Сети сотовой подвижной связи в стандарте GSM

Стандарту GSM отведена одна из главных ролей в процессе эволюции систем связи. Он тесно связан со всеми современными стандартами цифровых сетей, в первую очередь с ISDN (Integrated Services Digital Network) и IN (Intelligent Network). Основные функциональные элементы GSM входят в разрабатываемый сейчас международный стандарт глобальной системы подвижной связи UMTS (Universal Mobile Telecommunications System).

История GSM

В начале 1980-х годов началось быстрое развитие аналоговых систем сотовой подвижной связи Европы, особенно в странах Скандинавии, Великобритании, Франции и Германии. Каждая страна разрабатывала свою собственную систему, несовместимую с другими как в оборудовании, так и в предоставляемых услугах. Вследствие этого мобильное оборудование каждого государства использовалось лишь внутри его национальных границ и имело весьма ограниченный рынок сбыта. Таким образом возникла необходимость в создании единого общеевропейского стандарта.

В 1982 году CEPT (Conference of European Posts and Telegraphs) в целях изучения и разработки общеевропейской системы сотовой подвижной связи общего пользования создала рабочую группу, получившую название GSM (Groupe Special Mobile). Разрабатываемая система должна была удовлетворять следующим критериям:

В 1989 году дело создания GSM перешло к ETSI (European Telecommunication Standards Institute), а в 1990 году были опубликованы спецификации первой фазы GSM. К середине 1991 года стали поддерживаться коммерческие услуги GSM, а к 1993 году функционировало уже 36 сетей GSM в 22 странах, и еще 25 стран выбрали направление GSM или поставили вопрос о его принятии. Несмотря на то, что система GSM была стандартизована в Европе, на самом деле она не является исключительно европейским стандартом. Сети GSM внедрены, либо планируются к внедрению почти в 60 странах Европы, Ближнего и Дальнего Востока, Африки, Южной Америки и в Австралии. В начале 1994 года число абонентов GSM во всем мире достигло 1,3 миллиона человек. К началу 1995 года их насчитывалось уже более 5 миллионов. Акроним GSM приобрел новое значение - Global System for Mobile communications.

Разработчики GSM выбрали неопробованную в то время цифровую систему, противопоставив ее стандартизованным аналоговым системам сотовой подвижной связи, таким как AMPS (Advanced Mobile Phone Service) в США и TACS (Total Access Communications System) в Великобритании. Они верили в то, что усовершенствование алгоритмов компрессии и цифровых процессоров позволит удовлетворить первоначальные требования к системе, и она будет развиваться по пути улучшения соотношения качество/стоимость.

Создание сетей подвижной связи (Сотовых сетей) в России по существу находится на начальном этапе - введены в действие системы стандарта NMT-450 (например Московская Сотовая), AMPS-800 (Билайн), начато развертывание систем стандарта GSM-900. Качественный скачок произошел лишь в последние 2-3 года, когда в Москве, Санкт-Петербурге и ряде крупных городов были созданы первые сотовые радиотелефонные сети. Для сетей GSM отставание в несколько лет объясняется прежде всего существовавшими до конца 80-х годов ограничениями СОСОМ на поставку соответствующих технологий в страны Восточной Европы и бывшего СССР. Сегодня в России порядка 100 тыс. абонентов Сотовых сетей (около 0.1% населения), в том числе около 15 тыс. абонентов GSM. При этом услуги Сотовой связи предоставляют примерно сорок операторов сетей, из них услуги GSM - шесть операторов.

Услуги и стандарт GSM

С самого начала разработчики GSM стремились обеспечить совместимость сетей GSM и ISDN по набору предлагаемых услуг. В соответствии с определениями ITU-T (International Telecommunication Union - Telecommunications Standardization Sector), сеть GSM может предоставлять следующие типы услуг:

Самым известным направлением деятельности GSM является телефония. Так как GSM по существу является цифровой системой передачи данных, речь кодируется и передается в виде цифрового потока. Еще одним примером предоставляемого сервиса является оказание экстренной помощи, когда ближайший поставщик такого рода услуги уведомляется при помощи набора трех цифр (например, 911). Кроме того, предоставляются разнообразные услуги передачи данных. Абоненты GSM могут осуществлять обмен информацией с абонентами ISDN, обычных телефонных сетей, сетей с коммутацией пакетов, и сетей связи с коммутацией каналов, используя различные методы и протоколы доступа, например, X.25 или X.32. Возможна передача факсимильных сообщений, реализуемых при использовании соответствующего адаптера для факс-аппарата. Уникальной возможностью GSM, которой не было в старых аналоговых системах, является двунаправленная передача коротких сообщений SMS (Short Message Service), (до 160 байт), передаваемых в режиме с промежуточным хранением данных. Адресату, являющемуся абонентом SMS, может быть послано сообщение, после которого отправителю посылается подтверждение о получении. Короткие сообщения можно использовать в режиме широковещания, например, для того, чтобы извещать абонентов об изменении условий дорожного движения в регионе.

Текущие спецификации в виде дополнительных возможностей описывают услуги по переносу информации и предоставлению связи (например, перенаправление вызова в случае недоступности подвижного абонента), В последствии ожидается появление новых возможностей, таких как идентификация вызова, постановка вызова в очередь, переговоры сразу нескольких абонентов и др.

Архитектура сети GSM

Область, накрываемая сетью GSM, разбита на соты шестиугольной формы. Диаметр каждой шестиугольной ячейки может быть разным - от 400 м до 50 км. Функции и интерфейсы элементов сети GSM описаны в рекомендациях ETSI. Система состоит из трех составных частей.

Подвижная станция

Помимо терминала MS содержит пластиковую карточку, которую называют модулем идентификации абонента SIM (Subscriber Identity Module). При вставке SIM-карты в другой терминал GSM абонент продолжает получать полный комплекс услуг.

Каждый терминал имеет уникальный международный идентификатор мобильного оборудования, SIM-карта содержит международный идентификатор мобильного абонента, секретный ключ для аутентификации,и другую информацию. Эти идентификаторы не зависят друг от друга, а SIM-карта защищена от несанкционированного использования паролем либо персональным кодом.

Подсистема базовых станций

BSS тоже складывается из двух частей: из базовой приемопередающей станции BTS (Base Transceiver Station) и контроллера базовой станции BSC (Base Station Controller).Интерфейс Abis, связывающий эти части, позволяет оперировать компонентами, созданными различными производителями. Радиопокрытие BSS делится на территории - их принято называть - "соты", каждая покрывается одной BTS.

BTS управляет протоколами радиоканалов с MS. На крупной густонаселенной территории может располагаться много BTS, и поэтому к ним предъявляются очень строгие требования (четкость границ, надежность, переносимость и малая стоимость). BSC управляет радиоресурсами одного или нескольких BTS, контролирует предоставление радиоканала, регулировку частоты, управление перемещаемыми из ячейки в ячейку вызовами (хендоверами) и является связующим звеном между подвижной станцией и MSC.

Сетевая подсистема

Как уже было отмечено, основной компонент сетевой подсистемы - центр MSC. Он управляет подвижным абонентом: регистрирует, идентифицирует, обновляет информацию о местонахождении, осуществляет хендоверы, маршрутизирует вызовы при роуминге абонентов, а также обеспечивает соединение с фиксированными сетями. Перечисленные услуги обеспечиваются различными функциональными элементами HLR, VLR и др. (см. рис.1), доступ к которым возможен через сеть системы общеканальной сигнализации SS7 (Signalling System No. 7).

SS7 стандартизована на международном уровне и предназначена для обмена сигнальной информацией в цифровых сетях связи с цифровыми программно-управляемыми станциями. Система оптимизирована для работы по цифровым каналам со скоростью 64 кбит/с и позволяет управлять процессом соединения, а также передавать информацию техобслуживания и эксплуатации. Кроме того ее можно пименять в качестве надежной транспортной системы для передачи других видов информации между станциями и специализированными центрами в сетях телекоммуникаций.

SS7 использует метод передачи сигнальной информации по специальному каналу, общему для одного или нескольких пучков информационных каналов. Сигнальная информация должна передаваться в правильной последовательности, без потерь, при этом могут быть задействованы и наземные, и спутниковые каналы. Сеть SS7 является обязательным условием создания сети стандарта GSM. Архитектура протоколов SS7 и ее соответствие эталонной модели взаимодействия открытых систем показаны на рис.2.

Опорный регистр местонахождения HLR (Home Location Register) и визитный регистр местонахождения VLR (Visitor Location Register), вместе с MSC, обеспечивают возможности маршрутизации и роуминга. HLR содержит все данные административного характера о каждом зарегистрированном абоненте в соответствующей данному HLR сети GSM, а также информацию о его текущем местонахождении. Информация о местонахождении абонента, как правило, предоставляется в виде сигнального адреса VLR, ассоциированного с подвижной станцией.

VLR содержит выборочную административную информацию из опорного регистра, необходимую для управления вызовом и предоставления всего комплекса услуг для каждого подвижного абонента, который в этот момент находится в географической зоне, управляемой данным VLR.

Другие два регистра используются для обеспечения аутентификации и безопасности.

Радиоканалы

Ширина полосы спектра для действующих в Европе сетей сотовой подвижной связи - 890-915 Мгц для восходящего звена (от подвижной станции к базовой) и 935-960 МГц для нисходящего звена (от базовой стации к подвижной). Поскольку данные диапазоны уже использовались аналоговыми системами в начале 80-х годов, верхние 10 МГц каждой полосы зарезервированы для сети GSM, которая еще только разрабатывается. В конце концов GSM займет всю полосу шириной 2x25 МГц.

Множественный доступ и структура каналов

Поскольку радиоспектр имеет ограниченные ресурсы, необходимо оптимально распределить ширину полосы между всеми возможными пользователями. Метод, применяемый с этой целью в GSM, - это комбинация методов множественного доступа TDMA и FDMA (Time- and Frequency-Division Multiple Access).

Сначала полоса частот в 25 Мгц делится на полосы в 200 Кгц. Каждой станции соответсвует своя полоса (или несколько полос). Абоненты полосы разделены во времени. Каждому абоненту соответствует один кадр. Восемь кадров объединяются во фрейм. 26 фреймов, в свою очередь, образуют мультифрейм, который повторяется циклически. Длина мультифрейма - 120 миллисекунд. На один кадр приходится 1/200 мультифрейма, т.е. около 0.6 миллисекунды.

Каналы определяются числом и позицией соответствующих им цикличных кадров, и вся палитра повторяется приблизительно каждые 3 часа. Они делятся на предписанные каналы (dedicated channels), или каналы трафика, каждый из которых соответствует одной подвижной станции, и общие каналы (common channels), или каналы управления, используемые подвижными станциями в пассивном режиме.

Каналы трафика (TCH) применяются для переноса речевого потока и потока данных. Эти каналы для восходящего и нисходящего звеньев разделены во времени тремя кадрами, так, чтобы MS мог осуществлять прием и передачу информации в разное время. Это позволяет упростить электронное оборудование MS и сделать подвижный терминал более компактным.

Общие каналы используются свободными подвижными станциями при обмене сигнальной информацией, необходимой для перехода в режим занятости. Подвижные станции, находящиеся в режиме занятости, оповещают близлежащие базовые станции о перемещении в другую ячейку и передают необходимую информацию.

Кодирование речи

GSM - система цифровая, поэтому требует оцифровывания аналоговой речи. Метод, используемый существующими телефонными системами и сетью ISDN для мультиплексирования аналоговых линий на высокоскоростных каналах и оптических линиях, называется импульсно-кодовой модуляцией PCM (Pulse Coded Modulation). Скорость выходного потока в PCM 64 кбит/с слишком высока для передачи по радиоканалам системы GSM. Исследовательская группа GSM изучила несколько алгоритмов кодирования речи, пока, наконец, не остановила свой выбор на схеме кодирования RPE-LTP (Regular Pulse Excitation-Long Term Prediction). Схема осуществляет перевод речевого потока, поступающего со скоростью 64 кбит/c, в поток со скоростью 13 кбит/с, и обратно, с сохранением качества передаваемого сигнала.

Некоторые сетевые аспекты

Обеспечение высокого качества передачи голоса и данных по радиоканалу - это лишь часть функций GSM. Как уже говорилось, географическая зона, накрываемая сетью, разделена на соты, а значит необходимо существование механизма перемещения абонента из ячейки в ячейку в процессе обслуживания вызова. Кроме того, для осуществления роуминга абонента требуется регистрация, идентификация, маршрутизация вызова и обновление информации о местонахождении подвижного абонента. Выполнение этих функций было бы невозможно без сигнализации в сети GSM. Как уже отмечалось выше, для сигнализации между элементами сетевой подсистемы и для обеспечения взаимодействия с другими сетями в GSM используется система SS7.

Хендовер

Радио- и фиксированные каналы, участвующие в вызове абонента в GSM, не привязаны к данному вызову. Благодаря этому появляется возможность для перемещения подвижного абонента из ячейки в ячейку в процессе вызова, который и называется хендовером.

В системе GSM существует четыре типа хендоверов со следующими характеристиками:

Первые два типа хендоверов (внутренние) используют только один BSC. Для сохранения ширины полосы сигнализации они управляются при помощи BSC, и при этом MSC не использут, а лишь уведомляют его о завершении хендовера. Последние два типа хендоверов, которые называются внешними, совершаются под управлением вовлеченных в процедуру MSC.

Инициаторами хендовера может стать и подвижный терминал, и MSC (для сохранения баланса нагрузки трафика). Подвижный терминал создает список из шести вариантов для возможного переключения, исходя из интенсивности полученых сигналов. Эта информация передается BSC и MSC, по крайней мере один раз в секунду, и используется алгоритмом хендовера.

Роуминг

В отличие от фиксированных сетей, где абонентский терминал проводами подключен к центральному офису, абонент сети GSM может перемещаться в пределах национальной сети и за ее границами, т.е. осуществлять роуминг. Чтобы дозвониться до подвижного абонента, необходимо набрать номер, называемый номером подвижного абонента цифровой сети с интеграцией служб MSISDN (Mobile Subscriber ISDN). Такой номер содержит код страны и национальный код назначения, идентифицирующий оператора данного абонента. Первые несколько цифр номера идентифицируют HLR абонента в его сети подвижной связи.

Входящий вызов подвижного абонента направляется для обработки шлюзом GMSC (Gateway MSC). GMSC в основном выполняет функции коммутатора, запрашивающего HLR абонента о получении необходимых данных и о маршрутизации, и поэтому содержит таблицу соединения номеров MSISDN с соответствующими им HLR. Номер роуминга подвижной станции MSRN (Mobile Station Roaming Number) полностью определяет маршрутизацию,относится к географическому плану нумерации и никак не связан с абонентами.

Вклад Европы в массовые системы мобильной связи

Сети персональных коммуникаций это не технология - это концепция, основывающаяся на привязке к пользователю , а не к месту. Эта концепция основана на тезисе, что не только "новые русские" и не только самые "крутые" бизнесмены должны иметь возможность вкусить от пирога благ под названием "сотовый телефон". Возрастание конкуренции и ограниченные возмжности предоставленной полосы частот заставляют заинтересованных лиц искать новые возможности в области более высоких частот, чем существующие системы. В 1990 году в Великобритании были сделаны первые шаги по внедрению системы мобильной связи, работающей на частоте 1800 МГц. Новая система получила название DCS 1800 (Digital Cellular System - 1800 МГц). Значительно увеличивая по сравнению с GSM емкость системы DCS-1800 претендует на роль истинно народной системы. Ожидается, что в ближайшее время DCS станет общеевропейским стандартом, а возможно распространится и на другие континенты. Правда, Япония и США идут своим путем, развивая собственные стандарты. Для систем персональной связи в США выделен сходный диапазон - 1900 МГц.

Сравнение технологий множественного доступа

FDMA - множественный доступ с частотным разделением

Стандарт FDMA широко используется как в традицинных аналоговых системах сотовой связи, так и в современных цифровых системах (как правило в сочетании с другими методами).

Из всего доступного диапазона каждому абоненту выделяется своя полоса частот, которую он может использовать все 100% времени. Таким образом не временной фактор, а только лишь различия в частоте используются для разделения (дифференциации) абонентов. Подобный подход имеет заметное преимущество: вся информация передается в "реальном времени", и абонент получает возможность использовать всю полосу пропускания, выделенного ему сегмента. Ширина полосы сегмента может варьироваться в зависимости от используемой системы связи.

CDMA - множественный доступ с кодовым разделением

Каналы трафика при таком способе разделения среды создаются присвоением каждому пользователю отдельного кода, который распространяется по всей ширине полосы. В данном случае не существует временного разделения, и все абоненты постоянно используют всю ширину канала. Нужно заметить, что полоса частот, выделяемая для организации одного канала, очень широка. Вещание абонентов накладываются друг на друга, но поскольку их коды отличаются, они могут быть легко дифференцированы.

В качестве илюстарции этого метода можно представить комнату, в которой находятся несколько пар людей. Эти пары хотят общаться только друг с другом и не интересуются другими. Если каждая пара знает только один язык и его использует, а все языки различны, тогда воздух комнаты может быть "несущей частотой" для их голосов. Аналогия заключается в том, что воздух в комнате является широкополосным каналом, а языки представляются в виде кодов. Если мы включим языковые "фильтры", то люди, говорящие на немецком, не услышат тех, кто говорит на испанском и т.д. Мы будем увеличивать количество абонентов до тех пор, пока общий "Фоновый шум" (помехи от других абонентов) не будет нас ограничивать. Регулируя мощность сигнала всех абонентов, которая не должна быть выше необходимой при сохранении высокого качества речи, мы обеспечиваем связью большое количество абонентов. Максимальное количество пользователей, или каналов трафика зависит от интенсивности использования каждого канала трафика, и поэтому не является определенным. Это отражается в концепции "мягкой перегрузки" (soft overload), согласно которой дополнительный абонент (или пара по нашей аналогии) может получить доступ, если необходимо, за счет несколько возрастающих помех для других абонентов.

Повторное использование частот В случае применения других сотовых технологий сети проектируются с повторным использованием частот в каждой восьмой или каждой пятой соте, то есть N=7 или N=4.

Большинство операторов используют в каждой ячейке три независимых секторных антенны (трехсекторная модель, N=7). Или, другими словами, обычно одна седьмая всех частот, выделенных оператору сотовой связи, может использоваться в любой соте. Соты должны быть разнесены достаточнодалеко друг от друга с тем, чтобы помехи были устранены или сведены к минимуму, и соответственно достигнуто приемлемое качество речи.

В случае использования стандатра CDMA сигнал может быть принят при наличии высокого уровня помех, но при этом сохраняется то же самое или более высокое качество передачи. Все абоненты совместно используют один и тот же частотный ресурс. В стандарте CDMA одна и та же полоса частот используется в каждой соте и в каждом секторе секторизованной соты. В данном случае модель повторного использования частот выглядит как N=1. Эта модель N=1 является тем условием, которое обеспечивает для стандарта CDMA более высокую пропускную способность (емкость) по сравнению с AMPS и другими технологиями. Помехи, создаваемые другими абонентами и другими базовыми станциями, представляют собой фактор, в конечном итоге определяющий верхний порог пропускной способности сети стандарта CDMA. При разработке первичной сети целью является сведение к минимуму общего уровня помех. В стандарте CDMA существует множество способов снизить уровень помех и довести до максимума емкость сети.

TDMA - множественный доступ с временным разделением

Стандарт TDMA активно используется современными цифровыми системами подвижной свзи. В отличие от систем частоного разделения, все абоненты системы TDMA работают в одном и том же диапазоне частот, но при этом каждый имеет временные ограничения доступа. Каждому абоненту выделяется временной промежуток (кадр), в течении которого ему разрешается "вещание". После того, как один абонент завершает вещание, разрешение прередается другому, затем третьему и т.д. После того, как обслужены все абоненты, процесс начинается сначала. С точки зрения абонента его активность носит пульсирующий характер. Чем больше абонентов, тем реже каждому из них предоставляется возможность передать свои данные, тем, соответственно, меньше данных он сможет передать. Если ограничить потребности (возможности) абонента известной величиной, можно оценить количество пользователей, которых реально сможет обслужить система с таким способом разделения среды. Временное разделение, как правило, накладывается на частотное разделение и вещание ведется в выделенной полосе частот.