Дисциплина: Теоретические основы технической эксплуатации оборудования мобильной связи Лекция 2 Общие вопросы проектирования телекоммуникационных ячеек
Вопросы для рассмотрения: Принципы построения систем сотовой связи стандарта GSM
Структура сети сотовой связи GSM GSM это сокращенное название системы сотовой связи Global System for Mobile communication. Сеть сотовой связи состоит из большого числа развернутых на местности приемопередатчиков, зоны обслуживания которых частично перекрываются. Принцип повторного использования частот в сети позволяет добиться высокой плотности трафика на больших территориях. Поскольку уровень мощности, излучаемой терминалами (телефонами) сотовой связи ограничен, на местности приходится размещать большое количество базовых станций, обслуживающих небольшие площади.
Несколько базовых станций объединяются в ячейку, часто представляемую в виде правильного шестиугольника. Совокупность таких ячеек на местности похожа на пчелиные соты. Отсюда и это вид связи получил свое название сотовая связь. Сеть сотовой связи стандарта GSM подразделяется на три элемента: мобильные станции, которыми пользуются ее абоненты; базовые станции, управляющие процессом соединения с мобильными станциями; коммутационные центры мобильной связи, обеспечивающие коммутацию соединений между абонентами мобильных станций и абонентов мобильных станций с абонентами телефонных сетей общего пользования и наоборот.
Вызовы В системе GSM используется принцип временного разделения каналов с множественным доступом (TDMA Time Division Multiple Access). При этом сигналы с базовой станции (BS Base Station) передаются на мобильную станцию (MS Mobile Station) и наоборот. В состав базовой станции входят трансивер или приемопередающее устройство (BTS Base Tranceiver Station) и контроллер (BSC Base Station Controller). Как правило, один BSC обслуживает 2030 BTS, а коммутационный центр мобильной связи (MSC Mobile Switching Centre) управляет трафиком (потоками информации) между разными ячейками сотовой связи на основе сигналов, получаемых от базовых станций.
Регистрация посетителя (VLR Visitor Location Register), относящегося к «чужой» сети, является одной из функций MSC. При появлении в сети «чужого» абонента он сверяет его данные с имеющимися в памяти и либо разрешает (если роуминг данному абоненту разрешен), либо отказывает (если роуминг запрещен) этому абоненту в доступе к сети.
Каналы и обработка сигналов Каналы в системе сотовой связи стандарта GSM делятся на два класса: логические и физические. Физические каналы характеризуются их частотными параметрами, в частности, диапазоном, частотами приема и передачи базовых и мобильных станций, и временными параметрами или параметрами используемых временных слотов. Логические каналы так и называются, потому что они логически распределяются в физических каналах. Физические каналы используются для передачи сигналов логических каналов управления или каналов трафика. Что и когда передается по физическому каналу, определяется конкретным промежутком времени.
Каждому физическому каналу, представляющему собой пару частот передачи и приема, присваивается номер. Рассчитать частоту канала п можно по формулам: Fjx = ,2-п (МГц), где 1 < п < 124; Frx = FTx + 45 (МГц), где Frx и Ftx обозначают соответственно частоты приема и передачи.
Как было сказано выше, эти данные представляют собой логический канал. Он состоит из канала трафика TCH (Traffic Channel), используемый главным образом для передачи речевой информации, и широковещательного канала ВСН (Broadcast Channel) для передачи сигналов управления. Основное назначение канала ВСН передача информации от базовой станции на мобильную с целью синхронизации работы, идентификации, вызова и управления соединением. Его сигнал постоянно излучается каждой базовой станцией сотовой связи, а мобильная станция всегда ищет для соединения ту базовую станцию, принимаемый сигнал которой максимален.
Структура канала ВСН включает: канал коррекции частоты FCCH (Frequency Correction Channel); канал синхронизации SCH (Synchronization Channel); широковещательный канал управления ВССН (Broadcast Control Channel).
Общий канал управления ССН (Common Control Channel) играет роль доски объявлений и состоит в свою очередь из двух каналов канала вызова РСН (Paging Channel) и канала предоставления доступа AGCH (Access Grant Channel). Медленный управляющий канал взаимодействия SACCH (Slow Associated Control Channel) присутствует в сигнале каждые 12 фреймов и служит для управления мощностью передающего устройства и синхронизации работы мобильной станции, передачи служебной информации на мобильную станцию, передачи от нее на соседние базовые станции информации об уровне и качестве приема. Быстрый канал обмена сигналами управления FACCH (Fast Associated Control Channel) остается невидимым и включается в работу при необходимости обеспечения хэндовера мобильной станции, изменяя при этом канал трафика ТСН.
Выделенный канал управления SDCCH (Stand-alone Dedicated Control Channel) и канал случайного доступа RACH (Random Access Channel) работают в процессе установления соединения. Каждой MS присваивается уникальный идентификационный номер, и, как только телефон включают, происходит его немедленная регистрация и аутентификация в сети. Это позволяет немедленно найти абонента сотовой связи, где бы он ни находился при условии, что его MS находится в зоне покрытия сети.
В процессе сеанса связи передаются функциональные блоки данных: VLR (Visitor Location Register) регистрационные данные посетителя сети. Данные, хранящие информацию о абоненте, который работает в данной сети в качестве роумера (т. е. пользователя «неродной» сети, с которой она имеет соглашение о роуминге). При входящих звонках на мобильный телефон абонента происходит запрос его VLR данных; HLR (Home Location Register) регистрационные данные пользователя в «домашней» сети. При этом идет обращение к базе данных оператора сотовой связи, услугами которого пользуется абонент. Например, возможности доступа, подключенные услуги, дополнительные услуги. Также в состав этих данные входят и VLR данные. При перемещениях абонента соответствующим образом модифицируются и его регистрационные данные. И еще эти данные поступают на MSC для обеспечения немедленного перенаправления вызовов на мобильную станцию абонента;
AUC (Authentication Center) аутентификационный центр. Хранимая в нем информация необходима для защиты связи от прослушивания и постороннего доступа. То есть, доступность абонента возможна только при использовании его аутентификационных данных, что обеспечивает необходимую конфиденциальность связи; EIR (Equipment Identity Register) регистрационные данные используемого оборудования. Для повышения уровня безопасности связи оператор может ввести использование и индивидуальных данных о мобильной станции абонента. В этом случае SIM-карта абонента может быть использована только в одном конкретном аппарате сотовой связи; SIM (Subscriber Identity Module идентификационный модуль абонента) или по-другому SIM-карта, представляющая собой микросхему памяти с запрограммированными в ней идентификационными данными абонента, вмонтированную в карту небольших размеров, устанавливаемую в специальный слот сотового телефона.
Как было сказано выше, мобильные телефоны системы GSM используют принцип временного кодирования сигналов с множественным доступом или TDMA (Time Division Multiple Access). Это значит, что при разговоре абонента сигналы от его телефона передаются короткими пачками импульсов пакетами, которые включают помимо передаваемой информации и служебную. Соответственно, аналоговые сигналы перед подачей их на модулятор должны быть оцифрованы, и все сигналы обработаны процессором, чтобы занять свое, определенное для них в пакете место. На одном частотном канале (в GSM ширина его полосы составляет 200 кГц) могут вести переговоры несколько абонентов одновремено. В пределах одной соты может быть задействовано несколько таких каналов.
Речевой сигнал после цифро-аналогового преобразователя представляет собой цифровую последовательность, которая после преобразования ее в параллельный код подается на синфазно- квадратурный или I/Q (In-phase/Quadrature) модулятор. В современных системах мобильной цифровой связи используются именно I/Q модуляторы. Они позволяют получить сигналы практически со всеми видами модуляции, используемыми в таких системах, реализовать метод модуляции с постоянной огибающей, отличающийся от других высокими энергетическими характеристиками. На рис. 1.4 показана упрощенная схема I/Q модулятора. Из нее видно, что сигнал опорной частоты подается на фазовращатель, который формирует из него два одинаковых сигнала, сдвинутых по частоте на 90°. В результате сложения этих сигналов и получают модулированный радиочастотный сигнал. Фильтры нижних частот на входе модулятора предназначены для сглаживания фронтов импульсов. Их обычно называют предмодуляциоиными фильтрами.
В современных мобильных телефонах наиболее широкое применение нашли приемники прямого преобразования или DCR (Direct Conversion Receiver). Принцип работы такого приемника прост: принимаемый сигнал подается на преобразователь частоты, на который одновременно подается и сигнал гетеродина с частотой, равной частоте принимаемого сигнала. В результате выделяется информационный сигнал. Соответственно приемник прямого преобразования для приема сигналов GSM должен обеспечить возможность выделения квадратурных каналов I и Q.