Исследование принципов построения сотовых сетей стандарта GSM

- из-за более высокой частоты уменьшается максимально      возможный радиус соты, а точнее - максимальное удаление абонента от базовой станции. Для GSM-900 это расстояние равно 35 км. Для GSM-1800 - около 10 км;

- на частотах 1800-2000 МГц радиоволны имеют несколько иные проникающие свойства;

- резкий плюс:   больший частотный ресурс, частотное планирование - максимальная излучаемая мощность мобильных телефонов стандарта GSM-1800 - 1Вт, для сравнения у GSM-900 - 2Вт. Большее время непрерывной работы без подзарядки аккумулятора и снижение уровня радиоизлучения, хотя если учесть тот факт, что это более высокая частота, то можно предположить увеличение «эффекта микроволновой печи» на ваш организм;

- высокая защита от подслушивания и нелегального использования номера и высокая емкость сети, что важно для крупных городов. Возможность использования телефонных аппаратов, работающих в стандартах GSM-900 и GSM-1800 одновременно. Такой аппарат функционирует в сети GSM-900, но, попадая в зону GSM-1800, переключается - вручную или автоматически. Это позволяет оператору рациональнее использовать частотный ресурс, а клиентам - экономить деньги за счет низких тарифов. В обеих сетях абонент пользуется одним номером. Но использование аппарата в двух сетях возможно только в тех случаях, когда эти сети принадлежат одной компании, или между компаниями, работающими в разных диапазонах, заключено соглашение о роуминге.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ РАДИОСИСТЕМЫ

 

3.1 Функциональные  блоки сети GSM

 

 

В отличие от большинства  стандартов первого поколения, например NMT-450, где управление сосредоточено в одном функциональном блоке (контроллере базовых станций), сеть GSM является структурой с распределенным управлением. Функциональное сопряжение элементов данной системы осуществляется стандартными интерфейсами, а ее сетевые компоненты     взаимодействуют    в   соответствии   со   стандартизованной   на международном уровне системой протоколов сигнализации МККТТ № 7, предназначенной для обмена сигнальной информацией (сигнализацией) в цифровых сетях в целях обеспечения связи с цифровыми программно-управляемыми станциями.

 

Рисунок 3.1 – Архитектура сети стандарта GSM

 

Мобильную сеть стандарта GSM можно условно подразделить на две подсистемы, каждая из которых  состоит из определенного числа функциональных блоков, являющихся наименьшими самодостаточными ее компонентами (рисунок 3.1):

- подсистема  коммутации (SS — Switching System);

- подсистема базовых станций (BSS — Base Station Subsystem).

Подсистема  коммутации ответственна за выполнение и обработку вызовов от абонентов, а также за другие предусмотренные услуги. Она состоит из следующих функциональных блоков:

- центра коммутации  подвижной связи — ЦКПС (MSC —  Mobile Services Switching Center);

- домашнего регистра — ДР (HLR — Home Location Register);

- гостевого регистра — ГР (VLR — Visitor Location Register);

- центра аутентификации — ЦА (AUC — Authentication Center);

- регистра идентификации  оборудования — РИО (EIR—Equipment Identity Register).

Центр коммутации подвижной связи выполняет функции телефонной коммутации между абонентами данной мобильной сети и абонентами других мобильных или стационарных сетей, таких как телефонная сеть общего пользования — ТфОП (PSTN — Public Switched Telephone Network) или цифровая сеть интегрального обслуживания — ЦСИО (ISDN — Integrated Services Digital Network).

Домашний регистр  — это централизованная сетевая  база данных, в которой хранятся данные обо всех абонентах обслуживающего сеть оператора. Он функционирует как  постоянная память для информации об абоненте до тех пор, пока его подключение к сети не будет аннулировано. При этом хранимая информация отражает следующие аспекты:

- личность абонента;

- услуги, используемые  абонентом;

- текущее местоположение  абонента;

- аутентификация  абонента.

Реализация домашнего регистра возможна как в виде автономного узла сети, так и в качестве части какого-либо другого функционального блока, например ЦКПС.

Гостевой регистр  также является базой данных, но он содержит только информацию об абонентах, находящихся в текущий момент времени в зоне обслуживания ЦКПС. Таким образом, для каждого ЦКПС существует свой ГР, и они являются неразрывным целым блоком, обычно обозначаемым как ЦКПС/ГР, если надо подчеркнуть, что речь идет о совместных процессах. Когда абонент перемещается в зону действия другого ЦКПС, то связанный с ним ГР запрашивает информацию об абоненте от его ДР, который посылает копию требуемой информации с последующим ее обновлением. Тогда при осуществлении очередного вызова с новой точки ГР уже будет иметь информацию, необходимую для его обслуживания.

Если ЦКПС снабжен  специальной межсетевой функцией, то существует возможность опроса ДР в  целях маршрутизации вызова мобильной  станции от любого абонента, поэтому  такой ЦКПС называют межсетевым центром  коммутации, или шлюзом сети GSM. Например, если абонент, подключенный к ТфОП, осуществляет вызов абонента сети GSM, то сначала автоматическая ТфОП обращается к шлюзу, затем по информации ДР и ГР определяется местоположение абонента и, наконец, осуществляется проключение звонка. Следует заметить, что любой ЦКПС в сети может функционировать и как шлюз, для чего необходимо лишь установить соответствующее программное обеспечение.

Основной функцией центра аутентификации является проверка подлинности сведений об абонентах — так операторы пытаются защитить свои сети от несанкционированного доступа и мошенничества. ЦА является базой данных, связанной с ДР, которая снабжает сеть параметрами аутентификации и ключами шифрования, используемыми для гарантированной защиты личности абонента и содержания разговоров.

Регистр идентификации  оборудования содержит информацию о  мобильных устройствах. С его  помощью могут быть заблокированы  вызовы с украденных, дефектных или  запрещенных аппаратов. При этом необходимо отметить, что вследствие того, что сеть раздельно оперирует с абонентом и принадлежащей ему мобильной станцией, блокировка оборудования не приводит к автоматической блокировке вызовов от данного абонента.

Подсистема  базовых станций, состоящая из определенного  числа приемопередающих базовых станций — БС (BTS — Base Transceiver Station) и контроллера базовых станций — КБС (BSC — Base Station Controller), выполняет следующие основные функции:

- назначение каналов трафика и каналов для передачи управляющих сигналов (сигнализации);

- коммутация каналов между различными  БС с помощью КБС;

- управление мощностью передатчиков БС, находящихся в зоне ее действия;

- организация эстафетной передачи обслуживания абонента при его перемещении из одной соты в другую.

Контроллер  базовых станций управляет всеми действиями сети GSM, связанными с передачей и приемом радиосигналов. По функциональному устройству он представляет собой коммутатор большой емкости. Следует иметь в виду, что один ЦКПС может одновременно обслуживать несколько КБС. Базовая станция осуществляет управление взаимодействием с мобильными станциями, находящимися в одной с ней ячейке сети, и содержит необходимую приемопередающую аппаратуру. Группа БС контролируется одним КБС.

Кроме рассмотренных  подсистем в состав сети входит центр  управления и обслуживания — ЦУО (NMC — Network Management Center), задачами которого являются сбор и обработка информации о работе всех ее узлов, организация профилактических и ремонтных работ, а также решение общих задач развития, планирования и управления. Наконец, для соединения абонента с сетью используются мобильные станции — МС (MS — Mobile Station)  различного типа. Для удовлетворения потребностей рынка производители телекоммуникационного оборудования предлагают большой выбор аппаратов как разнообразного внешнего вида, так и встроенных в них услуг. С точки зрения взаимодействия с сетью, качество работы МС определяется зоной приема, зависящей от выходной мощности передатчика и конструкции антенны.

Например, переносные МС имеют меньшую зону охвата, чем  МС, установленные на автомобиле с внешней антенной.

Функционально МС состоит из приемопередающего  аппарата (включающего в себя органы управления и индикации) и модуля идентификации абонента, обычно называемого SIM-картой (Subscriber Identity Module). Как уже говорилось, согласно концепции стандарта GSM абонент с точки зрения обслуживания отделен от мобильного аппарата. Информация о каждом абоненте и перечень возможных для него услуг хранятся на SIM-карте, что обеспечивает гарантию безопасности и выгоду инвариантности услуг по отношению к мобильному аппарату.

 

 

3.2  Управление  мощностью передатчиков БС и  АС

 

 

Управление  мощностью передатчиков БС и АС позволяет  уменьшить средний уровень перекрестных помех в системе и уменьшить  размерность кластера и величину защитных частотных интервалов.

Управление  мощностью передатчиков АС обеспечивает выравнивание сигналов от ближних и  дальних АС на входе приемника  БС.

Управление  мощностью передатчика БС позволяет  за счет снижения среднего уровня помех  в дальней зоне уменьшить размерность кластера.

                       

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.2 - Регулировка  мощности

 

Основная сложность  при регулировке мощности связана  с тем, что прямой и обратный каналы ССПС разнесены по частоте на 15…45 МГц, поэтому замирания сигналов в этих каналах не коррелированны.

В результате для  точной регулировки мощности (рисунок 3.2) приходится использовать два уровня управления мощностью – низший и более высокий.

Низший уровень  базируется на АРУ приемника.

На более  высоком уровне для получения  более точного результата БС передает пилот-сигнал, ретранслируемый АС. Оценка уровня пилот-сигнала, принятого на БС после ретрансляции, позволяет уточнить значение мощности передатчика как БС, так и АС.

Пилот-сигнал формируется  либо в виде синусоидального колебания, передаваемого вне полосы основного  сообщения, либо в виде тестовой кодовой комбинации.

Еще более точный результат можно получить, если осуществить  промежуточный прием и оценку тестовой комбинации на АС. При этом сама АС также будет формировать собственную тестовую комбинацию для БС.

Главная сложность при точной регулировке мощности – задержка при принятии решения о регулировке.

 

 

3.3 Сетевой уровень

 

 

Управление  в сети может быть централизованным и децентрализованным.

При централизованном (квазицентрализованном) управлении все  операции по взаимодействию с АС выполняет ЦКПС. При децентрализованном управлении часть функций возлагается на БС и ЦКПС используется только для взаимодействия с другим ЦКПС или с коммутационными станциями ТФОП. В настоящее время в ССПС используется в основном централизованное управление. Децентрализованный вариант более характерен для WLL (RLL) систем – систем беспроводного абонентского доступа. На рисунке 3.3 изображен централизованный вариант. Важнейшей функцией ЦКПС является идентификация АС и ее обнаружение в режиме роуминга. Кроме того ЦКПС выполняет все операции, необходимые для взаиморасчетов между оператором и пользователем.

Данная схема  обеспечивает идентификацию АС следующим  образом: АС передает свой номер на ЦКПС. ЦКПС проверяет этот номер  в ОРМ (опорном регистре местоположения). Если номера нет, ЦКПС1 запрашивает ЦКПС2 о наличии этого номера в его ОРМ. Получив положительный ответ ЦКПС1 заносит номер в свой ВРМ (визитный регистр местоположения). Дальнейшее обслуживание ЦКПС1 будет выполнять самостоятельно, не обращаясь к ЦКПС2. При вызове АС абонентом ТФОП запрос поступает на ЦКПС2, а затем переадресовывается на ЦКПС1, который далее взаимодействует с АС – роуминг.

 

 

 

      …

     Аб

          БС

       …           …

 

        АС     …      …             …      …

     1     j      1        m         1      n     1      s

 

Рисунок 3.3 - Взаимодействие между АС и сетью

 

Все взаиморасчеты  с АС выполняет ЦКПС2 по данным, получаемым от ЦКПС1. Если АС уходит с территории обслуживания ЦКПС1, то ее номер убирается  из ВРМ. При децентрализованном управлении в WLL (RLL) каждая БС имеет свою базу данных (БД), содержащую информацию об абонентах, обслуживаемых на данной территории. ЦКПС здесь выполняет только операции, управляющие соединением с центром коммутации ТФОП или с БС других ЦКПС.

 

 

4.  Установление связи по инициативе ЦКПС

 

 

Основная сложность  связана с тем, что неизвестно, в какой именно из сот находится  АС.

Число различных  КС в системе определяется размером кластера. Приемник АС проходит по КС и  выбирает КС с наибольшим уровнем сигнала, затем на дуплексной частоте выбранного КС (т.е. через выбранную БС) передается квитанция. ЦКПС определяет отношение сигнал-шум в этом КС (в этом случае уже начинает работать система управления мощностью передатчиков). Если отношение сигнал-шум при связи с выбранной БС хорошее, то ЦКПС передает на АС номер РК, а БС и АС переходят на этот РК. После проверки связи включается разговор, затем отбой, после которого приемник АС переходит в дежурный режим, т.е. в режим просмотра КС.