Телекоммуникационные информационные системы

Центр коммутации, приняв это сообщение, анализирует поступившую  информацию, определяет номер базовой станции, обслуживающей в данный момент времени вызываемого абонента, и, тем самым, определяет его местоположение. Затем он выбирает свободный разговорный канал на данной базовой станции BTS и занимает его, указывая в информационной части канала управления, что этот канал «занят». Процедура входящего вызова происходит в течение 1-4 мс, что совсем не заметно для пользователя. Реализация такой процедуры позволяет снизить до минимума вероятность конфликтной ситуации при занятии канала управления несколькими абонентами одновременно. После выполнения процедуры установления свободного канала связи и его занятия из центра коммутации по разговорному каналу посылается повторный вызов на базовую станцию с указанием номера выделенного радиоканала и номера специального сигнала SAT (Supervisory Audio Tone).

В качестве сигнала SAT в  одной ячейке системы сотовой  связи может использоваться сигнал одной из трех тональных частот: 5970, 6000 или 6030 Гц, который необходим  для контроля за исполнением команд и качеством связи в разговорном канале.

Получив информацию от центра коммутации, абонентская станция  перестраивается на частоту свободного разговорного канала и по нему ретранслирует  выделенный сигнал SAT. При его распознавании  на базовой станции принимается  решение о готовности дуплексного радиоканала «базовая станция - абонент», о чем сообщается в центр коммутации соответствующим сигналом. Далее производится коммутация наземной телефонной линии между центром MSC и базовой станцией, радиоканала между станцией BTS и подвижной станцией MS, которая соответствующей командой приводится в готовность. Если абонент свободен, то от него по назначенному разговорному каналу на базовую станцию передается тональный сигнал ST (Signalling Tone) частотой 8 кГц, который прерывается при снятии трубки абонентского аппарата. По сигналу ST базовая станция сообщает в центр коммутации о готовности абонентского терминала, и центр MSC посылает абоненту сигнал вызова (звонок).

При прерывании сигнала ST центр коммутации подключает весь разговорный тракт, передает в канал сигнал SAT и следит за результатами контроля качества связи. По завершении разговора от абонентского терминала передается сигнал ST и сигнал о перестройке на частоту канала управления, поэтому базовая станция сообщает в центр коммутации подвижной связи об окончании сеанса связи, после чего коммутационное оборудование освобождается.

Сигнал SAT постоянно передается в канале связи во время разговора. В том случае, если обнаружено прерывание этого сигнала, абонентская станция  включает таймер и, если сигнал SAT не будет обнаружен по истечении определенного времени, переключается на частоту канала управления. На этом сеанс связи заканчивается.

Следует отметить, что  в отличие от алгоритма входящего  вызова системы NMT в данном алгоритме контроль достоверности принимаемых сообщений частично перенесен на блок управления абонентской станции. Например, с его помощью определяется соответствие между принятым номером разговорного канала и номером канала управления, который обслуживает данную группу разговорных каналов.

Организация управления при исходящем вызове

Исходящий от подвижного абонента вызов может быть предназначен как для абонента телефонной сети общего пользования, так и для  другого подвижного абонента системы  сотовой связи. Для производства исходящего вызова пользователь набирает на радиотелефоне номер вызываемого абонента; этот номер передается на базовую станцию и далее транслируется в центр коммутации по каналу передачи данных. После анализа информации и выделения свободного разговорного канала в действующих системах сотовой связи организуется тестирование состояния каналов, устанавливается соединение и в сторону вызываемого абонента посылается вызов. При ответе абонента подключается весь разговорный тракт. 

В системах сотовой связи стандарта AMPS управление при исходящем вызове основано на применении сигналов SAT и ST. Как и в системе стандарта NMT, номер вызываемого абонента записывается в запоминающее устройство абонентской станции, которая затем проверяет состояние обратного канала управления на занятость, т. е. определяет возможность доступа в прямой канал управления.

Получив доступ, абонентская  станция передает исходящий вызов, в котором содержатся номера вызывающего  и вызываемого абонентов. Базовая  станция транслирует исходящее сообщение по каналу передачи данных в центр коммутации, где осуществляется проверка на несанкционированный доступ вызывающего абонента к данной сети. Если абонент имеет право доступа, то центр коммутации инициирует в течение 1-4 мс состояние обратного канала управления как «занято», выделяет свободный разговорный канал и передает сигнал SAT. Одновременно с этим устанавливается соединение с вызываемым абонентом и ему передается вызов. Получив номера разговорного канала и сигнала SAT, вызывающая станция настраивается на частоту разговорного канала и передает по нему через базовую станцию в центр коммутации подвижной связи соответствующий сигнал SAT, после получения которого осуществляется проверка разговорного тракта MSC-BTS-MS. Далее центр коммутации ожидает ответа вызываемого абонента и, при снятии им трубки, подключает разговорный тракт и ведет контроль качества речи.

Организация эстафетной передачи абонента

Одной из основных проблем  при разработке систем сотовой связи  является обеспечение непрерывной  связи во время передвижения абонента по зоне обслуживания. Для ее разрешения используется принцип эстафетной передачи. В системах стандарта AMPS протокол обмена сообщениями в рассматриваемом режиме подобен протоколу систем стандарта NMT и отличается лишь тем, что контроль за качеством передачи ведется с помощью сигнала SAT. В процессе эстафетной передачи абонента от одной базовой станции к другой аппаратура подвижного абонента уведомляется о номере сигнала SAT специальным сообщением. По мере приближения подвижной станции к границе ячейки величина отношения сигнал/шум уменьшается. Поэтому базовая станция BTS1 может выдать в центр коммутации сигнал «ухудшение качества», по которому центр коммутации идентифицирует шесть ближайших к абоненту базовых станций и дает им команду измерить уровень сигнала SAT1 в данном радиоканале. Центр коммутации сравнивает полученные результаты и выбирает новую ячейку с более высоким уровнем сигнала, например, ячейку 2, в базовую станцию которой передается номер нового разговорного канала и номер SAT2. Это сообщение транслируется на подвижную станцию в разговорном канале, по которому ведется сеанс связи. Подтверждением получения информации является кратковременное (на 50 мс) прерывание сигнала SAT2, зафиксировав которое, BTS1 посылает сигнал исполнения на центр коммутации. В новом разговорном канале абонентский терминал передает в центр коммутации сигнал готовности, последний производит соответствующую перекоммутацию каналов, освобождая базовую станцию BTS1, и подключает новый разговорный тракт. Контроль качества передачи ведется по сигналу SAT2, дискретная информация передается в разговорном канале методом бланкирования, при котором речевые сигналы прерываются. Вся процедура эстафетной передачи занимает около 250 мс, поэтому для абонента момент переключения незаметен.

Система сотовой подвижной  связи стандарта TACS

Системы сотовой подвижной  связи стандарта TACS строятся по радиальному  принципу с использованием небольшого числа базовых станций. В таких  системах каждая базовая станция  непосредственно соединяется с центром коммутации (центральной станцией), который имеет выход в телефонную сеть общего пользования. Первая система этого стандарта была введена в эксплуатацию в Великобритании (г. Лондон) в январе 1985 г.

Основные характеристики системы представлены в таблице 6.2.

По принципу построения, сопряжению между станциями и  организации управления система  сотовой подвижной связи стандарта TACS почти полностью идентична  системе стандарта AMPS. Отличие, в  основном, состоит в ширине каналов  и пиковой девиации частоты: в системе стандарта AMPS ширина канала равна 30 кГц, пиковая девиация частоты 12 кГц, а в системе TACS - 25 и 9,5 кГц соответственно. В системе используется 1000 дуплексных каналов, из которых 956 являются разговорными, а остальные образуют две группы по 21 каналу, которые являются каналами управления. В разговорных каналах для передачи информации используется узкополосная частотная модуляция. В каналах, которые используются для передачи данных, для преобразования цифровой информации в аналоговый сигнал применяется двоичная частотная манипуляция.

В сельской местности  радиусы ячеек достигают 30 км, в  городе же они могут уменьшаться  до 200 м вследствие плохого качества приема сигнала. В системах этого  стандарта обычно используются ненаправленные антенны. Коэффициент повторения частот С при этом равен 7.

Логика работы системы  предусматривает автоматическую регулировку  мощности передающих устройств: для  автомобильной абонентской станции  на 32 дБ, для портативной - на 20 дБ. 

Тональные сигналы служат для организации дуплексного канала связи между базовой и абонентской станциями, Коэффициент повторения этих сигналов С_УПР = 7·3 = 21, причем для передачи используются частоты 5970, 6000, 6030 Гц. Сигнал частотой 800 Гц является ответным и передается только абонентской станцией.

Организация каналов  управления в системах сотовой связи  стандарта TACS аналогична рассмотренному выше стандарту AMPS (см. подраздел 6.4.2).

Процедура установления входящего вызова в системах стандарта TACS, а также процедуры установления исходящего вызова и эстафетной передачи абонента аналогичны таким же процедурам, регламентированным стандартом AMPS (см. подраздел 6.4.3, 6.4.4, 6.4.5).

Цифровые системы  сотовой подвижной связи

Цифровые системы сотовой  подвижной связи представляют собой системы второго поколения. По сравнению с аналоговыми системами они предоставляют абонентам больший набор услуг и обеспечивают повышенное качество связи, а также взаимодействие с цифровыми сетями с интеграцией служб (ISDN) и пакетной передачи данных (PDN). Среди этих систем широкое распространение получили те, которые базируются на стандартах GSM (DCS1800), D-AMPS (ADC), JDC, CDMA. Сравнительные характеристики стандартов представлены в таблице 6.4.

Система сотовой связи  стандарта GSM

Мультидоступ

В стандарте GSM используется узкополосный многостанционный доступ с временным разделением каналов. При мультидоступе с временным  разделением каналом абоненты передают свои сообщения на одной и той  же радиочастоте, но в разное время. Это позволяет увеличить объем речевого трафика и дает ряд других преимуществ, характерных для цифровых систем связи. В структуре CDMA кадра содержит 8 временных позиций на каждой из 124 FDMA / TDMA / FDD.

FDD - частотное дуплексирование:  полосы частот передачи и частот  приема разнесены.

FDMA - частотное разделение  рабочего диапазона. В полосе 25 МГц организует 120 несущих частот.

TDMA - временное разделение  на 1 несущей частоте организуется 8 временных окон.

Спектр  частот

Спектр частот представлен  на рисунке 6.10.

Основные характеристики стандарта GSM:

• частоты передачи мобильной (МС) и приема базовой станции (БС) 890-915 МГц;
• частоты приема мобильной и передачи БС 935-960 МГц;
• ширина полосы одного канала Df_k=200 кГц;
• ширина полосы системы 50 МГц;
• максимальное количество радиоканалов – 124;
• максимальное количество радиоканалов в БС - 16-20;
• количество речевых каналов на несущей - 8;
• алгоритм преобразований речи – RPE-LTP;
• скорость преобразования речи – 13 Кбит/с;
• скорость передачи информации – 270 Кбит/с;
• вид модуляции – 0,3 GMSK;
• радиус соты –5-35 км;
• мощность передачи: БС - 44 Вт (13 дБ*Вт), МС – 1 Вт (3 дБ*Вт).

Рисунок 6.10  - Дуплексный разнос частот передачи и  приема

Обработка речи в данном стандарте осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи DTX (Discontinuous Transmission), которая обеспечивает включение передатчика только тогда, когда пользователь начинает разговор и отключает его в паузах и в конце разговора. Система DTX управляет детектором активности речи VAD (Voice Activity Detector), который обеспечивает обнаружение и выделение интервалов речи с шумом и без шума речи даже в тех случаях, когда уровень шума соизмерим с уровнем речи.

Для защиты от ошибок, возникающих  в радиоканалах, применяется блочное  и сверточное кодирование с перемежением. Повышение эффективности кодирования и перемежения при малой скорости перемещения подвижных станций достигается медленным переключением рабочих частот сеанса связи (со скоростью 217 скачков в секунду).

Для борьбы с интерференционными замираниями принимаемых сигналов, вызванные многолучевым распространением радиоволн в условиях города, в аппаратуре связи используется эквалайзеры, обеспечивающие выравнивание импульсных сигналов со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16 мкс. Система синхронизации оборудования рассчитана на компенсацию (до 233 мкс) абсолютного времени задержки. Это соответствует максимальной дальности связи 35 км (максимальный радиус соты).

Для модуляции радиосигнала применяется спектрально-эффективная  гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом. Формирование GMSK-радиосигнала происходит таким образом, что на интервале, соответствующем одному биту, фаза несущей изменяется на 90º. Это наименьшее изменение фазы, которое может быть обнаружено при данном типе манипуляции.

Виды  интерфейсов

В переводной литературе приняты следующие обозначения: MS — подвижная станция; BTS — базовая  станция; BSC — контроллер базовой  станции; TCE — транскодер; ВSS — оборудование базовой станции (BSC+TCE+BTS); MSC — центр коммутации подвижной связи; HLR — регистр положения; VLR — регистр перемещения; AUC — центр аутентификации; EIR— регистр идентификации оборудования; OMC — центр управления и обслуживания; NMC — центр управления сетью; ADC — административный центр; PSTN — телефонная сеть общего пользования; PDN— сети пакетной передачи; ISDN — цифровые сети с интеграцией служб.

Интерфейсы обеспечивают функциональное сопряжение элементов  системы:

а) с внешними сетями:

• соединение с PSTN –осуществляется по линиям связи 2 Мб/с;
• соединение с ISDN-предусматривает 4 линии связи 2 Мб/с;
• соединение с сетью NMT-450 через 4 линии связи 2 Мб/с;