управления FACCH (Fast Associated Control Channel) остает­ся невидимым и включается в работу при необходимости обеспечения хэндовера мобильной станции, изменяя при этом канал трафика ТСН.

Выделенный канал управления SDCCH (Stand-alone Dedicated Control Channel) и канал случайного доступа RACH (Random Access Channel) ра­ботают в процессе установления соединения.

Каждой MS присваивается уникальный идентификационный номер, и, как только телефон включают, происходит его немедленная регистра­ция и аутентификация в сети. Это позволяет немедленно найти абонента сотовой связи, где бы он ни находился при условии, что его MS находится в зоне покрытия сети.

В процессе сеанса связи передаются функциональные блоки данных:

•   VLR (Visitor Location Register) — регистрационные данные посетите­ля сети. Данные, хранящие информацию о абоненте, который рабо­тает в данной сети в качестве роумера (т. е. пользователя «неродной» сети, с которой она имеет соглашение о роуминге). При входящих звонках на мобильный телефон абонента происходит запрос его VLR данных;

•   HLR (Home Location Register) — регистрационные данные пользова­теля в «домашней» сети. При этом идет обращение к базе данных оператора сотовой связи, услугами которого пользуется абонент. Например, возможности доступа, подключенные услуги, дополни­тельные услуги. Также в состав этих данные входят и VLR данные. При перемещениях абонента соответствующим образом модифици­руются и его регистрационные данные. И еще эти данные поступают на MSC для обеспечения немедленного перенаправления вызовов на мобильную станцию абонента;

•   AUC (Authentication Center) — аутентификационный центр. Храни­мая в нем информация необходима для защиты связи от прослуши­вания и постороннего доступа. То есть, доступность абонента воз­можна только при использовании его аутентификационных данных, что обеспечивает необходимую конфиденциальность связи;

•   EIR (Equipment Identity Register) — регистрационные данные ис­пользуемого оборудования. Для повышения уровня безопасности связи оператор может ввести использование и индивидуальных дан­ных о мобильной станции абонента. В этом случае SIM-карта або­нента может быть использована только в одном конкретном аппара­те сотовой связи;

•   SIM (Subscriber Identity Module — идентификационный модуль або­нента) или по-другому SIM-карта, представляющая собой микросхе­му памяти с запрограммированными в ней идентификационными данными абонента, вмонтированную в карту небольших размеров, устанавливаемую в специальный слот сотового телефона.

Как было сказано выше, мобильные телефоны системы GSM исполь­зуют принцип временного кодирования сигналов с множественным досту­пом или TDMA (Time Division Multiple Access). Это значит, что при разго­воре абонента сигналы от его телефона передаются короткими пачками импульсов — пакетами, которые включают помимо передаваемой инфор­мации и служебную. Соответственно, аналоговые сигналы перед подачей их на модулятор должны быть оцифрованы, и все сигналы — обработаны процессором, чтобы занять свое, определенное для них в пакете место. На одном частотном канале (в GSM ширина его полосы составляет 200 кГц) могут вести переговоры несколько абонентов одновремено. В пределах од­ной соты может быть задействовано несколько таких каналов.

Речевой сигнал после цифро-аналогового преобразователя представ­ляет собой цифровую последовательность, которая после преобразования ее в параллельный код подается на синфазно-квадратурный или I/Q (In-phase/Quadrature) модулятор. В современных системах мобильной цифровой связи используются именно I/Q модуляторы. Они позволяют получить сигналы практически со всеми видами модуляции, используе­мыми в таких системах, реализовать метод модуляции с постоянной оги­бающей, отличающийся от других высокими энергетическими характе­ристиками. На рис. 1.4 показана упрощенная схема I/Q модулятора. Из нее видно, что сигнал опорной частоты подается на фазовращатель, кото­рый формирует из него два одинаковых сигнала, сдвинутых по частоте на 90°. В результате сложения этих сигналов и получают модулированный ра­диочастотный сигнал. Фильтры нижних частот на входе модулятора пред­назначены для сглаживания фронтов импульсов. Их обычно называют предмодуляциоиными фильтрами.

В современных мобильных телефонах наиболее широкое применение нашли приемники прямого преобразования или DCR (Direct Conversion Receiver). Принцип работы такого приемника прост: принимаемый сигнал подается на преобразователь частоты, на который одновременно подается и сигнал гетеродина с частотой, равной частоте принимаемого сигнала. В результате выделяется информационный сигнал. Соответственно прием­ник прямого преобразования для приема сигналов GSM должен обеспе­чить возможность выделения квадратурных каналов I и Q.