Метрология мобильных систем связи

Архитектура GSM-системы.

 

Центр коммутации BCS Контроллер базовых станций База данных пользователей

Базовая станция BTS

 
                                                     МТ (мобильный терминал)

Внешние сети

                               

                               

В каждой соте действует (см. приложение 1, стр. 25) базовая станция BTS (Base Tranciever Station), обеспечивающая прием и передачу радиосигналов абонентам. Базовая станция имеет диапазон частот, отличный от диапазонов соседних сот. Мобильная ячейка прослушивает соседние базовые станции и сообщает контроллеру базовых станций (Base Station Controller) о качестве приема с тем, чтобы контроллер мог своевременно переключить ячейку на нужную станцию. Центр коммутации (Mobile services Switching Centre - MSC) осуществляет коммутацию и маршрутизацию, направляя вызовы нужному абоненту, в том числе во внешние сети общего пользования. В базе данных хранятся сведения о местоположении пользователей, технических характеристиках мобильных станций, данные для идентификации пользователей.

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 Dfk=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 2.1  - 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 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.

2.1.1. 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 2.2

Рисунок 2.2 - Принцип формирования GMSK-сигнала

 

 

2.1.2. 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 (см. приложение 2, стр 25). При передаче сообщений предусматривается адаптивная регулировка мощности передатчика, обеспечивающая требуемое качество связи. Подвижная и базовые станции независимы друг от друга.

 

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.

 

 

2.2 Система сотовой связи стандарта NMT-450/900

Разработка системы сотовой связи стандарта NMT-450 была закончена в 1978 г., а эксплуатация первых систем сотовой подвижной радиотелефонной связи общего пользования этого стандарта началась в 1981 г. К 1985 г. число абонентов системы достигло 180 тысяч. Изначально системы стандарта NMT (Nordic Mobile Telephone) были предназначены для 5 североевропейских стран. Это были аналоговые системы первого поколения, которые работали в диапазоне 450-467 МГц и имели 180 каналов связи шириной по 25 кГц каждый. За счет многократного использования частот эффективное число каналов составляло 5568. Среднее число каналов, выделяемое базовым станциям, было равно 30. Ячейки с радиусом, находящимся в диапазоне 5-25 км, покрывали территории этих стран. Сети на основе модификаций данного стандарта находят применение во многих странах мира и в настоящее время благодаря большой зоне обслуживания, низкой цене установки и запуска, наращиваемости и простоте технического обслуживания. Характерной особенностью стандарта является то, что все подвижные абоненты имеют возможность работать в любой из стран, входящих в систему, благодаря тому, что подвижные станции полностью совместимы со всеми базовыми станциями системы любой страны. В настоящее время более 40 стран мира используют системы сотовой подвижной связи стандартов NMT-450 и NMT-900, работающие в диапазоне частот 450 и 900 МГц соответственно. Основное различие между этими стандартами заключается в том, что с повышением используемых частот стало возможным уменьшение габаритов радиотелефона, а также расширение спектра услуг связи и управления. К основным достоинствам стандарта NMT следует отнести надежную работу на открытых пространствах и возможность брать телефон с собой в поездку в те страны, где используется этот стандарт. Система сотовой связи NMT-450 предназначена для обслуживания наземных подвижных абонентов, но может быть использована и морскими подвижными службами вблизи берега. Система сотовой связи стандарта обеспечивает:

• вхождение в связь и регистрацию стоимости разговора в автоматическом режиме;
• организацию связи между подвижной станцией и любым абонентом стационарной телефонной сети или с любой включенной в систему подвижной станцией, независимо от страны;
• автоматический поиск подвижного абонента в пределах объединенных сетей сотовой связи.

Системы сотовой связи этого стандарта, кроме передачи речевых сообщений на местном, междугородном и международном уровнях, позволяют отправлять телефаксы и иметь доступ к базам данных (со скоростью передачи в пределах 4,8 Кбит/с), а также предоставляют абонентам следующие сервисные услуги: переадресацию вызова на другой номер, ограничение вызова (продолжительности разговора), конференцсвязь трех абонентов, организацию пользовательских групп с сокращенным набором номера и т.п.

Стандарт NMT-450 был усовершенствован: увеличилась производительность системы связи; повысилось качество работы; произведена защита доступа к сети с помощью системы идентификации абонента, исключившая возможность пиратского использования канала связи. Эта доработанная версия стандарта получила обозначение NMT-450i. Основной ее особенностью является применение так называемой SS №7 (Сигнализации номер 7 по спецификации МККТТ), что позволяет быстрее переключать абонентские станции на обслуживание другой базовой станцией при перемещениях абонента, выполнять функции их идентификации и снижать потребление энергии радиотелефонами. 

Основные характеристики стандарта NMT-450 сохранены и в более новой его версии NMT-900. Основные технические характеристики стандартов представлены в таблице 6.6.

Таблица 6.6

Основные технические характеристики NMT-450 и NMT-900

Наименование параметра	NMT-450 (NMT-450i)	NMT-900
Полоса частот, МГц: для передачи подвижной станцией для приёма подвижной станцией	453,0-457,5 463,0-467,5	890-915 935-960
Частотный разнос каналов, кГц	25 (20)	25
Количество каналов	180 (225)	999
Дуплексный разнос каналов приёма и передачи, МГц	10	45
Мощность передатчика базовой станции, Вт	до 50	до 25
Мощность передатчика подвижной станции, Вт	15 1,5 0,15	6 1 0,1
Радиус ячейки, км	15-40	2-20

 

Как следует из таблицы 6.6, рабочие частоты стандарта NMT-450 находятся в двух полосах: 453,0-457,5 и 463,0-467,5 МГц, т.е. разнос каналов приёма и передачи равен 10 МГц.

Поскольку общее число каналов ограничено (разнос соседних каналов равен 20-25 кГц), то для того, чтобы увеличит абонентскую ёмкость системы, предусматривается организация малых зон связи.

 

2.3. Система сотовой подвижной  связи стандарта D-AMPS

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.