Исследование принципов построения сотовых сетей стандарта GSM

4) В.В.Величко. “Передача  данных в сетях мобильной связи  третьего поколения” – М.: 2005г.

В книге рассмотрен круг вопросов, затрагивающих технические аспекты передачи данных в сетях мобильной связи третьего поколения. Проанализированы состояние рынка услуг, характер трафика в европейских сетях мобильной связи третьего поколения и тенденции дальнейшего развития систем 3G. Показана структура сетей европейского стандарта UMTS на разных этапах их развития, описаны структура каналов передачи данных, интерфейсы и сетевые протоколы системы UMTS.

Представлены модели канального протокола и результаты оценки характеристик  каналов передачи данных системы  UMTS. Определены пути повышения эффективности систем связи 3G. Основное внимание уделено рассмотрению системно-сетевых вопросов обеспечения качества услуг передачи данных в сетях UMTS, описаны особенности планирования и оптимизации сетей UMTS в интересах качества услуг передачи данных. Дано описание типовых моделей потерь на трассе распространения сигнала в диапазоне частот 2 ГГц. Показаны основные подходы к частотному планированию сетей и расчёту норм частотно-территориального разноса РЭС UMTS и РЭС другого назначения. Отмечены особенности приграничной координации сетей UMTS;

5) С. Б. Макаров,  Н. В. Певцов, Е. А. Попов, М. А. Сиверс. “Телекоммуникационные технологии: введение в технологии GSM” – М.:2006г.

Рассмотрены принципы построения сотовых сетей подвижной связи стандарта GSM и вопросы, возникающие в процессе создания и функционирования этих сетей: от общих концепций построения беспроводных систем связи до принципов тарификации за предоставленные абонентам услуги. Приведены примеры выполнения различных сетевых процедур в процессе перемещения абонентов по сети и вне ее, а к наиболее важным из этих процедур даны четкие алгоритмы выполнения и иллюстрирующие их схемы. Значительное внимание уделено изучению технологии GPRS.

 

 

1.5 Перспективы развития  стандарта GSM

 

 

Успехи развития систем сотовой  связи в последнее время привело  к тому, что число мобильных  абонентов (более 1,5 млрд ) превзошло число абонентов стационарных телефонных сетей. При этом приблизительно две трети мобильных телефонов работают в стандарте GSM. В России число абонентов мобильной связи превысило 50 млн.

Число мобильных абонентов  в мире ежегодно возрастает на 40…60%, а в России – удваивается. Такое бурное развитие мобильной связи объясняется, с одной стороны, резким уменьшением (на 1-2 порядка за несколько последних лет) стоимости трафика и подключения, а с другой – ростом числа предоставляемых услуг (мобильной Интернет, электронная коммерция, передача данных, короткие сообщения и многое другое).

Предполагалось, что дальнейшее развитие сотовой мобильной связи  будет осуществляться в рамках создания проектов систем третьего поколения, которые  будут отличаться унифицированной системой радиодоступа, объединяющей существующие сотовые системы с информационными службами двадцать первого века, т.е. они будут иметь архитектуру единой сети и предоставлять связь абонентам в различных условиях, включая движущийся транспорт, жилые помещения, офисы и т.д.

В Европе такая концепция, получившая название UMTS ( Universal Mobile Telecommunications System – универсальные системы мобильной связи), предусматривает объединение функциональных возможностей существующих цифровых систем связи в единую систему третьего поколения FPLMTS ( Future Public Land Mobile Telephone System – наземная система мобильной общественной связи будущего).

Однако уже сейчас очевидно, что движение к стандартам третьего поколения оказалось весьма сложным. Слепая вера в перспективу будущих сетей заставила забыть ведущих мировых операторов сотовой связи о благоразумии.

В ряде европейских стран  за лицензии было заплачено до нескольких десятков миллиардов долларов ( в Великобритании – 35 млрд, в Германии – 45 млрд), в то время как спрос на услуги систем третьего поколения оказался намного меньше.

Более того, несмотря на очевидные преимущества действующих  и перспективных стандартов CDMA, подавляющее число услуг телекоммуникаций реализованы по технологии GSM.

В частности, оказалось  возможным путем сравнительно несложной  модернизации традиционной сети GSM обеспечить реализацию услуги GPRS (General Packet Radio Service) – пакетной передачи данных по радиоканалу, которая в стандартах, являющихся промежуточными между вторым и третьим поколениями, продекларирована как одна из наиболее значимых.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что технологии GSM по-прежнему будут доминировать в ближайшее десятилетие.

 

 

1.6 Обоснование  постановки задачи

 

 

В стандарте GSM используется узкополосный многостанционный доступ с временным разделением каналов (NB ТDМА). В структуре ТDМА кадра содержится 8 временных позиций на каждой из 124 несущих. Для защиты от ошибок в радиоканалах при передаче информационных сообщений применяется блочное и сверточное кодирование с перемежением. Повышение эффективности кодирования и перемежения при малой скорости перемещения подвижных станций достигается медленным переключением рабочих частот (SFH) в процессе сеанса связи со скоростью 217 скачков в секунду.

Для борьбы с  интерференционными замираниями принимаемых  сигналов, вызванными многолучевым распространением радиоволн в условиях города, в  аппаратуре связи используются эквалайзеры, обеспечивающие выравнивание импульсных сигналов со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16 мкс. Система синхронизации рассчитана на компенсацию абсолютного времени задержки сигналов до 233 мкс, что соответствует максимальной дальности связи или максимальному радиусу ячейки (соты) 35 км.

В стандарте GSM выбрана гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Обработка речи осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи (DTX), которая обеспечивает включение передатчика только при наличии речевого сигнала и отключение передатчика в паузах и в конце разговора. В качестве речепреобразующего устройства выбран речевой кодек с регулярным импульсным возбуждением/долговременным предсказанием и линейным предикативным кодированием с предсказанием (RPE/LTR-LTP-кодек). Общая скорость преобразования речевого сигнала - 13 кбит/с. В стандарте GSM достигается высокая степень безопасности передачи сообщений; осуществляется шифрование сообщений по алгоритму шифрования с открытым ключом (RSA). В целом система связи, действующая в стандарте GSM, рассчитана на ее использование в различных сферах. Она предоставляет пользователям широкий диапазон услуг и возможность применять разнообразное оборудование для передачи речевых сообщений и данных, вызывных и аварийных сигналов; подключаться к телефонным сетям общего пользования (PSTN), сетям передачи данных (PDN) и цифровым сетям с интеграцией служб (ISDN).

В настоящей  дипломной работе будут поставлены и решены следующие задачи:

- исследование  расчета зоны покрытия базовой  станции;

- анализ оценки требуемого числа каналов и вероятности потери  вызова;

- исследование  расчета усилителя базовой станции;

- анализ функциональных  блоков сети GSM;

- исследование географической структуры сети GSM;

- анализ общих  сведений о модуляции;

- исследование регистрации МС и ее передвижение;

- анализ модуляции  сигналов, используемых в сотовых  сетях GSM;

- исследование  влияния внешних факторов;

- расчет параметров  базовой станции;

- расчет критических  и оптимальных размеров сот  с учетом НРП;

- исследование норм частотно-территориального разноса РЭС;

- расчет эффективности  системы.

 

 

2 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ

 

2.1 Географическая  структура сети GSM

 

 

Любая телефонная сеть нуждается в маршрутизации  входящих звонков для корректного  соединения абонентов между собой. Еще более важной эта проблема является для мобильной сети, в которой абоненты могут находиться в постоянном движении.

Кроме того, в  мобильной сети важна задача локализации (отслеживания) абонентов как можно  с более высокой точностью.

Основной географической единицей мобильной сети связи является coma, определяемая как область радиопокрытия, на которой осуществляется связь  в фиксированной полосе частот с  помощью одной антенной БС.

Обычно сота отображается графически как правильный шестиугольник, однако на практике ее конфигурация может оказаться совершенно иной. У каждой соты существует свой уникальный номер в сети, называемый CGI (Cell Global Identity — глобальный идентификатор соты). В зоне охвата оператора сети сотовой связи количество сот может быть очень большим (достигать тысяч), исходя из чего группы сот объединяются в укрупненные объекты, называемые зонами местонахождения — ЗМ, или областями локализации — ОЛ (LA — Location Area).

В ГР хранится информация о географическом положении абонента с точностью до соты и ЗМ. Если абонент при включенном напряжении питания переходит из соты в соту или из одной ЗМ в другую, то это отображается в ГР. Однако если упомянутые переходы осуществляются в неактивном состоянии, то запись в ГР остается прежней, а обновление информации осуществляется только при активизации абонента.

В этом случае МС оповещает все БС внутри ЗМ о том, что произведена привязка к выбранной  БС. Множество зон местонахождения  образуют зону охвата ЦКПС (рисунок 2.1). Для того чтобы у ЦКПС была возможность перенаправлять вызовы от различных МС, его зона охвата для данного абонента регистрируется в ДР, постоянно проверяется и обновляется.

Наконец, зона охвата наземной мобильной сети — множество сот, обслуживаемых одним оператором, — определяется как область, в которой оператор обеспечивает полное покрытие радиосвязью и доступ к сети.

Рисунок  2.1  -  Структура зоны охвата  ЦКПС

 

Следует заметить, что в отдельном регионе может  быть несколько зон охвата, принадлежащих  разным операторам.

Более того, такие  зоны могут перекрываться и даже совпадать по отдельным географическим областям.

В этом случае для  успешного осуществления соединений между абонентами, обслуживаемыми различными операторами, необходимо наличие межоператорных соглашений, определяющих правовые и экономические положения взаимовыгодного сотрудничества.

 

 

2.2  Регистрация  МС и ее передвижение

 

 

Как только абонент  включает МС, происходит сканирование рабочих частот, выделенных системе, в целях поиска свободного канала.

После нахождения свободного канала производится измерение уровня сигнала в этом канале, и, когда  сигналы от всех свободных каналов  измерены, МС настраивается на канал  с наивысшим уровнем сигнала.

При этом для измерения  используются сигналы вещательных каналов управления, предназначенные для передачи в направлении от БС к МС без конкретной адресации. Сразу после включения происходит регистрация МС в сети, после чего обновляются данные о ее состоянии и ей присваивается статус ожидания.

При этом, как было указано ранее, если информация о местоположении МС в момент включения отличается от предыдущей, то производится обновление данных о ее местоположении.

Дальнейшее перемещение  МС в пределах сети сопровождается сканированием каналов в целях  гарантированной настройки на канал с наибольшим уровнем сигнала, и, когда такой канал находится, происходит перенастройка на него. При этом, если новый канал принадлежит другой ЗМ, происходит межзоновый роуминг  и МС сообщает сети свое новое местоположение.

 

Рисунок 2.2 - Аппаратное представление сети

 

На рисунке 2.2 показано расположение функциональных узлов некоторой условной мобильной  сети, в которой функционируют  два центра коммутации ЦКПС/ГР1 и  ЦКПС/ГР2, каждый из которых управляет  тремя контроллерами базовых  станций: КБС 1А, КБС 1В, КБС 1С и КБС 2А, КБС 2В, КБС 2С, осуществляющими, в свою очередь, управление базовыми станциями в соответствующих зонах местоположения. В состав ЦКПС/ГР1 помимо ГР входят также ЦА, ДР всей мобильной сети, РИО и шлюз, через который мобильная сеть способна связываться со стационарной сетью ТфОП. Заметим, что ЦКПС/ГР2 не имеет непосредственной связи с ТфОП, и все вызовы он должен перенаправлять в ЦКПС/ГР1. Рисунок 2.2 можно назвать аппаратным представлением сети.

 

 

2.3  Общие  сведения о модуляции

 

 

  Мобильная станция связывается с базовой, передавая или принимая относительно узкополосные сигналы, т. е. сигналы, значение ширины спектра которых много меньше средней частоты. При этом в общем виде сигнал записывается следующим образом:

 

s(t) = A(t)cos[ +(t )],                                 (2.1)

 

где — круговая частота, в значительной степени произвольно выбираемая в пределах полосы частот, в которой сосредоточена основная часть энергии сигнала. Огибающая A(t) и фаза (t) являются медленно меняющимися (по сравнению с ) функциями времени.

В зависимости  от того, какой из двух параметров — A(t) или  (t)изменяется, различают два основных вида модуляции — амплитудную и угловую. В сотовых сетях подвижной связи, как правило, используют угловую (частотную или фазовую) модуляцию. Особенности распространения электромагнитных волн таковы, что волны с меньшими частотами лучше подходят для передачи сообщений на большие расстояния. Так, например, при телевизионном радиовещании для покрытия расстояний в сотни или даже тысячи километров используются волны с частотами в десятки и сотни мегагерц. Однако при организации связи на сравнительно малые расстояния (порядка 10 км) с помощью сотовых технологий оказывается выгоднее использовать волны с частотами около гигагерца (1 ГГц = 1012 Гц).