Сотовые системы подвижной связи стандарта GSM

Система GSM относится ко второму поколению сетей сотовой связи, в которой использовано комбинирование методов многостанционного доступа с частотным и временным (это основной метод) разделением каналов (кстати, об этом редко упоминается), и представляет собой цифровую систему связи с программным управлением. В ней использованы многоуровневая модель ВОС, пакетная система сигнализации и принципы построения интеллектуальной сети, и в частности отделение функций собственно коммутации вызовов от предоставления услуг. Элементы системы способны контролировать все основные характеристики сигнала в процессе его передачи, а также устранять обнаруженные неисправности и выполнять множество функций по обслуживанию сети (модифицирование своей конфигурации, слежение за местом расположения объекта, обеспечение функции эстафетной передачи и защиты передаваемой информации, оценивание мощности несущей к помехе). Стандарт GSM обладает рядом специфических услуг сотовой связи. К ним относятся:

• использование SIM-карты (модуль подлинности абонента) для доступа к каналу и услугам связи;

• закрытый для подслушивания радиоинтерфейс;

• шифрование передаваемых сообщений;

• аутентификация абонента и идентификация абонентского оборудования по криптографическим алгоритмам;

• автоматический роуминг (Roaming — «блуждание»; автоматическое подключение абонентов к местной сети связи GSM при его перемещении в другую зону обслуживания; обычно при перемещении в другую страну);

• применение «Службы коротких сообщений» (Service of short messages — SMS) — передача с телефона на телефон коротких текстовых сообщений. Также система GSM предоставляет пользователям следующий набор услуг: вызов спецслужб (скорой помощи, полиции, пожарной службы по номеру 112 на европейском континенте). Система сотовой связи стандарта GSM работает в диапазонах 890...915 МГц для передатчиков мобильных станций (линия передачи «вверх», т. е. к базовым станциям) и 935...960 МГц для передатчиков базовых станций (линия передачи «вниз» — т. е. к мобильным станциям). Ширина полосы канала связи составляет 0,2 МГц, что позволяет

обеспечивать 124 канала связи в отведенном частотном ресурсе. Дуплексный разнос частот передачи и приема одного канала связи равен 45 МГц. Максимальная дальность радиосвязи или радиус ячейки сотовой структуры составляет 35 км, минимальная— 50 ...75 м. Архитектура сотовой сети связи состоит из трех основных компонентов (рис. 1.40) — сотовых телефонов, базовых станций и сетевой подсистемы.

Сеть имеет в своем составе административный центр (Administration Center — ADC), в котором распложены административно-управленческие структуры. Центр управления сетью (Network Management Center — NMC) обеспечивает

Рис. 1.40. Архитектура и основные компоненты сети GSM

оптимальное иерархическое управление системой, производит эксплуатацию и техническое обслуживание, а также управление трафиком во всей сети. Кроме того, NMC контролирует работу устройств автоматического управления и отражает на дисплее состояние всей сети во всех регионах для операторов этого центра. Операторы NMC в экстремальных ситуациях задействуют процедуру «приоритетного доступа» для оперативных служб. Центр эксплуатации и технического обслуживания (Operations and Meinte- nаnсе Center — ОМС) — второй основной узел сети, который осуществляет контроль качества работы системы и управление ее элементами. ОМС производит обработку аварийных сигналов, оповещающих обслуживающий персонал, и регистрирует сведения о неисправностях и аварийных ситуациях в других устройствах сети. В функции ОМС также входят: управление поступающим трафиком; сбор статистических данных о нагрузке в узлах сети, запись их в компьютер управления и вывод на дисплей для анализа операторами. ОМС управляет перепрограммированием пакетов обеспечения базы данных сети. Функциональное сопряжение различных элементов системы осуществляет ряд стандартизованных интерфейсов. Центр коммутации подвижной связи (MSC — Mobile Services Switching Center) является основной частью подсистемы коммутации (Switching SubSystem — SSS), входящей в центральный терминал сети. По существу MSC представляет собой интерфейс между фиксированными главными сетями: PSTN (ТСОП), PDN, ISDN. Данный интерфейс обеспечивает все виды соединений, связанных с мобильными станциями, и обеспечивает маршрутизацию и управление вызовами мобильных абонентов. На MSC возложена также функция коммутации радиоканалов, к которым относится «эстафетная передача» при перемещении абонента из одной ячейки в другую. MSC составляет статистические данные, необходимые для контроля работы сети связи, формирует систему расчетов (биллинг) по состоявшимся вызовам и переговорам, поддерживает процедуры безопасности доступа к радиоканалам. Одной из важных функций MSC является регистрация местоположения подвижных абонентов и передача управления соседнему MSC при переходе абонента в другую зону обслуживания. Процедура регистрации местоположения мобильной станции обеспечивает вызовы перемещающимся абонентам от других подвижных абонентов или от абонентов телефонной сети. Центр коммутации подвижной связи отслеживает местоположение мобильных станций, используя регистр положения {Ноте Location Register — HLR) и регистр перемещения (Visited Location Register — VLR). Регистр HLR представляет собой банк данных об обслуживаемых абонентах и содержит международный идентификационный номер и адрес мобильного абонента (International Mobile Subscriber Identity — IMSI), который используют в центре аутентификации (Authentication Center — A UC) для удостоверения подлинности абонента. Кроме того, в регистре HLR хранится та часть информации о местоположении мобильной станции, которая находится в данной зоне обслуживания, обеспечивая ее своевременный вызов. В нем ведется регистрация роуминга, включая данные о временном идентификационном номере мобильного абонента (Temporary Mobile Subscriber Identity — TMSI) и соответствующем VLR. Необходимо отметить, что эстафетная передача мобильного абонента из ячейки в соседнюю, обслуживаемых одним MSC (т. е. в его зоне обслуживания), осуществляет один из его контроллеров базовых станций (Base Station Controller — BSC). В сети подвижной связи GSM соты группируются в географические зоны (LA), которым присваивается свой идентификационный номер (LAC). Каждый VLR содержит данные об абонентах в нескольких LA. Когда подвижный абонент перемещается из одной LA в другую, данные о его местоположении автоматически обновляются в VLR. Если старая и новая LA находятся под управлением различных VLR, то данные на старом VLR стираются после их копирования в новый VLR. Текущий адрес VLR абонента, содержащийся в HLR, также обновляется. В целом VLR представляет собой временный банк данных о мобильном абоненте, находящемся в зоне его регистрации. Это исключает постоянные запросы данных о мобильном абоненте в устройстве HLR и сокращает время на обслуживание вызовов. Абоненту сети присваивают стандартный модуль подлинности (Subscriber Identity — Module — SIM, или SIM-карта), содержащий алгоритм аутентификации {Authentication Algorithm), ключ аутентификации (Individual Subscriber Authentication Key - Ki) и IMSI. В результате проверки этой информации разрешают доступ абонента в сеть. Регистр идентификации оборудования (Equipment Identity Register — EIR) содержит центральную базу данных, подтверждающих подлинность международного идентификационного номера оборудования мобильной станции (International Mobile Station Equipment Identity — IMEI). SIM-карта. Наличие SIM-карты в телефоне значительно упрощает жизнь пользователям сетей GSM, поскольку с ее помощью достигается независимость аппаратов от конкретного оператора сотовой связи. Модуль оформлен в виде банковской карточки я содержит в памяти все необходимые данные, связанные с полномочиями абонента и предоставляемыми ему услугами связи. С абонентской станцией поступают так же, как с банкоматом: пока в станции нет карты — услуги связи не предоставляются. SIM-карта позволяет абоненту пользоваться любой станцией стандарта GSM, например, установленной в такси, поезде или телефонной будке. Вынув модуль SIM из одного телефонного аппарата и вставив его в другой, абонент может продолжать пользоваться всеми теми услугами, на которые он подписался. Использование SIM-карт позволило исключить «двойников» на сетях подвижной связи стандарта GSM. SIM-карта содержит также криптографические ключи и алгоритмы шифрования, используемые для организации шифрования данных для обеспечения конфиденциальности связи. Эти достаточно сложные в реализации процедуры направлены на борьбу с несанкционированным доступом к услугам ССПС (fraud — фрод, буквально обман, мошенничество) и прослушиванием разговоров пользователей. Несмотря на это, существует немало прецедентов взлома сетей GSM. Разделы спецификации стандарта GSM, описывающие меры криптографической защиты, являются секретными. Однако есть мнение, что именно открытость в этом вопросе поможет успешно бороться с мошенничеством и прослушиванием. База данных EIR содержит три списка, где номера IMEI абонентов помечены следующим образом:

• белый список — номера, закрепленные за санкционированными подвижными станциями;

• черный список — номера подвижных станций, которые украдены или им отказано в обслуживании сетью;

• серый список — номера подвижных станций, имеющих нерешенные с сетью проблемы. Оборудование базовой станции (Base Station System — BSS) состоит из трех основных узлов: транскодера - преобразователя аналогового сигнала в цифровой (Transcribe Code Element — ТСЕ), BTS и BSC. Транскодер осуществляет преобразование сигналов речи передающего канала и данных MSC (скорость передачи 64 кбит/с ИКМ-линией) к виду, определяемому соответствующим протоколом стандарта GSM. Согласно требованиям стандарта скорость передачи сигналов в цифровой форме должна составлять 13 кбит/с (полноскоростной канал). Если требуется в заданной полосе передавать по каналу несколько речевых сообщений в цифровой форме, то надо снизить скорость передачи. Это установлено стандартом, и в перспективе в системе GSM будут использовать «полускоростной» речевой канал со скоростью передачи 6,5 кбит/с для ИКМ-линии. В протоколах сети GSM предусмотрена передача данных MSC и речи со скоростью 64 кбит/с. Это позволяет использовать в каждом канале четырехкратное временное уплотнение данных цифровых сигналов. Поскольку один полноскоростной канал ведет передачу со скоростью 13 кбит/с, то в транскодере и MSC к передаваемому потоку ведется добавление дополнительных неинформационных битов (стаффингование, от англ. stuffing — наполнять, укомплектовывать) до скорости передачи 16 кбит/с. Таким образом, формируется 30- канальная ИКМ-линия, позволяющая передавать 120 речевых каналов. В дополнение к этим каналам организуется еще два служебных канала для передачи сигнальной информации и пакетов специальных данных. Абонентские MS служат для организации связи абонентов сети с PSTN. Стандартом предусмотрено пять моделей MS: модель 1-го класса имеет выходную мощность 20 Вт и предназначена для установки на мобильном транспорте. Выходной мощностью 0,8 Вт обладает карманная модель 5-го класса. В оборудование MS системы введено устройство адаптивной регулировки мощности передатчика, обеспечивающее оптимальное качество связи при изменении расстояния до BTS. Все включенные MS постоянно работают в режиме «дежурного приема» (stand-by) на канале вызова. Для вызова абонента его закодированный опознавательный сигнал включается одновременно на всех BTS зоны обслуживания. Получив свой вызывной сигнал, MS подтверждает факт его принятия на ответной частоте канала вызова. После установления этой процедуры ЦКС подключает на связь переговорный канал той базовой приемо-передающей станции (ячейки), в зоне которой обнаружена мобильная станция. Если вызов осуществляется подвижным абонентом, то его MS автоматически находит и вводит в связь свободный канал ближней базовой приемопередающей станции. Важным для MS является эфирный интерфейс — радиоинтерфейс обмена между MS и BTS, поскольку на одной частоте могут одновременно «разговаривать» восемь пар абонентов. В сети GSM каналы связи делят на физические и логические. Передачу речи и данных в физических каналах организуют кадры длительностью 4,615 мс, состоящие из восьми слотов (от англ. Slot — разъем). Каждый слот соответствует своему каналу речи, т. е. восемь каналов речи передаются в одном частотном канале при полноскоростном кодировании речи (при полускоростном, используемом для повышения емкости сети, но с потерей качества передаваемой речи, — шестнадцать каналов). Информационный кадр может быть кадром канала трафика или канала управления. При этом кадры группируются в мультикадры, те в свою очередь — в суперкадры, а из суперкадров складывается гиперкадр длительностью 3 ч 28 мин 53,76 с. Необходимость большого периода гиперкадра объясняется требованиями шифрования данных. В аппаратуре системы используют эквалайзеры (от англ. equalizer — корректоры), обеспечивающие выравнивание импульсных сигналов, амплитуда которых меняется вследствие интерференционных замираний. Подобные явления связаны с многолучевым распространением волн в городских застройках. Служба SMS напоминает широко известную службу пейджинга — персонального радиовызова. Во многом именно эта технология связи «убила рынок пейджинговой связи». При передаче SMS используется пропускная способность каналов сигнализации. Сообщения могут передаваться и приниматься подвижной станцией. В рамках этой услуги связи абоненты могут обмениваться буквенно-цифровыми и текстовыми сообщениями в объеме до 160 знаков латиницей и до 70 знаков кириллицей. Передачу коротких сообщений можно использовать в чрезвычайных ситуациях или при перегрузке каналов речевой связи. Тарифы на передачу SMS обычно значительно ниже тарифов речевой связи. Большинство стран приняли стандарт GSM диапазона частот 900 МГц и развивают сети в диапазоне 1800 МГц. Это DCS-1800 в Европе, и 1900 МГц — PCS-1900 в США. В настоящее время в Европе, США и России широко применяют стандарт второго поколения на основе систем CDMA (система IS-95). Их пропускная способность превышает в пределах той же полосы частот существующую пропускную способность сетей подвижной связи более чем в 15 раз. Сейчас идет практическое внедрение систем подвижной связи третьего поколения IMT-2000 (3G). Эту сеть называют FOMA (Freedom of Mobile Multimedia Access — свободный доступ к мобильным мультимедийным ресурсам). Она была спроектирована для организации новой мобильной коммуникационной системы, которая смогла бы быть запущена в любом уголке планеты и позволяла абонентам качественно общаться, слушать музыку, проводить видеоконференции и многое другое. Отличительными чертами систем 3G являются:

• доступность услуг связи в любом месте и в любое время, «связь всегда и

везде» (anywhere, anytime);

• существенное увеличение номенклатуры услуг, в первую очередь, услуг

мультимедиа и беспроводного доступа в Internet;

• мобильный доступ ко всем ресурсам единого мирового информационного

пространства, интеграция услуг сетей фиксированной и мобильной связи;

• гибкий маркетинг.

В большинстве цифровых ССПС используют фазовые или частотные методы манипуляции, как наиболее эффективные по потребляемой мощности и полосе рабочих частот. ССПС является системой массового обслуживания со случайным потоком вызовов (описывается распределением Пуассона), случайной продолжительностью обслуживания (подчиняется экспоненциальному распределению) и фиксированным числом каналов связи. Было бы нерационально ограничивать число абонентов числом каналов, так как вероятность того, что все абоненты захотят воспользоваться связью одновременно, крайне низка. Поэтому ССПС строят из расчета среднего трафика, рассчитываемого как произведение средней частоты вызовов на среднюю продолжительность обслуживания одного вызова. Если трафик оказался выше, то абонента ждет режим system busy (система занята, или перегружена; при очень больших загрузках пропускная способность сети может стать нулевой и эту ситуацию называют коллапсом сети). С тех пор, как системы сотовой связи стали массированно внедрять во всем мире, прошло немного лет. Первые абонентские мобильные станции имели значительные размеры и были похожи скорее на небольшие переносные радиостанции, чем на малогабаритные телефонные трубки. Затем, по мере развития, уменьшались их размеры и масса, улучшался дизайн и ряд других показателей. Ожидается, что на базе этих разработок вскоре будет создана глобальная системы подвижной связи четвертого поколения 4G, которые позволят передавать данные в сотовых
сетях со скоростью выше 100 Мбит/сек.

Рис. 1.41. Структурная схема цифрового сотового радиотелефона

На рис. 1.41 представлена структурная схема современного цифрового сотового радиотелефона сотовой системы стандарта GSM. Приемное устройство радиотелефона представляет собой соединенные последовательно ненаправленную, достаточно широкополосную антенну и супергетеродинный приемник с двойным преобразованием частоты радиосигнала. Принятый антенной переговорный радиосигнал f_C через высокочастотный полосовой керамический фильтр (фильтр со стабильными частотными характеристиками) и малошумящий усилитель (МШУ) поступает на один вход первого смесителя V приемника. На другой его вход подается напряжение гетеродина f_ПРМ с синтезатора частот (многочастотного генератора со ступенчатым переключением частот). Сигнал первой промежуточной частоты f_ПР1 выделяется полосовым фильтром на ПАВ (англ. SAW filter), усиливается усилителем первой промежуточной частоты (УПЧ1) и поступает на первый вход второго смесителя приемника. На второй вход смесителя подается напряжение гетеродина f_Г (вспомогательный генератор) с генератора частот. Полученный в результате преобразования полезный сигнал второй промежуточной частоты f_ПР2 отфильтровывается полосовым фильтром на ПАВ, усиливается усилителем УПЧ2 и поступает на АЦП. В АЦП аналоговый сигнал преобразуется в цифровой код, с которым оперирует цифровой сигнальный процессор (ЦСП; Digital Signal Processor — DSP). Как правило, в таких радиотелефонах кроме цифровой структуры имеется и аналоговая часть. Антенна одновременно является и передающей, и приемной. Обычно она представляет собой так называемую низкопрофильную антенну (см. далее). Аналоговая часть радиотелефона включает в себя высокочастотные и низкочастотные передающее и приемное устройства, которые выполнены по классической для любой системы радиосвязи схеме. Передающее устройство мобильного радиотелефона формирует информационный радиосигнал с достаточно сложным законом модуляции. В режиме передачи, созданный в ЦСП, цифровой переговорный сигнал поступает на аналоговую часть радиопередатчика. Модулирующий сигнал формируется в I/Q-генераторе, на который подается колебание генератора частот. С выхода I/Q -генератора полученный сигнал поступает на фазовый модулятор, с которого колебание f_ФМ подается на смеситель V передатчика. На второй вход смесителя приходит напряжение частоты f_ПРД с синтезатора частот. Преобразованный сигнал f_C1 через полосовой керамический фильтр подают на регулируемый усилитель мощности (УМ), который управляется сигнальным процессором. Регулировка излучаемой мощности телефона осуществляется по специальным командам БПС, через которую реализуется связь с мобильным абонентом. Усиленный до необходимого уровня мощности сигнал частоты f_C1 через полосовой керамический фильтр поступает в антенну, излучающую его в окружающее пространство. Цифровая часть схемы радиотелефона формирует и обрабатывает передаваемые и принимаемые информационные и служебные сигналы. Она включает цифровой сигнальный процессор, память (оперативную, постоянную и другие виды памяти), SIM-карту, АЦП, ЦАП, канальный эквалайзер (выравниватель амплитуд сигналов, в данном случае импульсных), канальный кодер/декодер, клавиатуру, дисплей, фотоаппарат, видеокамеру и выход во внешнюю сеть. Логическая часть телефона выполняет операции кодирования/декодирования, сжатия и восстановления сигнала; обрабатывает информацию, вводимую пользователем с клавиатуры, и осуществляет ряд других задач. Последние разработки цифровых радиотелефонов существенно расширили сервисные возможности. Абонентские терминалы весьма разнообразны как по своему конструктивному исполнению, так и по сервисным возможностям, ими предоставляемыми. Среди существенных сервисных возможностей отметим':

• наличие кнопки временного отключения микрофона от сети;

• наличие оперативной памяти для повторного вызова последнего абонента,

в том числе и для многократного вызова (автодозвона) занятого абонента;

• наличие долговременной памяти номеров приоритетных абонентов;

• постановку собеседника на удержание с включением фоновой музыки;

• автоматическое определение номера (схема АОН) вызывающего абонента

с отображением на дисплее и звуковым его воспроизведением;

• защиту от АОН вызываемого абонента (анти-АОН);

• запоминание номеров вызывающих абонентов и времени каждого вызова;

• индикацию во время разговора второго вызова и его номера;

• наличие персональных кодов-паролей;

• наличие автоответчика и встроенного диктофона для записи сообщений;

• наличие дистанционного управления телефоном;

• возможность подключения телефона к компьютеру и внешней (например, Internet через технологии Wi-Fi) сети;

• возможность принимать и пересылать другим абонентам SMS-ku;

• возможность получать данные о погоде, биржевую информацию;

• наличие встроенного цифрового фотоаппарата, видеокамеры и т. д.

Подвижная связь в городах В современных системах сотовой связи используются радиоволны дециметрового диапазона, которые испытывают сильные отражения от окружающих объектов и подстилающей поверхности. Это приводит к многолучевому распространению радиосигнала. Сложение в точке приема радиоволн, пришедших разными путями и имеющих соответственно разные фазы, но сравнительно динаковые мощности, вызывает усиление результирующего сигнала до 10 дБ или, что чаще, ослабление до 30 дБ. Искажения результирующего сигнала обусловливают межсимвольную интерференцию. Колебания среднего уровня сигнала приводят к замираниям. Они бывают быстрыми и медленными. Опасность представляют первые. Для борьбы с быстрыми замираниями используют разнесенный прием и медленные скачки по частоте (Slow Frequency Hopping). При осуществлении подвижной связи в городах имеют место проблемы, связанные с распространением радиоволн. Проблемы возникают в условиях города при связи БПС с движущимся абонентом, когда сравнительно короткие, но переменные по длине линии связи быстро превращаются из открытых трасс в закрытые. В этом случае к приемной антенне приходят несколько сигналов с разным запаздыванием по времени за счет неоднократных переотражений волн элементами зданий. При этом уровень принимаемого сигнала испытывает глубокие, до 15...40 дБ, быстрые замирания, зависящие от плотности застройки города зданиями. Впоследствии стало ясно, что для электромагнитных полей в условиях городов характерны пространственные интерференционные явления, образуемые множеством волн с различными амплитудами и фазами из-за дифракции на препятствиях и многократных отражений от них. Было установлено, что период пространственных флуктуации сигнала по порядку значений близок к длине волны излучения. Задача о распространении сигналов в городах оказалась многопараметрической, поскольку уровни принимаемых сигналов зависели от рельефа местности, высот антенн передатчика и приемника, плотности застройки, высоты крыш зданий, ширины и направления улиц, наличия отдельно стоящих деревьев и лесопарковых насаждений и уличного транспорта. В настоящее время установлены основные закономерности распределения электромагнитных полей в городах. При высоте приемной антенны на уровне крыш зданий напряженность поля убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. При высоте антенн в 3 м над земной поверхностью поле убывает пропорционально 1/R^m, где m = 2,9...3, для крупного города с небольшой этажностью зданий и т = 2,7...2,8 для небольших городов. Ослабление поля в тени зданий составляет в 50 % случаев 18.. .20 дБ в диапазоне частот 470.. .670 МГц. Моделирование местности и зданий города позволяет определять лишь средние значения уровней сигналов и не может служить для оценок статистики полей ЭМИ в городе. В последние годы были изучены экспериментально закономерности распространения на коротких расстояниях по улицам городов, а также внутри помещений и зданий, что позволило создать сотовые системы с автомобилями, пешеходами и связь внутри учреждений на базе радиотелефонов.