Исследование принципов построения сотовых сетей стандарта GSM

Суперкадры объединяются в гиперкадры. Гиперкадр содержит 2048 суперкадров, его длительность Т_гк = 3ч 28 мин 53 сек 760 мс.

Речь или  данные формируются в виде пакетированного  цифрового потока. Каждый пакет передается в своем временном интервале.

Каждый физический канал занимает временной интервал с одним и тем же номером в каждом кадре. Скорость передачи в радиоканале 270,8 кБит/с.

Каждый пакет  имеет типовую структуру, предусмотрено 5 типов структур пакетов. Формат пакетов показан на рисунке 2.7.

Пакет подстройки частоты – FCB (Frequency Correction Burst) предназначен для синхронизации по частоте мобильной станции. Все 142 бита в этом временном интервале - нули, что соответствует немодулированной несущей со сдвигом 1625/24 кГц выше номинального значения частоты несущей.

Рисунок 2.6 - Формат мультикадра второго типа

 

Это необходимо для проверки работы своего передатчика и приемника  при небольшом частотном разносе  каналов (200 кГц), что составляет около 0,022% от номинального значения полосы частот 900 МГц. FCB содержит защитный интервал 8,25 бит так же, как и нормальный берст.

Повторяющиеся пакеты подстройки частоты (FCB) образуют канал коррекции частоты (FCCH).

Пакет синхронизации – SB (Synchronization Burst) используется для синхронизации по времени базовой и мобильной станций. Он состоит из синхропоследовательности длительностью 64 бита, несет информацию о номере цикла TDMA и идентификационный код базовой станции. Этот пакет передается вместе с пакетом подстройки частоты. Повторяющиеся пакеты синхронизации образуют так называемый канал синхронизации (SCH).

Установочный пакет – DB (Dummy Burst)  обеспечивает установление и тестирование канала связи. По своей структуре DB совпадает с NB и содержит тестовую последовательность длиной 26 бит. В DB отсутствуют контрольные биты, и не передается никакой информации. DB лишь используется для того, чтобы проверить корректную работу передатчика и приемника.

Пакет доступа  – AB (Access Burst) обеспечивает запрос доступа мобильной станции к новой базовой станции. АВ передается мобильной станцией при запросе канала сигнализации. Это первый передаваемый мобильной станцией пакет, следовательно, время прохождения сигнала еще не измерено. Поэтому пакет имеет специфическую структуру. Сначала передается ограничивающая комбинация 8 бит, затем - последовательность синхронизации (41 бит), что позволяет базовой станции обеспечить правильный прием последующих 36 информационных бит.

 

Рисунок 2.7 -  Структура пакетов  и кадров

 

Пакет содержит большой защитный интервал (68,25 бит, длительностью 252 мкс), что обеспечивает (независимо от времени прохождения сигнала) достаточное временное разнесение от пакетов других мобильных станций. Этот защитный интервал соответствует двойному значению наибольшей задержки сигнала в рамках одной соты и тем самым устанавливает максимально допустимые размеры соты. Особенность стандарта GSM - возможность обеспечения связью мобильных абонентов в сотах с радиусом около 35 км. Время распространения радиосигнала в прямом и обратном направлениях составляет при этом 233,3 мкс.

Нормальный пакет – NB (Normal Burst) используется для передачи информации по трафиковым каналам и каналам сигнализации, за исключением логических каналов RACH, FCCH, SCH  и иногда FACCH. Он содержит 114 информационных бит и включает защитный интервал (GP) в 8,25 бит длительностью 30,46 мкс. Информационный блок в 114 бит разделен на два самостоятельных блока по 57 бит, отделенных друг от друга тестовой последовательностью в 26 бит и двумя флагами по 1 биту. В состав NB включены два контрольных бита (Steeling Flag), которые служат признаком того, какую информацию содержит передаваемая группа: речевую информацию или информацию сигнализации. В последнем случае трафиковый канал (Traffic Channel) используется для обеспечения сигнализации, то есть «украден» у канала трафика. Между двумя группами зашифрованных бит в составе NB находится тестовая последовательность из 26 бит, заранее известная в приемнике и передатчике. С помощью этой последовательности обеспечивается:

- оценка частоты появления  битовых ошибок по результатам сравнения принятой и эталонной последовательностей. В процессе сравнения вычисляется параметр RXQUAL, принятый для оценки качества связи. Конечно, речь идет только об оценке качества, а не о точных измерениях, так как проверяется только часть передаваемой информации. Параметр RXQUAL используется при обслуживании соединения (например, для хэндовера);

- оценка импульсной  характеристики радиоканала на  интервале передачи NB для последующей  коррекции тракта приема сигнала  за счет использования адаптивного эквалайзера;

- определение  задержек распространения сигнала  между базовой и мобильной  станциями для оценки дальности  связи. Эта информация необходима  для того, чтобы пакеты данных  от разных мобильных станций  не накладывались при приеме  на базовой станции. Поэтому удаленные на большее расстояние мобильные станции должны передавать свои пакеты раньше станций, находящихся в непосредственной близости от базовой станции.После завершения процедуры установления соединения по логическому каналу управления, MS настраивается на канал, отведенный для передачи трафика. Этот логический канал называется TCH (Traffic Channel). Существует два типа каналов TCH:

- полноскоростной  канал (Full Rate TCH): передача осуществляется со скоростью 13 Кбит/с. То есть TCH занимает под трафик один физический канал;

- канал «половинной»  скорости (Half Rate TCH): передача осуществляется со скоростью 6,5 Кбит/с. Два HRTCH занимают один физический канал, тем самым увеличивая количество установленных соединений в соте в два раза.

Известно, что логические каналы образуются с помощью физических каналов. Несмотря на то, что большинство логических каналов занимают только один временной интервал, некоторые логические каналы могут занимать более чем 1 TS.  В этом случае информация логических каналов передаётся  в одном и том же временном интервале физического канала в последовательных циклах TDMA.

Поскольку логические каналы являются короткими, несколько логических каналов могут занимать один и  тот же физический канал, что позволяет  более эффективно использовать временные интервалы.

На рисунке 2.8 показан  случай, когда на одной несущей  соты каналом DCCH из-за высокой нагрузки занимается дополнительный временной интервал.

 

  

 

Рисунок 2.8 -  Размещение логических каналов на физических каналах

 

Нулевой временной интервал на основной частоте в соте всегда резервируется  для сигнализации. Таким образом, когда MS определила, что частота  является несущей BCCH, она знает, где и как считывать информацию.

При направлении передачи от BTS к MS (downlink) передается информация BCH и CCCH. Единственным каналом, по которому информация передается только в направлении от MS к BTS (uplink), является канал RACH. Канал для передачи информации RACH всегда свободен, поэтому MS может осуществить доступ в сеть в любое время.

MS измеряет уровень  и качество сигнала обслуживающей  соты и уровни сигналов ВССН  частот соседних сот. Передача  указаний на измерения производится  в направлении downlink, когда MS находится в активном режиме. Результаты измерений отправляются через BTS на BSC по каналу SACCH с определенной периодичностью (раз в 480 мс).

Обслуживающая BTS, находясь в контакте с MS, также осуществляет измерения. Измерения от BTS и MS передаются в форме отчетов об измерениях (Measurement Reports). Основываясь на этих отчетах,  BSC  принимает решение о необходимости выполнения хэндовера. Процесс составления списка сот – кандидатов на хэндовер называется locating. Соты в этом списке располагаются (ранкируются) в порядке убывания «привлекательности» для хэндовера (например, в порядке убывания уровня сигнала). Если отранкированная первой сота не является обслуживающей, то будет выполнена попытка сделать хэндовер. Вообще принципов принятия решения на хэндовер существует несколько, выше был изложен нормальный или географический хэндовер.

Другой причиной принятия решения на хэндовер может являться резкое ухудшение качества или резкое увеличение значения ТА (удаление от BTS), такой хэндовер называется «вынужденный» (Urgent).Как только MS переключится в другую соту, она MS считает информацию о новых соседних ВССН частотах (новый ВА лист). Последнее делается для того, чтобы могли быть произведены новые измерения. Если MS также переключается на новую LA, то процедура LU будет произведена после окончания разговора. Хэндовер может использоваться для распределения нагрузки между сотами. Во время разговора в перегруженной соте MS может быть переключена  в соту с меньшим трафиком, где качество соединения приемлемое.

Ниже приводятся различные типы хэндоверов:

- хэндовер внутри соты;

- хэндовер между сотами,  контролируемыми  одной и той же BSC;

- хэндовер между сотами, контролируемыми  разными BSC, но одним тем же  MSC/VLR;

- хэндовер между сотами контролируемыми разными MSC.

Каждый из этих случаев описывается более подробно ниже.

Хэндовер внутри соты Intra cell Handover - это тип хэндовера, который осуществляется при сочетании двух критериев:

- высокий уровень сигнала (т.е. нет соты с более высоким уровнем сигнала);

- высокий уровень битовых ошибок (высокая интерференция).

В случае если, возникает такая ситуация, BSC определяет другую частоту в этой же самой соте, где качество может быть  лучше, и MS перестраивается на эту частоту.

Хэндовер между сотами, контролируемыми  одним и тем же BSC приведен на рисунке 2.9.

MSC/VLR не участвует в выполнении данного типа хэндовера. MSC/VLR будет лишь информирован об успешном осуществлении хэндовера. Если при хэндовере произошла смена LA, то обновление данных о местоположении будет выполнено сразу после разрыва соединения.

Алгоритм работы в данном случае следующий:

- BCS  приняла  решение на хэндовер и посылает  команду на новую BTS  для  занятия TCH;

- BSC через «старую» BTS отправляет на MS сообщение о  том, на какую частоту и какой  временной интервал (TS) необходимо перейти, а также какую выходную мощность нужно использовать. Эта информация отправляется на MS по каналу FACCH;

- MS настраивается  на новую частоту и передает Access Burst в заданном таймслоте. Это необходимо для вычисления временной задержки, так как MS еще не имеет информации о величине ТА;

- когда новая  BTS  получает Access Burst, она отправляет информацию о - MS отправляет сообщение об успешном завершении хэндовера на BSC через «новую» BTS;

- BSC  сообщает  «старой» BTS о необходимости  освободить ранее использовавшийся ТСН.

 

 

 

Рисунок 2.9 - Хэндовер между сотами, контролируемыми одной BSC

 

Хэндовер между сотами, контролируемыми  разными BSC, но одним и тем же  MSC/VLR приведен на рисунке 2.10.

Если в хэндовере  задействован другой BSC,  то для установления соединения между этими BSC должен использоваться MSC/VLR.      

При этом:

- обслуживающий  BSC отправляет в MSC сообщение, содержащее  идентификатор нужной соты и IMSI абонента, с запросом на выполнение хэндовера;

- MSC располагает  информацией о том, какой из BSC  контролирует требуемую соту и отправляет запрос на хэндовер на эту BSC;

- новый BSC дает  команду нужной BTS для выделения  канала ТСН;

- новый BSC отправляет  сообщение на MS через MSC и «старую» BTS, содержащее номер частоты и  таймслот;

- MS настраивается  на новую частоту и передает Access Burst, в указанный таймслот;

- новая BTS отправляет  информацию о  величине ТА;

- MS отправляет  сообщение об успешном завершении  хэндовера на MSC через «новый»  BSC;

- MSC отправляет  «старому» BSC команду на освобождение ранее использовавшегося канала ТСН.

Рисунок 2.10 -  Хэндовер между разными BSC, но внутри одного MSC/VLR

 

Хэндовер между сотами, контролируемыми  разными MSC приведен на рисунке 2.11.

MSC-A  определяет, что эта сота принадлежит другой MSC (MSC-B)  и запрашивает ее;

Хэндовер между  сотами, контролируемыми разными MSC,  может применяться внутри одной РLMN. Соты, контролируемые разными MSC/VLR, соответственно, контролируются разными BSC.

При этом:

- обслуживающий  (предыдущий)  BSC отправляет запрос на хэндовер на обслуживающий MSC (MSC-A) с идентификацией нужной соты и номером абонента;

- MSC-B  закрепляет  за переданным IMSI номер для хэндовера (MS Handover Number¹), который необходим для маршрутизации трафикового соединения. Далее запрос на хэндовер отправляется на «новую» BSC;

- «новый» BSC отправляет команду соответствующей  BTS для занятия ТСН; 

- MSC-B получает  информацию о номере частоты  и таймслота и передает ее  на MSC-A  вместе с номером  MSHN;

- MSC-А  устанавливает  трафиковое соединение до MSC-В;

- «старый» BSC, получив информацию от MSC-A, отправляет команду на - MS настраивается на новую частоту и таймслот и передает Access Burst;

- когда новая  BTS получает АВ, она отправляет  информацию о величине ТА;

- MS отправляет  сообщение об успешном завершении хэндовера на MSC-A через MSC-B и «новый» BSC;       

- после этого  MSC-A переключает соединение со  «старой» BSC на направление MSC-B;

- «старый» ТСН  освобождается BSC, который ранее  управлял соединением.

 

Рисунок 2.11 -   Хэндовер между разными MSC/VLR

 

Предыдущий MSC (MSC-A)  контролирует соединение до тех пор, пока оно не будет прекращено. Связано это с тем, что в нем содержится информация об абоненте и подробностях соединения, которые необходимы для тарификации.

 

 

 

Выводы по главе 2.

В результате анализа характеристик системы сотовой связи стандарта GSM  видно, что фактическая разница определяется только рабочими частотами. Предоставляемый сервис зависит больше от оператора, чем от диапазона. Однако тут есть ряд интересных моментов: