Сотовая связь стандарта GSM

-стандарт на интерфейсное соединение BTS с BSC, точнее BSC с каждой BTS получил наименование интерфейса A-bis.

Итак, BSC реализует следующие основные функции:

-управление радиоресурсами одного или нескольких BTS (количество BTS определяется главным образом обьемами потоков вызовов (телефонной нагрузкой), например, в густонаселенной территории может располагаться большое количество BTS, подключаемых к нескольким BSC);

-контроль предоставления радиоканала;

-регулировку частоты канала;

-управление вызовами (хэндоверами) перемещающихся из ячейки в ячейку мобильными станциями, при этом BSC является связующим звеном между MS и MSC;

-ТСЕ (Trans Coder) — транскодер, обеспечивает преобразование выходных сигналов канала передачи речи и данных MSC (64 кбит/с с ИКМ (импульсно-кодовой модуляцией)) к виду, соответствующему рекомендациям GSM по радиоинтерфейсу (рекомендации GSM 04.08). В соответствии с этими требованиями скорость передачи речевых сигналов, представленных в цифровой форме, составляет 13 кбит/с. Этот канал передачи речевых сигналов в цифровом виде называется полноскоростным.

Стандартом GSM предусматривается использование полускоростного речевого канала со скоростью передачи 6,5 кбит/с.

Сетевая и коммутационная подсистема NSS

Сетевая и коммутационная подсистема NSS сети GSM обеспечивает функции коммутации и содержит базы данных, необходимые для управления мобильностью абонентов и обеспечения безопасности связи (то есть предотвращения несанкционированного использования сети GSM и обеспечения секретности переговоров абонентов). Основной функцией NSS является управление процессами соединений мобильных абонентов сети GSM между собой и с абонентами фиксированных сетей. Подсистема NSS состоит из MSC (Mobile Switching Center) — центра коммутации мобильной связи.

В любой сотовой сети мобильной связи центр коммутации является мозговым центром и одновременно диспетчерским пунктом системы сотовой связи, на который замыкаются потоки информации со всех базовых станций и через который осуществляется выход на другие сети связи: стационарную телефонную сеть (PSTN), сети междугородной связи, спутниковой связи и другие сети, в том числе и другие сотовые сети мобильной связи. Обычно в состав центра коммутации входит несколько процессоров (контроллеров), и он является типичным примером многопроцессорной системы. Блок-схема центра коммутации представлена на рис. 3.4.

 

 

 

 

Рисунок 3.4 – Блок-схема центра коммутации MSC

Собственно коммутатор осуществляет переключение потоков информации между соответствующими линиями связи. Он может, в частности, направить поток информации от одной BTS к другой, или от базовой станции к стационарной (фиксированной) сети связи, или наоборот — от стационарной сети связи к нужной базовой станции. Коммутатор подключается к линиям связи (обычно к волоконно-оптическим линиям) через соответствующие контроллеры связи, осуществляющие промежуточную обработку (упаковку/распаковку, буферное хранение) потоков информации. Общее управление работой центра коммутации и системы в целом производится из центрального контроллера, который имеет мощное математическое обеспечение, включающее перепрограммируемую часть.

Работа центра коммутации предполагает оперативное участие операторов, поэтому в состав центра коммутации входят соответствующие терминалы, а также средства отображения и регистрации информации. В частности, оператором вводятся данные об абонентах и условиях их обслуживания, исходные данные по режиму работы системы, в необходимых случаях оператор выдает требующие по ходу работы команды.

 

Важными элементами центра коммутации являются базы данных:

• домашний регистр или регистр местоположения HLR (Home Location Register);
• гостевой регистр или регистр перемещений VLR (Visitor Location Register);

• центр аутентификации AUC (Authentication Center);

• регистр аппаратуры EIR (Equipment Identity Register).

В общем, регистр HLR содержит сведения обо всех мобильных абонентах, зарегистрированных в данной системе сотовой мобильной связи, о видах услуг, которые могут быть им оказаны (при заключении договора на обслуживание для разных абонентов может быть предусмотрено, вообще говоря, оказание различного набора услуг). В HLR фиксируется местоположение абонента для организации его вызова и регистрируются фактически оказанные услуги.

Регистр VLR содержит примерно такие же сведения об абонентах-гостях (роумерах — roamers), то есть об абонентах, зарегистрированных в другой сотовой мобильной системе (другого оператора мобильной связи), но пользующихся в настоящее время услугами сотовой связи в данной системе (например, абонент, зарегистрированный в сотовой сети LMT, находясь в Германии, разговаривает по мобильному телефону с абонентом LMT в Латвии, регистр VLR GSM — сети в Германии обеспечивает все услуги данной сети, при условии существования договоров на роуминг между соответствующими операторами мобильной связи, то есть LMT — оператор в Германии).

AUC обеспечивает процедуру аутентификации и шифрования сообщений.

Регистр аппаратуры (точнее — регистр идентификации аппаратуры), если он используется в сотовой сети, содержит сведения об эксплуатируемых мобильных станциях на предмет их исправности и санкционированного использования. В частности, в нем могут отмечаться украденные мобильные аппараты, а также аппараты, имеющие технические дефекты, например, являющиеся источниками помех недопустимого уровня.

Как и в базовых станциях, в центрах коммутации обычно предусматривается резервирование основных элементов аппаратуры, включая источники питания, процессоры и базы данных.

 

Переходя конкретно к MSC стандарта GSM, отметим следующее.

1). Как правило, при организации сети стандарта GSM один или два MSC используются на территории, где проживает до 1 миллиона пользователей (может быть даже возможных).

2). Оборудование одного MSC размещается в 4-6 стативах, при этом основные функциональные блоки MSC дублируются.

3). К основным функциям, выполняемым MSC стандарта GSM, следует отнести:

• обеспечение обслуживания группы сот и всех видов соединений, в которых нуждаются мобильные станции в процессе своей работы;
• обеспечение маршрутизации вызовов и функции управления вызовами;
• интерфейс между сетью мобильной связи и стационарными сетями, такими как PSTN (Public Switched Telephone Network) — телефонная (стационарная) сеть общего пользования; ISDN (Integrated Services Digital Network) — цифровая сеть с интеграцией услуг; PDN (Packed Data Network) — сеть пакетной коммутации данных; PSPDN (Packet Switched Public Data Network) — сеть передачи данных с пакетной коммутацией; CSPDN (Circuit Switched Public Data Network) — сеть передачи данных с коммутацией каналов;
• реализация коммутации радиоканалов, к которым относятся эстафетная передача, обеспечивающая непрерывность связи при перемещении мобильных станций из соты в соту и переключение рабочих радиоканалов в соте при появлении помех или неисправностей;

осуществление постоянного слежения за мобильными станциями, используя регистры: HLR — регистр местоположения и VLR — регистр перемещений (блужданий) мобильных станций.

 

4). Технические характеристики стандарта GSM 900/1800

- Частоты передачи мобильных  станций (МS) и приёма базовых станций (BTS) станций (от мобильной станции к базовой – Uplink):

• GSM 900 – (890…915) МГц;
• GSM 1800 (DCS 1800) – (1710…1785) МГц.

- Частоты приёма мобильных  станций и передачи базовых  станций (от базовой к мобильной  станции – Downlink):

• GSM 900 – (935… 960) МГц;
• GSM 1800 (DCS 1800) – (1805…1880) МГц.

- Дуплексный разнос частот  приёма и передачи:

• GSM 900 – 45 МГц;
• GSM 1800 – 95 МГц.

- Эквивалентная полоса  частот на один речевой канал:

• GSM 900 – 25 кГц;
• GSM 1800 – 12,5 кГц.

- Ширина полосы канала  связи – 200 кГц.

- Максимальное количество  каналов связи – 124

- Количество речевых каналов  на несущую:

• GSM 900 – 8
• GSM 1800 – 16.

- Максимальное количество  каналов, организуемых в базовой  станции:

• GSM 900 – 16…20.

- Метод доступа – TDMA.

- Ширина полосы предмодуляционного гауссовского фильтра – 81,2 кГц.

- Скорость преобразования  речевого кодера 13 кбит/c.

- Скорость передачи информации в радиоканале – 270 кбит/c.

- Вид модуляции – GMSK

- Радиус соты – (0,5…35) км.

5). Антенные системы сотовой связи стандарта GSM

5.1 Антенны мобильных станций

 

Широкое использование в системах сотовой мобильной связи радиоволн дециметрового диапазона (300...3000 МГц) естественно выделяют определенный круг возможных антенных систем, используемых на базовых и мобильных станциях. Прежде всего это вибраторные антенны различной конструкции.

Сложные условия распространения радиоволн в системах сотовой мобильной связи, связанные с многократным их отражением, рассеянием, приводят к тому, что закономерности, справедливые для систем функционирующих в условиях прямой видимости, становятся несправедливыми, и направленные свойства антенн, которые были справедливыми для условий свободного пространства, значительно изменяются. Поэтому при проектировании антенн в системах мобильной связи учитываются статистические характеристики окружающей среды, в которых эти антенны используются, то есть городские условия, растительность, холмы и т.п.

Особенности функционирования мобильных телефонов приводят к особенностям в требованиях, предъявляемых к используемым в них антеннах:

• очень малые размеры;
• относительно большая полоса рабочих частот (на частотах 900,1800 и 1900 МГц);
• эффективность при передаче и приеме радиоволн при различных пространственных ориентациях мобильных телефонов, при учете многолучевого распространения радиоволн в пределах соты;
• высокие механические свойства (например, ударопрочность).

В качестве антенн в мобильных телефонах сотовой связи в настоящее время нашли широкое распространение следующие типы [3.3]:

• симметричный вибратор с коаксиальным экраном в центральной части (sleeve dipole);
• спиральная антенна (helical antenna);
• четвертьволновый несимметричный диполь (quarter wavelength whip (monopole) antenna);
• комбинированная спиральная антенна (diversity helical antenna system).

5.2 Особенности антенных систем  базовых станций BTS

 

Одним из важных элементов аппаратуры в системах сотовой мобильной связи является антенная система, используемая в BTS для создания равномерного радиопокрытия территории соты (или сектора в пределах соты), устойчивого приема от мобильных станций (при минимизации помех), определения местоположения MS и т.п. Поэтому к антеннам BTS предъявляются достаточно высокие требования как по аппаратурным параметрам, так и по технологии антенных систем (рис. 3.8).

В нормальных действующих сотовых системах выигрыш по мощности за счет использования антенн BTS составляет от 7 до 15 дБ. При этом должны быть выполнены следующие требования:

 

• излучение в соте (или в секторе с углами 120°, 60°) должно быть равномерным, уменьшающимся по радиусу по закону 1/гп (2 <п< 4);
• подавление межканальных помех (за счет разнесенного приема и использовании направленных антенн);
• широкополосность (более 7% при коэффициенте стоячей волны КСВН £ 1,5) для одновременной передачи/приема большого числа каналов (одновременно до 30...60 каналов);
• диаграмма направленности (в идеальном случае: в вертикальной плоскости: cosec20, в горизонтальной: либо F(cp) = 1, либо F(cp) = sincp в пределах сектора), обеспечивающая равномерное радиопокрытие зоны при уверенном уровне приема и минимальном уровне боковых лепестков;
• минимальное время задержки при распространении электромагнитных волн;
• малые размеры, вес и стоимость.

Рис. 5.2.1- Требования к антенным системам BTS

 

Особенности типовых антенн BTS:

Всенаправленные антенны BTS в горизонтальной плоскости

Для получения равномерного радиопокрытия территории соты, необходимо иметь: в вертикальной плоскости диаграмму направленности антенны BTS в виде F(0) = cosec20, при минимальном уровне и числе боковых лепестков, а в горизонтальной плоскости всенаправ- ленную диаграмму, то есть F(cp) = 1.

К основным недостаткам таких антенных систем можно отнести:

• необходимость выполнения требования по созданию многосотовых кластеров для уменьшения уровня межканальных помех;
• сложность формирования диаграммы направленности в меридианальной плоскости F(0), вплоть до синтезирования F(0) близкой к cosec20;
• необходимость повышения мощности передатчика BTS для создания устойчивой радиосвязи на границах соты;
• требование увеличения отношения сигнал/помеха (С/Г) антенн;
• требование использования разнесенного приема для уменьшения влияния помех и увеличения отношения сигнал/шум C/N = CNR;
• обеспечение равномерного радиопокрытия в пределах соты;
• учет зоны помех, возникающих за счет излучения боковых лепестков.