Телекоммуникационные информационные системы

Передача информации при временном разделении каналов  осуществляется в составе TDMA- кадра. Каждый временной интервал этого  кадра обозначается номером от 0 до 7, т. е. в одном кадре одновременно могут передаваться 8 речевых каналов. Физический смысл временных интервалов, которые иначе называются окнами, — это время, в течение которого осуществляется модуляция несущей цифровым информационным потоком, соответствующим речевому сообщению или данным. Цифровой информационный поток представляет собой последовательность пакетов, размещаемых в этих временных интервалах (окнах). Пакеты формируются немного короче, чем интервалы, их длительность составляет 0,546 мс, что необходимо для приема сообщения при наличии временной дисперсии в канале распространения. Общая длительность одного TDMA-кадра составляет 4,615 мс. Из ТDМА-кадров составляются мультикадры. Для организации различных каналов связи и управления в стандарте GSM используются два вида мультикадров:

• состоящие из 26 TDMA-кадров;
• состоящие из 51 ТDМА-кадра.

Длительность одного мультикадра первого вида равна 120 мс, второго - 235,385 мс. Из 51 мультикадра  первого вида (по 26 кадров) или из 26 мультикадров второго вида (по 51 кадру) составляется суперкадр длительностью 6, 12 с (1326 ТОМА- кадров). 2048 суперкадров составляют 1 гиперкадр, содержащий 2715648 TDMA- кадров, Длительность 1 гиперкадра составляет 3 ч 28 мин 53 с 760 мс. Необходимость такой большой длительности гиперкадра обусловлена требованиями применяемого процесса криптографической защиты, в котором номер кадра используется как входной параметр шифрования. Однако даже без дополнительного шифрования прослушивать разговоры практически невозможно.

Одной из особенностей формирования сигналов в стандарте GSM является использование  медленных скачков по частоте  в процессе сеанса связи – SFH (Slow Frequency Hopping). Главное назначение таких  скачков – обеспечение частотного разнесения в радиоканалах, функционирующих в условиях многолучевого распространения радиоволн. Медленные скачки частоты используются во всех подвижных сетях, что повышает эффективность кодирования и перемежения при медленном движении абонентских станций.

Принцип формирования медленных скачков по частоте состоит в том, что сообщение, передаваемое в выделенном абоненту временном интервале TDMA-кадра 0,577 мс, в каждом последующем кадре передается (принимается) на новой фиксированной частоте, рисунок 3.16. В соответствии со структурой кадров, время для перестройки частоты составляет около 1 мс.

В процессе скачков по частоте постоянно сохраняется  разнос 45 МГц между каналами приема и передачи. Всем активным абонентам, находящимся в одной соте, ставятся в соответствие непересекающиеся последовательности переключения частот, что исключает взаимные помехи при приеме сообщений абонентами. Параметры последовательности переключений частот (частотно-временная матрица и начальная частота) назначаются для каждой подвижной станции в процессе установления канала связи.

 

Рисунок 3.16 - Принципы формирования медленных скачков по частоте

Шифрование

Далее сигнал подвергается шифрованию сообщения по алгоритму  шифрования с открытым ключом (RSA) для  обеспечения безопасности передачи сообщений.

Алгоритм шифрования с открытым ключом RSA заключается  в том, что каждое сообщение М  разбивается на блоки фиксированной  длины, и каждый блок кодируется как  совокупность фиксированного числа  цифр. Такой алгоритм обеспечивает высокую степень безопасности при передаче речи и исключает возможность извлечения информации из канала связи кому-либо, кроме санкционированного пользователя. На приеме сообщение расшифровывается в дешифраторе.

Алгоритм ключа шифрования хранится в модуле SIM.

Гауссовская частотная манипуляция (GMSK)

В стандарте GSM выбрана  гауссовская частотная манипуляция  с минимальным частотным сдвигом  – GMSK. Индекс модуляции 0,3. GMSK представляет собой двоичную ЧМ с двумя соответствующими сигналу частотами, выбранными таким  образом, чтобы на одном тактовом интервале между двумя частотами имелся фазовый сдвиг на 90°. Этот процесс показан на рисунках 3.17, 3.18.

Рисунок 3.17 - Принцип формирования GMSK-сигнала

 

Рисунок 3.18 – Формирование GMSK-сигнала

 

Модуляцию GMSK характеризуют следующие свойства:

• постоянная по уровню огибающая, позволяющая использовать передающие устройства с усилителями мощность класса С;
• узкий спектр на выходе усилителя мощности передающего устройства обеспечивающий низкий уровень внеполосного излучения;
• хорошая помехоустойчивость канала связи.

Структурная схема сети стандарта GSM

Оборудование сетей GSM (рисунок 3.19) включает в себя: подвижные  радиотелефоны, базовые станции, цифровые коммутаторы, центр управления и  обслуживания, дополнительные подсистемы и устройства. Функциональное сопряжение элементов системы осуществляется с помощью ряда  интерфейсов.

В рамках стандарта GSM приняты  пять классов мобильных станций: от модели 1-го класса с выходной мощностью  до 20 Вт, устанавливаемой на транспортных средствах, до модели 5-ro класса с максимальной выходной мощностью до 0,8 Вт (таблице 3.3). При передаче сообщений предусматривается адаптивная регулировка мощности передатчика, обеспечивающая требуемое качество связи. Подвижная и базовые станции независимы друг от друга.

 

Таблица 3.3  - Классификация  подвижных станций

Класс модели	Максимальная мощность передатчика, Вт	Допустимые отклонения, дБ
1	20	1,5
2	8	1,5
3	5	1,5
4	2	1,5
5	0,8	1,5

Каждая подвижная станция  имеет свой международный идентификационный номер (IMSI), записанный в ее памяти. Такой подход позволяет устанавливать радиотелефоны, например, в автомобилях, сдаваемых  напрокат.

Каждой подвижной станции  присваивается еще один международный  идентификационный номер IMEI, который используется для исключения доступа к сетям GSM с помощью похищенной станции или станции, не обладающей такими полномочиями.

Оборудование подсистемы базовых станций состоит из контроллера  базовых станций BSC и собственно базовых станций BTS. Один контроллер может управлять несколькими станциями. Он выполняет следующие функции: управляет распределением радиоканалов; контролирует соединения и регулирует их очередность; обеспечивает режим работы с «прыгающей» частотой, модуляцию и демодуляцию сигналов, кодирование и декодирование сообщений, кодирование речи, адаптацию скорости передачи речи, данных и сигналов вызова; определяет очередность передачи сообщений персонального вызова.

Оборудование подсистемы коммутации состоит из центра коммутации подвижной связи MSC, регистра положения HLR, регистра перемещения VLR, центра аутентификации AUC и регистра идентификации оборудования EIR. Центр коммутации подвижной связи обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается подвижная станция в процессе своей работы. Он представляет собой интерфейс между сетью подвижной связи и фиксированными сетями, такими как телефонная сеть общего пользования PSTN, сети пакетной передачи PDN, цифровые сети с интеграцией служб ISDN, и обеспечивает маршрутизацию вызовов и функцию управления вызовами. Кроме этого, на MSC возлагаются функции коммутации радиоканалов, к которым относятся эстафетная передача, обеспечивающая непрерывность связи при перемещении подвижной станции из соты в соту, и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностей. Центр коммутации осуществляет постоянное слежение за подвижными станциями, используя регистры положения и перемещения. В регистре положения хранится та часть информации о местоположении какой-либо подвижной станции, которая позволяет центру коммутации доставить вызов. Этот регистр содержит международный идентификационный номер подвижного абонента (IMSI), который используется для опознавания подвижной станции в центре аутентификации (AUC), а также еще некоторые данные, необходимые для нормальной работы сети GSM.

Регистр перемещения - это  второе основное устройство, обеспечивающее контроль за передвижением подвижной  станции из соты в соту. С его  помощью достигается функционирование подвижной станции за пределами контролируемой регистром положения зоны. Когда в процессе перемещения подвижная станция переходит из зоны действия одного контроллера базовых станций в зону действия другого, то она регистрируется последним, т.е. в регистр перемещения заносится новая информация. Для сохранности данных, находящихся в регистрах положения и перемещения, в случае сбоев предусмотрена защита запоминающих устройств этих регистров.

Система сотовой подвижной  связи стандарта D-AMPS

Принципы  построения и общие характеристики

Стандарт сотовой подвижной  связи D-AMPS был разработан и принят к использованию в США в 1990 г. Необходимость его создания была обусловлена тем, что существовавшая национальная аналоговая сотовая система  связи стандарта уже перестала  отвечать требованиям, предъявляемым к системам подвижной связи: из-за малой пропускной способности, недостаточного качества связи, ограниченного набора услуг, отсутствия засекречивания передаваемых сообщений и т.п. В отличие от Европы, где для вновь разрабатываемой цифровой системы стандарта GSM был выделен отдельный частотный диапазон, в США не удалось обеспечить новую разработку собственной полосой частот, поэтому было принято решение о совместном использовании в одной полосе частот систем двух стандартов: аналогового AMPS и нового цифрового D-AMPS, сохранив при этом существовавший в аналоговой системе разнос частот между каналами, равный 30 кГц.

Ассоциациями TIA и CTIA были приняты три внутренних стандарта: IS-54 — на систему сотовой связи D-AMPS (ADC); IS-55 — на двухмодовую подвижную станцию, обеспечивающую связь по двум стандартам (аналоговому и цифровому); IS-56 — на базовые станции. Внедрение этих стандартов было временным шагом на пути продвижения цифровой технологии на рынок сотовой связи США. И хотя стандарт IS-54 и не совсем цифровое решение, но он оказался более прогрессивным, чем его предшественник AMPS. В 1994 г. был принят новый национальный стандарт США IS-136 на полностью цифровую систему сотовой подвижной связи, который представляет собой усовершенствованный стандарт IS-54. По своим функциональным возможностям и предоставляемым услугам этот стандарт приближается к стандарту GSM.

Стандарт D-AMPS (ADC) не принят в европейских странах, за исключением  России, где он ориентирован на региональное использование. 

Состав  оборудования и принципы функционирования

Состав оборудования и его функциональное назначение почти полностью повторяют соответствующие  положения стандарта GSM. Структурная  схема сотовой системы связи  стандарта D-AMPS (ADC) представлена на рисунке 6.10. В этом стандарте для преобразования аналогового речевого сигнала в цифровую форму используется кодер VSELP. Аналоговый сигнал речевого диапазона разбивается на сегменты длительностью по 20 мс, которые преобразуются в 159 кодированных бит, передаваемых со скоростью 7,95 Кбит/с.

Рисунок 6.10. Структурная  схема сотовой системы связи  стандарта D-AMPS (ADC)

 

Далее эти данные подвергаются канальному кодированию, для чего используется сверточный код со скоростью r= 1/2. При этом пакет, поступающий от речевого кодера, состоящий из 159 бит, делится на две группы: 1 — 77 бит, 2 — 82 бита. В группе 1 осуществляется указанное выше сверточное кодирование, причем 7 бит используются для обнаружения ошибок. Биты 2-й группы передаются без кодирования, В результате преобразований в канальном кодере речевой фрагмент длительностью 20 мс представляется 260 битами, что соответствует скорости передачи 13 Кбит/с. Структурная схема канального кодирования представлена на рис. 9.2. Результирующая скорость (по результатам формирования TDMA-кадра) составляет 16,2 Кбит/с в расчете на одного абонента.

Рис. 9.2. Структурная схема  канального кодирования стандарта D-AMPS (ADC)

 

Пакет из 260 кодированных бит в дальнейшем подвергается перемещению, принцип которого поясняется рис. 9.3. Любой речевой фрагмент разбивается  на две равных части. Одна из этих частей передается в исходном окне фрагмента, а другая — в окне, сдвинутом на три окна (например, в окнах 1 и 4).

Рис. 9.3. Организация перемещения  пакета кодированных 6ит в стандарте D-AMPS

 

Для передачи сообщений  по радиоканалу используется спектрально-эффективная  p/4 DQPSK-модуляция, реализуемая квадратурной схемой с прямым переносом на несущую частоту,

Структура TDMA-кадров в  прямом и обратном каналах для  стандарта с полускоростным речевым каналом представлена на рис. 9.4.

Рис. 9.4. Структура кадров для стандарта с полускоростным речевым каналом

В качестве базовой станции  этого стандарта для систем сотовой связи может использоваться, например, компактная станция RBS 884 Indoor. Она обеспечивает максимальную гибкость при конфигурировании системы и значительную абонентскую емкость сети.

 

Цифровые системы сотовой связи  с кодовым разделением каналов

Принципы кодового разделения каналов

Принципы кодового разделения каналов связи (CDMA – Code division Multiple Access) основаны на использовании широкополосных сигналов (ШПС), полоса которых значительно  превышает полосу частот, необходимую  для обычной передачи сообщений, например, в узкополосных системах с частотным разделением каналов (FDMA). Основной характеристикой ШПС является база сигнала, определяемая как произведение ширины его спектра F на его длительность Т: