🗊Презентация Цифрові системи мобільного зв'язку стандарту GSM

Лекція 8 Цифрові системи мобільного зв'язку стандарту GSM 1. Загальна характеристика стандарту GSM Розглянемо, як створювався єдиний загальноєвропейський стандарт мобільного зв'язку. В 1982 році Конференція європейських поштових і телекомунікаційних відомств – СЕРТ (Conference European Posts and Telegraphs) з метою вивчення і розробки загальноєвропейської системи стільникового мобільного зв'язку загального користування створила групу, що отримала назву Group Special Mobile (GSM), для розробки Глобальної системи мобільного зв'язку (Global System for Mobile communication, скорочено – GSM). В 1990 р. публікуються вимоги до системи стільникового зв'язку стандарту GSM, а її застосування – з 1991 р. GSM відповідно до Рекомендацій СЕРТ повинна була задовольняти наступним критеріям: – висока якість передачі мовної інформації; – низька вартість устаткування і послуг, що надаються; – бути загальноєвропейською системою стільникового зв'язку; – найбільш ефективно використовувати радіочастоти і мати спектральну ефективність;

– мати високу, яка відповідає зростаючим вимогам, ємність; – бути сумісною з цифровою мережею інтегрованих послуг – ISDN (Integrated Services Digital Network) і з іншими системами передачі даних; – підтримувати безпеку передачі інформації; – підтримувати міжнародний роумінг; – підтримувати портативне обладнання користувача тощо. – мати високу, яка відповідає зростаючим вимогам, ємність; – бути сумісною з цифровою мережею інтегрованих послуг – ISDN (Integrated Services Digital Network) і з іншими системами передачі даних; – підтримувати безпеку передачі інформації; – підтримувати міжнародний роумінг; – підтримувати портативне обладнання користувача тощо. Відповідно до Рекомендацій СЕРТ стандарт GSM 900 передбачає роботу в двох діапазонах частот: – 890.. .915 Мгц – прямий канал (з БС на РС); – 935...960 Мгц – зворотний канал (з РС на БС). – Рознесення за частотою прямого і зворотного каналу (дуплексне рознесення) складає 45 Мгц. – Рознесення частот між сусідніми каналами складає 200 кГц. Таким чином, у відведеній для прийому (передачі) смузі частот шириною 25 Мгц розміщуються 124 канали зв'язку. В стандарті GSM 1800 передбачається робота в діапазонах 1710... 1785 Мгц (БС), і 1805... 1880 Мгц (РС), що при тому ж самому рознесенні частот між сусідніми каналами дозволяє розмістити 374 канали. В стандарті GSM використовується багатостанційний доступ з часовим розділенням. Це дозволяє на одному частотному каналі розмістити 8 фізичних каналів.

Обробка мови здійснюється на основі системи переривчастої передачі Обробка мови здійснюється на основі системи переривчастої передачі мови DTX, яка забезпечує ввімкнення передавача тільки під час розмови. Для перетворення мовних сигналів використовується мовний кодек RPE/LTP-LPC (regular pulse excitation – long term prediction – linear predictive coder) з регулярним імпульсним збудженням і швидкістю перетворення мови 13 кбіт/с. Для захисту від помилок, що виникають в радіоканалах, застосовується блокове та згорткове кодування з перемежуванням. Підвищення ефективності кодування і перемежування досягається повільним перемиканням робочих частот в процесі сеансу зв'язку (217 стрибків в секунду). Для боротьби із завмираннями сигналів, викликаними багатопроменевим розповсюдженням радіохвиль, використовуються еквалайзери, які забезпечують вирівнювання імпульсних сигналів з средньоквадратичним відхиленням часу затримки до 16 мкс. Система синхронізації розрахована на компенсацію абсолютного часу затримки сигналів до 233 мкс, що відповідає дальності зв'язку (максимальному радіусу стільника) 35 км. Для модуляції радіосигналу використовується спектрально-ефективна гауссовська частотна маніпуляція з мінімальним частотним зсувом (GMSK). Основні характеристики стандарту GSM зведені в табл. 5.1 (в дужках – дані стандарту GSM 1800).

По вихідній потужності РС діляться на 5 класів: 20 (клас 1), 8, 5, 2 і По вихідній потужності РС діляться на 5 класів: 20 (клас 1), 8, 5, 2 і 0,8 (клас 5) Вт. Для мобільних телефонів типовим значенням максимальної потужності є 2 Вт (клас 4). В стандарті GSM передбачено управління потужністю випромінювання РС. Мінімальний рівень випромінювання РС 20 мВт. РС оцінює якість сигналу (за частотою бітових помилок), що приймається, і передає відповідну інформацію КБС, який ухвалює рішення про регулювання рівня вихідної потужності. Крок регулювання потужності складає 2 дБ.

Кожні 4,615 мс (тобто для кожного кадру) несуча частота змінюється за псевдовипадковим законом (із збереженням дуплексного рознесення 45 Мгц). Всім активним абонентам, що перебувають в одній комірці, в процесі встановлення каналу призначається єдина частотно-часова матриця. Ортогональність послідовностей перемикання частот для активних абонентів комірки, що працюють в одному часовому слоті, забезпечується різним початковим частотним зсувом. В суміжних комірках використовуються різні формуючі послідовності. Цифровий інформаційний потік є послідовністю пакетів, які розміщуються у відповідних часових інтервалах (слотах). Пакети формуються трохи коротше, ніж слоти, їх тривалість складає 0,546 мс, що необхідне для надійного прийому повідомлення за наявності дисперсії в каналі. Інформаційне повідомлення передається по радіоканалу із швидкістю 270,833 кбит/с (слот містить 156,25 біт, тривалість одного біта 3,69 мкс). По каналу зв'язку передається або інформація сигналізації, або кодована мова або дані, тому у фізичному каналі можуть бути реалізований або логічні канали трафіку, або канали управління, причому кожний з них може існувати в декількох варіантах.

В стандарті GSM визначені наступні типи логічних каналів: Користувацькі (тобто призначені для користувача) канали (Т), або канали трафіку (traffic channels, TCH) є двосторонніми. При передачі мови забезпечують швидкість 22,8 кбит/с або 11,4 кбит/с. Ці канали використовуються і для передачі даних з швидкостями від 2,4 кбит/с до 9,6 кбит/с. Визначені наступні типи каналів трафіку: TCH/FS (traffic channels I full speech) – повношвидкісні канали трафіку мови, які утворені послідовністю слотів з однаковими номерами в межах кадру; TCH/HS (traffic channels I half speech) – напівшвидкісні канали трафіку мови, сформовані послідовністю слотів з однаковими номерами парних або непарних кадрів; TCH/F9.6, TCH/F4.8 – повношвидкісні канали трафіку даних із швидкістю 9,6 і 4,8 кбит/с відповідно тощо.

1) FCCH (frequency correction channel – канал F підстроювання частоти), який забезпечує підстроювання частоти несучої в РС; 1) FCCH (frequency correction channel – канал F підстроювання частоти), який забезпечує підстроювання частоти несучої в РС; 2) SCH (synchronization channel – канал S синхронізації), призначений для циклової синхронізації РС в процедурі доступу і для передачі ідентифікатора БС, яка обслуговує дану зону; 3) ВССН (канал управління передачею) - контрольний канал В, що використовується для передачі інформації про зону обслуговування (ідентифікатора зони обслуговування LAI – location area identity, періоду реєстрації).

Суміщені канали управління завжди об'єднуються з каналами зв'язку (трафіку) або індивідуальними каналами управління. Розрізняють 6 видів об'єднаних каналів управління: FACCH/F = FACCH + TCH/F; FACCH/H = FACCH + ТСН/Н; SACCH/TF = SACCH + TCH/F; SACCH/TH = SACCH + ТСН/Н; SACCH/C4 = SACCH + SDCCH/4; SACCH/C8 = SACCH + SDCCH/8. Двонаправлений канал трафіку Т реалізується при частотному розділенні фізичних каналів, які пов'язують БС з РС і РС з БС. В стандарті GSM прямі канали використовують діапазон 935...960 Мгц, зворотні – діапазон 890...915 Мгц. Рознесення по частоті прямого і зворотного каналу складає 45 Мгц. В кожному радіоканалі є 8 часових інтервалів, призначених для передачі інформації від незалежних джерел. Таким чином, фізичний канал трафіку задається вказівкою частотного піддіапазону радіоканалу і номера часового інтервалу, що використовується для передачі як вниз, так і вгору.

Стрілками відзначені моменти передачі інформації двостороннього каналу Т, розміщеного в 2-у часовому інтервалі. Комбінація, послана БС в 2-у інтервалі, буде прийнятий РС в 7-м, а пакет, переданий РС в 2-у дискрете, прийнятий БС в 5-м. Що стосується кадрів (слотів) передачі даних, то за структурою та інформаційним змістом можна виділити 5 типів слотів: • normal burst (NB) – нормальний часовий інтервал; • frequency correction burst (FB) – інтервал підстроювання частоти; • synchronization burst (SB) – інтервал часової синхронізації; • dummy burst (DB) – настановний інтервал; • асcess burst (AB) – інтервал доступу. Схемне зображення слотів наведено на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Схемне зображення слотів Рис. 5.4. Схемне зображення слотів

Скорочення, використані при позначенні полів слотів, мають такий зміст: • ТБ (tail bits) – заборонений бланк (хвостові біти); • ED (encrypted data) – закодована інформація; • SF (stealing flag) – прихований прапорець; • TS (training sequence) – навчальна послідовність; • GP (guardperiod)– захисний інтервал; • ETS (extended training sequence) – розширена навчальна послідовність; • ЕТ (extended tail) – розширений захисний бланк. Слоти типу NB використовуються для передачі інформації по каналах трафіку і управління (за винятком каналу доступу RACH). На даному часовому інтервалі міститься 114 біт зашифрованого повідомлення, розбитого на два підблоки по 57 біт, навчальна послідовність в 26 біт, яка розділяє вказані інформаційні підблоки, два захисні бланки по 3 біти, захисний інтервал в 8,25 біт і 2 приховані прапорці по 1 біту, які служать ознакою передаваній інформації – трафіку або сигналізації. Навчальна послідовність використовується для вирішення наступних задач:

• оцінка якості зв'язку на основі порівняння прийнятої і еталонної послідовностей (визначення частоти появи помилок в двійкових розрядах – "бітових помилок"); • оцінка імпульсної характеристики радіоканалу і настройка адаптивного еквалайзера для подальшої корекції тракту прийому сигналу; • визначення затримки розповсюдження сигналу між БС і РС для оцінки дальності радіозв'язку. Слоти FB призначені для синхронізації по частоті рухомої станції. В цьому часовому інтервалі 142 біти є нульовими, що відповідає передачі змодульованої несучою із зсувом на 1625/24 кГц вище за її номінальне значення. Часові інтервали FB, що повторюються, утворюють канал установки частоти FCCH. Слоти типу SB використовуються для кадрової синхронізації, тобто для синхронізації в часі базової і рухомої станцій. Кожний з них містить 64 біти розширеної синхропослідовності, а також інформацію про номер кадру і ідентифікаційний номер БС. Слоти SB завжди передаються в парі з FB і утворюють канал синхронізації (SCH).

Слоти DB забезпечують встановлення і тестування каналу зв'язку. За своєю структурою DB співпадає з NB і містить настановну послідовність завдовжки 26 біт. Контрольні біти відсутні, і не передається ніякій інформації, а тільки встановлюється факт роботи передавача. Слоти АВ призначаються для організації доступу рухомої станції до нової БС. Структура цих слотів значно відрізняється від раніше розглянутої. Специфічність її пояснюється тим, що слоти АВ визначають інтервал, на якому рухома станція вперше намагається встановити зв'язок з базовою станцією. Оскільки час проходження сигналу невідомий, перша позиція слота відводиться полю, що є кінцевим у решти типів. Розширений захисний інтервал в 68,25 біт, який дорівнює подвійному значенню найбільшої можливої затримки сигналу в стільнику, забезпечує той, що достатнє розноситься від сигналів інших рухомих станцій. Навчальна послідовність (41 біт) дозволяє БС правильно прийняти подальші 36 біт інформації від РС. В каналах трафіку ТСН і суміщених каналах управління FACCH і SACCH використовується 26-кадровий мультикадр (рис 5.5).

В повношвидкісному каналі (TCH/FS) в кожному 13-у кадрі В повношвидкісному каналі (TCH/FS) в кожному 13-у кадрі передається пакет інформації каналу SACCH, кожний 26-й кадр вільний. В напівшвидкісному (TCH/HS) каналі зв'язку інформація каналу SACCH передається в кожному 13-у і 26-у кадрах мультикадра. Швидкість передачі інформаційних повідомлень складає 22,8 кбит/с (24 кадри по 114 біт за 120 мс) для повношвидкісного каналу або по 11,4 кбит/с на кожний з двох напівшвидкісних каналів. Повна швидкість передачі в з'єднаному каналі TCH/SACCH складає 24,7 кбит/с. Швидкий суміщений канал управління FACCH передається половиною інформаційних біт часового інтервалу TDMA кадру в каналі ТСН, з яким він поєднується у восьми послідовних кадрах.

Для передачі каналів управління (крім FACCH і SACCH) використовується 51-кадровий мультикадр. На рис. 5.6 показана структура мультикадра при передачі з'єднаного каналу ВССН/СССН в напрямі "вниз".

інформація для синхронізації несучої (канал FCH); • дозвіл доступу рухомої станції (канал AGCH); • виклик рухомої станції (канал РСН), якщо ініціатором виклику є мережа. По сигналах каналу ВССН РС виміряє рівень сигналу БС робочої ("своєї") комірки і до 16 суміжних комірок, а також код якості сигналу, що приймається, в робочій комірці. Канал ВССН/СССН "вгору" використовується лише для передачі сигналів паралельного доступу RACH, який є єдиним каналом управління від рухомої станції до мережі. При цьому рухома станція може використовувати для здійснення доступу до мережі нульовий інтервал в будь-якому з кадрів. Повна швидкість передачі для каналу ВССН, а також для каналу AGCH/PCH складає 1,94 кбит/с (4 рази по 114 біт за 235мс). Існують і інші структури, які можуть використовуватися в 51-кадровому мультикадрі. Ці структури називають" змінними", оскільки вони залежать від навантаження в мережі.

В стандарті GSM строго визначені часові і спектральні характеристики В стандарті GSM строго визначені часові і спектральні характеристики випромінюваних сигналів. Різні форми огинаючих випромінюваних сигналів відповідають різним тривалостям інтервалу АВ (88 біт) відносно до інших інтервалів TDMA-кадру (148 біт). Слід зазначити, що в стандарті GSM застосовується спектрально- ефективна гауссовська частотна маніпуляція GMSK. При цьому методі несуча частота дискретно, через інтервали часу, кратні періоду Тb бітової модулюючої послідовності, приймає одне з двох значень:

Додатковий матеріал: Додатковий матеріал: Взаємодія радіоінтерфейсу з мережею GSM Обслуговування абонента і функціонування всієї системи реалізується через ряд процедур. Пояснимо в спрощеному вигляді деякі з них. Підключення РС (перша реєстрація) При ввімкненні живлення приймач РС, перебудовуючись по частоті, шукає сигнал з максимальним рівнем (використовується логічний контрольний канал В). Після вибору частотного радіоканалу РС здійснює підстроювання частоти і кадрову синхронізацію (логічні канали F і S). По відомому формату загального сигналу РС може визначити характер службової інформації в наступних циклах доступу. Проте мережа не знає про появу нової активної РС. Для першої реєстрації РС використовується логічний канал доступу R, спільний для всіх РС даної зони. Тому можливі конфліктні ситуації у випадках, коли декілька РС одночасно намагатимуться зв'язатися з БС по цьому каналу. Для вирішення конфлікту використовується алгоритм асинхронного випадкового множинного доступу типу ALOHA. Сигнал доступу містить ідентифікатор даної РС (IMSI), за яким мережа дізнається про появу нової РС. Для виключення несанкціонованого використовування ресурсів мережі необхідно перевірити автентичність абонента (точніше, SIM-карти). З цією метою проводяться процедури аутентифікації і ідентифікації. У разі позитивного підсумку аутентифікації і ідентифікації дана РС вважається активною, запам'ятовується код зони її місцезнаходження.

У ВРМ їй привласнюється часовий ідентифікатор TMSI, який передається на РС як підтвердження реєстрації, що відбулася (логічний канал дозволу доступу G). У ВРМ їй привласнюється часовий ідентифікатор TMSI, який передається на РС як підтвердження реєстрації, що відбулася (логічний канал дозволу доступу G). У разі негативного результату процедур аутентифікації і ідентифікації подальші дії визначаються адміністрацією мережі, яка, наприклад, може санкціонувати повторну спробу реєстрації. Таким чином, в результаті проведення процедури під'єднання мережі відомо, що РС з номером IMSI активна і знаходиться в зоні LAI, що обслуговується відповідною БС. В пам'яті РС зберігається той же LAI. Для виконання під'єднання були потрібні логічні канали контролю, підстроювання частоти, синхронізації, доступу і дозволу доступу. Від'єднання РС При переході в пасивний стан РС посилає повідомлення про від'єднання, щоб мережа не шукала її при вхідному виклику. Можливо, що через перешкоди в радіоканалі це повідомлення не дійде до КБС, і мережа буде помилково рахувати цю РС активною. Підтвердження про отримання сигналу про від'єднання БС не може послати РС, оскільки остання може бути вже знеструмленою.

Для розв'язання цієї ситуації використовується процедура періодичної реєстрації. В активному стані РС через установлений час (наприклад, 10... 15хв.) зобов'язана проводити реєстрацію, подібну першій при підключенні. Якщо РС не підтверджує свою працездатність протягом певного проміжку часу, вона вважається вимкненою, що і підтверджується опусканням прапорців у ВРМ і ДРМ проти ідентифікаторів відповідно TMSI і IMSI. Вхідний виклик Вхідний виклик (див. рис. 5.7) поступає на комутатор через міжмережевий комутаційний центр рухомого зв'язку МКЦРЗ (GMSC – gateway mobile services switching сеnter), в якому визначається ідентифікаційний номер (IMSI) мобільного абонента, що викликається, і перевіряється відповідність запису в ДРМ (2) і ВРМ (3). Дані повертаються в МКЦРЗ (4), після чого відповідальність за з'єднання передається тому ЦКМЗ, в чиїй зоні обслуговування передбачається поточне знаходження РС (5), яка викликається. Статус цієї РС запрошується у ВРМ (6).

Якщо ВРМ підтверджує (7) досяжність РС, яка викликається, то виклик прямує (8) відповідним підсистемам БС (ПБС). Мовна адреса передається всіма БС, для чого використовується логічний канал пошуку С. Мобильна станція у вільному стані безперервно контролює цей канал. Якщо РС відповідає на виклик якої-небудь БС (9), то проводиться процедура ідентифікації і аутентифікації (10). У разі їх успішного завершення ВРМ передає ЦКМЗ (И), що з'єднання може бути встановлено (12). Якщо ВРМ підтверджує (7) досяжність РС, яка викликається, то виклик прямує (8) відповідним підсистемам БС (ПБС). Мовна адреса передається всіма БС, для чого використовується логічний канал пошуку С. Мобильна станція у вільному стані безперервно контролює цей канал. Якщо РС відповідає на виклик якої-небудь БС (9), то проводиться процедура ідентифікації і аутентифікації (10). У разі їх успішного завершення ВРМ передає ЦКМЗ (И), що з'єднання може бути встановлено (12). Початковий виклик Нехай РС активна і вільна. Абонент, який хоче зв'язатися з іншим користувачем, повинен набрати весь номер абонента, що викликається, і лише після цього почати процес встановлення з'єднання. Це дозволяє усунути помилки в наборі номера (20% відмов в наданні потрібного з'єднання) і скоротити час на передачу цифр в КБС. За командою "Виклик" РС, використовуючи логічний канал доступу, передає повідомлення КБС на встановлення з'єднання. КБС перевіряє категорію абонента (клас обслуговування), відзначає його як зайнятий і посилає РС по каналу D підтвердження, що запит доступу прийнятий. Тепер РС може передавати цифри номера абонента, що викликається, в КБС, який запускає раніше розглянуту процедуру пошуку. Підтвердження встановлення з'єднання і вказівка про перехід на двосторонній користувацький канал передаються РС після відповіді РС, яку викликають.