Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (г.Томск);

Сибирский государственный медицинский университет (г. Томск)

 

 

Системы сотовой мобильной связи можно считать одними из важнейших достижений XXвека в области информационных систем. Появившаяся на уровне идеи в проектах компании BellSystemв конце 40-х годов ХХ века, сотовая связь сегодня является одной из основных технологий передачи информации. На 2011 год сотовой мобильной связью было охвачено свыше 5,1 миллиарда пользователей.

В сотовой сети связи территория зоны обслуживания делится на ячейки, или соты. В центре каждой соты находится стационарная базовая станция, которая соединена кабельной или радиорелейной линией связи с наземной стационарной сетью связи общего пользования. Назначение сотовой сети – связать мобильный терминал через базовую станцию с абонентом сети связи общего пользования или другим абонентом сотовой сети связи. При перемещении мобильного терминала из одной соты в другую производится автоматическое переключение радиоканала связи с одной базовой станции на другую (handover)[1].

Одним из самых широко используемых стандартов систем сотовой мобильной связи является стандарт GSM(GlobalSystemforMobile) и его разновидности (GSM 900/1800/1900). Выбор этого стандарта для рассмотрения в данной статье обусловлен тем, что, несмотря на конкуренцию с более новыми стандартами мобильной связи (3G, 4Gстандарты), GSMна сегодняшний день является самой популярной технологией сотовой мобильной связи. Абсолютное большинство пользователей на планете являются абонентами сетей GSM (около 75% от общего числа абонентов). 

Выходная мощность радиотелефона в большой степени зависит от качества связи с обслуживающей его базовой станцией. Средняя выходная мощность радиотелефонов различных стандартов системы сотовой радиосвязи приведена в табл. 1 [2].

Кроме того, в стандарте GSM-900/-1800 имеется режим DTX (DiscontinuousTransmission), при котором в целях экономии заряда батареи радиотелефона вовремя молчания пользователя выходная мощность телефонаснижается в несколько раз, что уменьшает интенсивность облучения пользователя. 

 

 

Цифровые системы сотовой мобильной связи данного стандарта представляют собой системы второго поколения (2G). Стандарт GSM 900(1800)предусматривает работу передатчиков в двух диапазонах частот [3]:

• 890-915 МГц (1710-1785 МГц) – передача сообщений от мобильной станции на базовую;

• 935-960 МГц (1805-1880 МГц) – передача сообщений от базовой станции на мобильную.

При переключении каналов во время сеанса связи разность между этими частотами постоянна и равна 45 МГц для GSM 900 и 95 МГц для GSM 1800. Выделенные для стандарта GSMчастоты относятся к дециметровому диапазону радиоволн.В GSMиспользуются каналы с частотой 200 кГц, каждый канал имеет скорость 270,833 Мбит/с и использует гауссовскую манипуляцию с минимальным частотным сдвигом (GMSK).

Сеть сотовой мобильной связи стандарта GSMявляется сложной телекоммуникационной системой, выделяют несколько составляющих ее подсистем:

• MS (Mobilestation) – мобильные станции (мобильные телефоны);

• BSS (Base Station Sub-System) – подсистемабазовыхстанций;

• NSS (NetworkandSwitchingSub-System) – сетеваяикоммутационнаяподсистема;

• NMS (NetworkManagementSub-System) – подсистемауправлениясетью.

Основные составляющие, а так же основные интерфейсы сети GSM представлены на рис. 1 [3]. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Подсистемы и интерфейсы сети GSM.

 

Мобильные станции состоят из оборудования, предназначенного для организации доступа абонентов сети GSMк существующим сетям связи. В стандарте GSMприняты 5 классов мобильных станций, отличающихся выходной мощностью: от модели 1-го класса (выходная мощность 20 Вт) до модели 5-го класса (выходная мощность 0,8 Вт).

Доступ мобильных станций к ресурсам сети GSMосуществляется с помощью радиоинтерфейса через подсистему базовых станций (BSS). Скорость передачи цифровой информации по радиоинтерфейсу может изменяться дискретно – 3,6; 6; 12 кбит/с.

Подсистема базовых станций BSSвключает:

• BTS (BaseTransceiverStation) – базовые приемо-передающие станции. Позволяют реализовывать радиосвязь с мобильными станциями в пределах соты через радиоинтерфейс по радиоканалам;

• BSC (Base Station Controller) – контроллербазовыхстанций. Представляет собой мощный компьютер, обеспечивающий управление работой BTS.

• TCE (TransCoder) – транскодер, обеспечивающий преобразование выходных сигналов передачи данных и речи к виду, соответствующему рекомендациям GSMпо радиоинтерфейсу (скорость передачи речевых сигналов в цифровой форме составляет 13 кбит/с).

Сетевая и коммутационная подсистема, или NSS, обеспечивает функции коммутации и содержит базы данных, необходимые для управления мобильностью абонентов и обеспечения безопасности связи. Подсистема NSSсостоит из MSC (MobileSwitchingCenter) – центра коммутации мобильной связи. Центр коммутации является мозговым центром и одновременно диспетчерским пунктом системы сотовой связи. На нем замыкаются потоки информации со всех базовых станций.

Важными элементами центра коммутации являются базы данных:

• домашний регистр или регистр местоположения HLR (HomeLocationRegister);

• гостевой регистр или регистр перемещений VLR (VisitorLocationRegister);

• центраутентификацииAUC (AUtentification Center);

• регистраппаратурыEIR (Equipment Identify Register).

Регистр местоположения HLR содержит сведения обо всех мобильных абонентах, зарегистрированных в данной системе мобильной связи, о видах услуг, которые могут быть им оказаны.Гостевой регистр VLRсодержит примерно такие же сведения, что и  HLR, но об абонентах, зарегистрированных в другой сотовой мобильной системе, пользующихся в настоящее время услугами сотовой связи в данной системе.ЦентраутентификацииAUCобеспечивает процедуру аутентификации и шифрования сообщений.

Регистр аппаратурыEIR, или регистр идентификации аппаратуры, содержит сведения об исправности и санкционированном использовании эксплуатируемых мобильных станциях..Этот регистр содержит базу данных для подтверждения подлинности международного идентификационного номера оборудования мобильной станции IMEI (InternationalMobileStationEquipmentIdentify).

Подсистема управления сетьюNMSвключает следующие виды оборудования:

• OMC (OperationMaintenanceCenter) – центр эксплуатации и технического обслуживания. Является центральным элементом сети GSM, который обеспечивает контроль и управление другими компонентами сети GSMи контроль качества ее работы.

• NMC (NetworkMaintenanceCenter) – центр управления сетью, позволяет обеспечить рациональное иерархическое управление сетью GSM.

В стандарте GSM, как и в любом стандарте сотовой мобильной связи, для информационных стыков используются различные интерфейсы и протоколы. Например, предусмотрены интерфейсы для связи мобильных станций с базовыми,  базовых станций с контроллером, подсистемы BSSс NSS, центра коммутации NSSс домашним регистром HLR ит.д.

Все интерфейсы и протоколы подлежат стандартизации для обеспечения совместимости аппаратуры различных фирм-изготовителей. В некоторых случаях используются уже существующие стандартные интерфейсы, системы сигнализации и сетевые протоколы, соответствующие интерфейсам и протоколам обмена в цифровых информационных сетях.

Для проектирования цифровых систем сотовой мобильной связи стандарта GSMрассматриваются три основных вида интерфейсов:

• Для соединения различного оборудования  внутри сотовой сети GSM;

• Между сутью GSMи внешним оборудованием;

• Между сетью GSMи внешними цифровыми сетями.

Внутренние интерфейсы GSMвключают в себя:

1) Интерфейс между мобильной станциейMS и базовой станциейBTS, или Air-interface – эфирный интерфейс или радиоинтерфейс. Определяет обмен информацией между базовой и мобильной станциями.

2) Интерфейс между базовой станциейBTS и контроллером базовых станцийBSC, или А-bisinterface. Передача информации осуществляется цифровыми потоками со скоростью 2,048 Мбит/с.

3) Интерфейс между оборудованием контроллера базовых станцийBSC и оборудованием транскодированияTCE. Этот интерфейс использует стандарт ИКМ (скорость 2,048 Мбит/с).

4) Интерфейс между подсистемойбазовыхстанцийBSS и центром коммутации мобильной связиMSC, или A-interface.

5) Внутренние интерфейсы сетевой и коммутационной подсистемыNSS.

6) Интерфейс между контроллером базовых станций BSCи центром управления и обслуживанияOMC, или O-interface.

7) Интерфейс между центром управления и обслуживания OMCи сетью GSM.

Интерфейсы между сетью GSMи внешним оборудованием можно свести к следующим:

1) Интерфейс между центром коммутации MSCи сервис-центромSC. Необходим для реализации услуги SMS.

2) Интерфейс к другим центрам эксплуатации и технического обслуживания сети OMCи к центру управления сетью NMC, или Х-interface.

Интерфейсы между сетью GSMи внешними сетями можно разделить на:

1) Интерфейс между сетью GSMи сетью PSTN(коммутируемая телефонная сеть общественного пользования).

2) Интерфейс между сетью GSMи сетью ISDN (цифровая сеть с интеграцией услуг).

3) Интерфейс между сетью GSMисетьюNMT-450 (стандарт сотовой связи мобильного телефона северных стран).

4) Интерфейс между сетью GSMимеждународными сетями GSM

5) Интерфейс между сетью GSMицифровыми сетями общественного пользования. Соединение реализуется между центром коммутации MSCи серверами компьютерных сетей.

6) Интерфейс между сетью GSMиинтернетом.

Системы сотовой мобильной связи в стандарте GSMпомимо обычной двухсторонней радиотелефонной связи, могут предложить абонентам ряд услуг, которые включают:

• передачу факсимильных сообщений и компьютерных данных;

• переадресацию вызова и автодозвон;

• автоматическую регистрацию продолжительности телефонных разговоров;

• голосовую почту и т.д.

Службы, обеспечивающие данные услуги, имеют четкую классификацию и делятся на основные и дополнительные. Основные службы могут существовать сами по себе и делятся на два класса:

1) службы передачи (Bearerservices). Обеспечивают асинхронную передачу данных со скоростями 300, 600, 1200, 2400, 4800 и 9600 бит/с и синхронную передачу данных со скоростями 1200, 2400, 4800 и 9600 бит/св дуплексном режиме через телефонные сети общего пользования. Обеспечивают доступ с помощью адаптера к пакетной асинхронной передаче данных через коммутируемые сети пакетной передачи данных общего пользования;

2) телеслужбы(teleservices). С помощью них осуществляется: передача речевой информации и тональной сигнализации в полосе речи; телефонная связь; передача коротких сообщений; доступ к системе обработки сообщений; доступ к службам Videotext, Teletext; доступ к службе «Телефакс».

Дополнительные службы могут существовать только одновременно с основными. Посредством этих служб пользователям может быть оказан широкий спектр дополнительных услуг:

1) идентификация и отображение вызывающего или подключенного номера и ограничение идентификации и отображения вызывающего или подключенного номера;

2) переадресация вызова на другой номер;

3) ожидание вызова и сохранение вызова;

4) конференцсвязь;

5) закрытая группа пользователей – позволяет группе пользователей разговаривать только между собой;

6) оперативная информация о стоимости услуг;

7) запрет на определенные функции;

8) предоставление открытой линии связи сеть/пользователь для реализации функций, определяемых оператором.

В стандарте GSMдля организации множественного доступа (multipleaccess) используются два метода: метод множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA) и метод множественного доступа с частотным разделением каналов (FDMA). Вметоде FDMAкаждому пользователю на время сеанса связи выделяется своя полоса частот, которую он использует все время. Такой метод используется во всех аналоговых системах сотовой связи. Его основным недостатком является недостаточно эффективное использование полосы частот, выделяемой для связи. Метод TDMA заключается в том, что каждый частотный канал разделяется между пользователями во времени. Практически реализация подобного метода требует преобразования аналогового речевого сигнала в цифровую последовательность, которая подвергается кодированию и шифрованию, что необходимо для защиты информации от ошибок в процессе передачи и приема.

В системе GSMиспользуется сочетание методов TDMAи FDMA–существует несколько частотных каналов, каждый из которых делится во времени между несколькими пользователями.

Особенностью формирования сигналов стандарта GSMявляется использование медленных скачков по частоте (SFH – SlowFrequencyHopping), главное назначение которых – обеспечение частотного разнесения в радиоканалах, функционирующих в условиях многолучевого распространения [4]. Суть медленных скачков по частоте заключается в том, что сообщение, передаваемое в выделенном абоненту кадре TDMA, в каждом последующем кадре передается на новой фиксированной частоте. Время для перестройки частоты составляет 1 мс. Параметры последовательности переключения частот назначаются каждой мобильной станции в процессе установления канала связи.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Попов В. И. Основы сотовой связи стандарта GSM. – М.: Эко-Трендз, 2005. – 296 с.

2. Гудина М.В., Волкотруб Л.П. Сотовые телефоны и здоровье пользователей.- Томск: СибГМУ, 2010. – 202 с.

3. Тепляков И.М. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей: Учеб.пособие. – М.: Радио и связь, 2004. – 328 с.

4. Беллами Дж. Цифровая телефония: Пер. с англ. / Под ред. А.Н. Берлина, Ю.Н. Чернышова, - М.: Эко-Трендз, 2004. – 640 с.