2.3.2. Цифровые системы сотовой связи

Сотовые сети стандарта GSM

В соответствии с рекомендацией СЕРТ 1980 г., касающейся использования частот подвижной связи в диапазоне 862-960 МГц, стандарт GSM предусматривает работу передат­чиков в двух диапазонах частот. Полоса частот 890-915 МГц используется для передачи со­общений с ПС на БС, а полоса частот 935-960 МГц - для передачи сообщений с БС на ПС. При переключении каналов во время сеанса связи разность между этими частотами постоян­на и равна 45 МГц. Разнос частот между соседними каналами связи составляет 200 кГц. Та­ким образом, в отведенной для приема/передачи полосе частот шириной 25 МГц размещает­ся 124 канала связи [8, 10, 20, 21, 26, 43, 59].

В стандарте GSM используется TDMA, что позволяет на одной несущей частоте раз­местить одновременно 8 речевых каналов. В качестве речепреобразующего устройства ис­пользуется речевой кодек RPE-LTP с регулярным импульсным возбуждением и скоростью преобразования речи 13 кбит/с.

Для защиты от ошибок, возникающих в радиоканалах, применяется блочное и свер-точное кодирование с перемежением. Повышение эффективности кодирования и перемеже-ния при малой скорости перемещения ПС достигается медленным переключением рабочих частот в процессе сеанса связи со скоростью 217 скачков в секунду.

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

Для модуляции радиосигнала применяется спектрально-эффективная гауссовская час­тотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Обработка речи в данном стандарте осуществляется в рамках системы прерывистой передачи речи DTX (Discontinuous Transmission).

Оборудование сетей GSM включает в себя подвижные (радиотелефоны) и базовые станции, цифровые коммутаторы, центр управления и обслуживания, различные дополни­тельные системы и устройства. Функциональное сопряжение элементов системы осуществ­ляется с помощью ряда интерфейсов. На структурной схеме (рис. 2.12) показано функцио­нальное построение и интерфейсы, принятые в стандарте GSM.

MS состоят из оборудования, которое предназначено для организации доступа абонен­тов GSM к существующим сетям связи. В рамках стандарта GSM приняты пять классов ПС: от модели 1-го класса с выходной мощностью до 20 Вт, устанавливаемой на транспортных средствах, до модели 5-го класса с максимальной выходной мощностью до 0,8 Вт (табл. 2.5). При передаче сообщений предусматривается адаптивная регулировка мощности передатчи­ка, обеспечивающая требуемое качество связи. ПС и БС независимы друг от друга.

MS - подвижная станция EIR - регистр идентификации оборудования

BTS - базовая станция ОМС - центр управления и обслуживания

BSC - контроллер базовой станции NMC - центр управления сетью

ТСЕ – транскодер ADC - административный центр

BSS - оборудование базовой станции (BSC+TCE+BTS) PSTN - телефонная сеть общего пользования

MSC - центр коммутации подвижной связи PDN - сети пакетной передачи

HLR - регистр положения ISDN - цифровые сети с интеграцией служб

VLR - регистр перемещения SSS - подсистема коммутации

AUC - центр аутентификации

Рис. 2.12. Структурная схема сети стандарта GSM

Каждая ПС имеет свой МИН - международный идентификационный номер (IMSI), за­писанный в ее памяти. Каждой ПС присваивается еще один МИН - IMEI, который использу­ется для исключения доступа к сетям GSM с помощью похищенной станции или станции, не обладающей такими полномочиями. Оборудование BSS состоит из контроллера базовых станций BSC и собственно прие­мопередающих базовых станций BTS. Один контроллер может управлять несколькими станциями. Он выполняет следующие функции: управление распределением радиоканалов; контроль соединения и регулировка их очередности; обеспечение режима работы с «пры­гающей» частотой, модуляция и демодуляция сигналов, кодирование и декодирование сооб­щений, кодирование речи, адаптацию скорости передачи речи, данных и сигналов вызова; управление очередностью передачи сообщений персонального вызова.

Транскодер ТСЕ обеспечивает преобразование выходных сигналов канала передачи речи и данных MSC (64 кбит/с) к виду, соответствующему рекомендациям GSM по радиоин­терфейсу (13 кбит/с). Транскодер обычно располагается вместе с MSC.

Оборудование подсистемы коммутации SSS состоит из ЦК подвижной связи MSC, ре­гистра положения HLR, регистра перемещения VLR, центра аутентификации AUC и регистра идентификации оборудования EIR.

MSC обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений ПС. Он представ­ляет собой интерфейс между сетью подвижной связи и фиксированными сетями, такими как PSTN, PDN, ISDN, и обеспечивает маршрутизацию вызовов и функцию управления вызова­ми. Кроме этого, MSC выполняет функции коммутации радиоканалов, к которым относятся эстафетная передача, обеспечивающая непрерывность связи при перемещении ПС из соты в соту, и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностей. Ка­ждый MSC обслуживает абонентов, расположенных в пределах определенной географиче­ской зоны. MSC управляет процедурами установления вызова и маршрутизации. Для PSTN он обеспечивает функции системы сигнализации SS №7, передачи вызова или другие виды интерфейсов. Также MSC формирует данные для тарификации разговоров, составляет стати­стические данные, поддерживает процедуры безопасности при доступе к радиоканалу.

MSC также управляет и процедурами регистрации местоположения и передачи управ­ления в подсистеме базовых станций (BSC). Процедура передачи вызова в сотах, управляе­мых одним КБС, осуществляется этим BSC. Если передача вызова осуществляется между двумя сетями, управляемыми разными BSC, то первичное управление осуществляется в MSC. Также в стандарте GSM предусмотрена процедура передачи вызова между контролле­рами (сетями), относящимися к разным MSC.

MSC осуществляет постоянное слежение за ПС, используя регистры: HLR (регистр положения или домашний регистр) и VLR (перемещения или гостевой регистр).

В HLR хранится та часть информации о местоположении какой-либо ПС, которая по­зволяет ЦК доставить вызов. Этот регистр содержит МИН подвижного абонента (IMSI), кото­рый используется для опознавания ПС в центре аутентификации (AUC), а также данные, необ­ходимые для нормальной работы сети GSM. Перечень этих данных представлен на рис. 2.13.

Фактически HLR является справочной БД о постоянно зарегистрированных в сети абонен­тах. В ней содержатся опознавательные адреса и номера, а также параметры подлинности або­нентов, состав услуг связи, информация о маршрутизации, данные о роуминге абонента (включая данные о временном идентификационном номере абонентаТМ81 и соответствующем VLR).

К данным, находящимся в HLR, имеют доступ все MSC и VLR сети. Если в сети име­ется несколько HLR, в БД содержится только одна запись об абоненте, поэтому каждый HLR представляет собой часть общей БД сети об абонентах. К HLR также могут получать доступ MSC и VLR, относящиеся к другим сетям, с целью обеспечения межсетевого роуминга.

Регистр перемещения (VLR) - это второе основное устройство, обеспечивающее кон­троль за передвижением ПС из соты в соту. С его помощью достигается функционирование ПС за пределами контролируемой регистром положения зоны. Когда в процессе перемеще­ния ПС переходит из зоны действия одного КБС в зону действия другого, то она регистрируется последним, т.е. в регистр перемещения заносится новая информация. Состав временны данных, хранящихся в этих регистрах, приведен на рис. 2.14. VLR содержит такие же дан ные, как и HLR, но эти данные находятся в VLR только до тех пор, пока абонент находится зоне, контролируемой VLR.

Рис. 2.13. Состав долговременных данных, хранящихся в HLR и VLR

Рис. 2.14. Состав временных данных, хранящихся в HLR и VLR

В сетях стандарта GSM соты группируются в географические зоны (LA), которым присваивается свой идентификационный номер LAC. Каждый VLR содержит данные об або­нентах в нескольких LA. При перемещении абонента из одной зоны в другую, данные о его местоположении автоматически обновляются в VLR. Если старая и новая LA находятся в зоне действия различных VLR, то данные на старом VLR стираются после их копирования в новый VLR. Текущий адрес VLR абонента, содержащийся в HLR, также обновляется.

Также VLR обеспечивает присвоение номера «блуждающей» подвижной станции [MSRN). Когда абонент принимает входящий вызов, VLR выбирает его MSRN и передает на MSC, который осуществляет маршрутизацию этого вызова к БС, в зоне действия которой на­ходится абонент. Кроме того, VLR распределяет номера передачи управления при передаче соединений от одного MSC к другому, управляет распределением новых TMSI и передает их в HLR, управляет процедурами установления подлинности во время обработки вызова. В целом VLR представляет собой локальную БД об абоненте для той зоны, где он находится, что по­зволяет исключить постоянные запросы в HLR и сократить время на обслуживание вызовов.

Для исключения несанкционированного использования ресурсов ССС в нее введены механизмы аутентификации. Центр аутентификации (AUC) состоит из нескольких блоков и формирует ключи и алгоритмы аутентификации. С его помощью проверяются полномочия абонента и осуществляется его доступ к сети. AUC принимает решения о параметрах процесса аутентификации и определяет ключи шифрования на основе БД, находящейся в регистре идентификации оборудования (EIR).

Каждый подвижный абонент на время пользования ССС получает стандартный мо­дуль подлинности абонента (SIM-карту), который содержит: IMSI, свой индивидуальный ключ аутентификации (Ki), алгоритм аутентификации (A3). С помощью информации, запи­санной в SIM-карте, в результате обмена данными между ПС и сетью, осуществляется пол­ный цикл аутентификации и разрешается доступ абонента к сети.

Регистр идентификации оборудования EIR содержит централизованную БД для под­тверждения подлинности МИН оборудования подвижной станции (IMEI). Если сеть имеет несколько EIR, то каждый EIR управляет определенными группами номеров ПС.

Центр управления и обслуживания (ОМС) обеспечивает управление элементами сети и качеством ее работы. В функции ОМС входит: регистрация и обработка аварийных сигна­лов, устранение неисправностей (автоматически или посредством обслуживающего персона­ла), проверка состояния оборудования сети и прохождения вызова ПС, управление трафи­ком, сбор статистических данных, управление ПО и БД и др.

Центр управления сетью (NMC) обеспечивает техническое обслуживание и эксплуата­цию на уровне всей сети, поддерживаемой центрами ОМС (которые обеспечивают управле­ние региональными сетями). В функции NMC входит: управление трафиком в пределах всей сети GSM, диспетчерское управление сетью в аварийных ситуацииях (выход из строя или перегрузка узлов), контроль состояния устройств автоматического управления в оборудова­нии сети, отображение состояния всей сети на дисплее операторов, управление маршрутами сигнализации и соединениями между узлами, контроль соединений между GSM и PSTN и др.

Сотовые сети стандарта D-AMPS

Стандарт D-AMPS (ADC) был разработан в США в 1990 г. Ассоциациями TIA и CTIA были приняты три внутренних стандарта: IS-54 - на систему D-AMPS (ADC); IS-55 - на двухмодовую ПС, обеспечивающую связь по двум стандартам (аналоговому и цифровому); IS-56 - на БС. В 1994 г. был принят новый стандарт IS-136 на полностью цифровую ССПС, который представляет собой усовершенствованный стандарт IS-54 [10, 21, 9].

Состав оборудования и его функциональное назначение почти полностью повторяют соответствующие положения стандарта GSM. Структурная схема ССС стандарта D-AMPS (ADC) представлена на рис. 2.15.

Сотовые сети стандарта JDC

К особенностям систем стандарта JDC относятся: прямая связь с сетями ISDN, воз­можность шифрования передаваемых сообщений, применение низкоскоростного речевого кодека VSELP со скоростью преобразования речи 11,2 кбит/с меньший, чем в D-AMPS, раз­нос частотных каналов (25 кГц) [10, 21]. MS - подвижная станция

HLR - регистр положения

BSS - оборудование базовой станции (BSC+TCE+BTS) VLR - регистр перемещения

BTS - базовая станция AUC - центр аутентификации

BSC - контроллер базовой станции EIR - регистр идентификации оборудования

ТСЕ - транскодер PSTN - телефонная сеть общего пользования

MSC - центр коммутации подвижной связи ISDN - цифровые сети с интеграцией служб

Рис. 2.15. Структурная схема системы стандарта D-AMPS

В состав ССПС стандарта JDC входят: станция управления подвижной связью - МСС (Mobile Communications Control Station); базовые станции - BS (Base Station); подвижные абонентские станции - MS (Mobile Station).

Структурная схема сетей связи JDC представлена на рис. 2.16.

Станция МСС является аналогом ЦК подвижной связи MSC в стандарте GSM. Она включает в себя подсистему управления связью подвижных абонентов G-MCC (Gate Mobile Communications Control Center); подсистему контроля перемещения абонентов V-MCC (Visit Mobile Communications Control Center), которая обеспечивает регистрацию местоположения абонентов и их соединение, а также регистр положения HLR, осуществляющий идентифика­цию подвижных абонентов и регистрацию зоны связи. Для организации служебной связи и управления между станциями управления МСС и основными ее элементами используется система сигнализации SS №7.

Сотовые сети стандарта CDMA

В настоящее время метод многостанционного доступа с кодовым разделением каналов реализован в нескольких стандартах: стандарт CDMA предложен и внедряется компанией Qualcomm, стандарт B-CDMA - компанией Inter Digital, FH/CDMA - компанией Tadiran Tele­communications. Эти стандарты значительно отличаются друг от друга по способу кодирования в каналах и методу расширения спектра. Построенные на их основе системы различаются как функциональными возможностями, так и областью применения. Ниже приводится описание стандарта CDMA IS-95 (cdmaOne) как наиболее широко используемого в настоящее время. Его первая версия была разработана компанией Qualcomm в 1994 г. Аббревиатура IS (interim standard - временной стандарт) используется для учета в TIA, а цифра означает порядковый номер. Из полного названия стандарта TIA/EIA/IS-95 видно, что в его рассмотрении принимал также участие El А, который объединяет семь крупных организаций США [10, 21, 38].

Изначально система связи cdmaOne была предназначена для работы в диапазонах час­тот 824-849 МГц (обратный канал) и 869-894 МГц (прямой канал) с дуплексным разносом 45 МГц. Общая полоса частот, занимаемая в эфире, - 1,25 МГц.

IGS - коммутатор

GLR - регистр перемещения

G-MCC - подсистема управления связью

BS - базовая станция Цифровой канал

V-MCC - подсистема контроля перемещения абонентов

MS - мобильная станция Канал сигнализации ОКС №7

HLR - регистр положения

Рис. 2.16. Структурная схема сети стандарта JDC

Передача речи и данных по стандарту IS-95 осуществляется кадрами длительностью 20 мс. При этом скорость передачи в пределах сеанса связи может изменяться от 1,2 до 9,6 кбит/с, но в течение одного кадра она остается неизменной. Если количество ошибок в кадре превышает допустимую норму, то искаженный кадр удаляется.

В стандарте CDMA передаваемую информацию кодируют и код превращают в шумо-подобный широкополосный сигнал (ШШС) так, что его можно выделить снова, только рас­полагая кодом на приемной стороне. При этом одновременно в широкой полосе частот мож­но передавать и принимать множество сигналов, которые не мешают друг другу [21, 10, 41].

Широкополосной называется система, которая передает сигнал, занимающий очень широкую полосу частот, значительно превосходящую ту минимальную ширину полосы час­тот, которая фактически требуется для передачи информации. В широкополосной системе исходный модулирующий сигнал (например, сигнал телефонного канала) с полосой всего несколько килогерц распределяют в полосе частот, ширина которой может быть несколько мегагерц. Это осуществляется путем двойной модуляции несущей передаваемым информа­ционным сигналом и широкополосным кодирующим сигналом. Основной характеристикой широкополосного сигнала является его база В, определяемая как произведение ширины спектра сигнала F на его период Т. В результате перемножения сигнала источника псевдо­случайного шума с информационным сигналом энергия последнего распределяется в широ­кой полосе частот, т.е. его спектр расширяется.

Информация может быть введена в широкополосный сигнал (ШПС) несколькими спо­собами. Наиболее известный способ заключается в наложении информации на широкополос­ную модулирующую кодовую последовательность перед модуляцией несущей для получения ШШС (рис. 2.17.). Узкополосный сигнал умножается на псевдослучайную последователь­ность (ПСП) с периодом Т, состоящую из N бит длительностью to каждый. В этом случае база ШПС численно равна количеству элементов ПСП.

Рис. 2.17. Схема расширения спектра частот цифровых сообщений

Этот способ пригоден для любой широкополосной системы, в которой для расшире­ния спектра высокочастотного сигнала применяется цифровая последовательность.

Сущность широкополосной связи состоит в расширении полосы частот сигнала, пере­даче ШПС и выделении из него полезного сигнала путем преобразования спектра принятого ШПС в первоначальный спектр информационного сигнала.

Перемножение принятого сигнала и сигнала такого же источника псевдослучайного шума (ПСП), который использовался в передатчике, сжимает спектр полезного сигнала и од­новременно расширяет спектр фонового шума и других источников интерференционных по­мех. Результирующий выигрыш в отношении сигнал/шум на выходе приемника есть функция отношения ширины полос широкополосного и базового сигналов: чем больше расширение спектра, тем больше выигрыш. Во временной области - это функция отношения скорости пе­редачи цифрового потока в радиоканале к скорости передачи базового информационного сиг­нала. Для стандарта IS-95 отношение составляет 128 раз, или 21 дБ. Это позволяет системе работать при уровне интерференционных помех, превышающих уровень полезного сигнала на 18 дЪ, так как обработка сигнала на выходе приемника требует превышения уровня сигнала над уровнем помех всего на 3 дБ. В реальных условиях уровень помех значительно меньши. Кроме того, расширение спектра сигнала (до 1,23 МГц) можно рассматривать как применение

методов частотного разнесения приема. Сигнал при распространении в радиотралте подверг- < ется замираниям вследствие многолучевого характера распространения. В частотной области это явление можно представить как воздействие режекторного фильтра с изменяющейся шириной полосы режекции (обычно не более чем на 300 кГц). В стандарте AMPS это соответст­вует подавлению десяти каналов, а в системе CDMA подавляется лишь около 25% спектра сигнала, что не вызывает особых затруднений при восстановлении сигнала в приемнике.

На рис. 2.21 приведена упрощенная структурная схема, поясняющая принцип работы системы стандарта CDMA. Информационный сигнал кодируется по Уолшу, затем смешива­ется с несущей, спектр которой предварительно расширяется перемножением с сигналом источника псевдослучайного шума. Каждому информационному сигналу назначается свой код Уолша, затем они объединяются в передатчике, пропускаются через фильтр, и общий шумоподобный сигнал излучается передающей антенной [10].

На вход приемника поступают полезный сигнал, фоновый шум, помехи от БС сосед­них ячеек и от ПС других абонентов. После ВЧ-фильтрации сигнал поступает на коррелятор, где происходит сжатие спектра и выделение полезного сигнала в цифровом фильтре с помо­щью заданного кода Уолша. Спектр помех расширяется, и они появляются на выходе корре­лятора в виде шума. На практике в ПС используется несколько корреляторов для приема сигналов с различным временем распространения в радиотракте или сигналов, передаваемых различными БС.

Рис. 2.21. Принцип работы системы сотовой связи стандарта CDMA

В системах, использующих метод CDMA, изменяя синхронизацию источника псевдо­случайного шума, можно использовать один и тот же участок полосы частот для работы во всех ячейках сети. Такое 100%-ное использование доступного частотного ресурса - один из основных факторов, определяющих высокую абонентскую емкость сети стандарта CDMA и упрощающих ее организацию. Системы на базе CDMA имеют динамическую абонентскую емкость. И хотя имеется 64 кода Уолша, этот теоретический предел не достигается в реаль­ных условиях, и абонентская емкость системы ограничивается внутрисистемной интерфе­ренцией, вызванной одновременной работой подвижных и базовых станций соседних ячеек.

Число абонентов в системе CDMA зависит от уровня взаимных помех. Согласованные фильтры БС весьма чувствительны к эффекту «ближний-дальний» (far-near problem), когда MC, расположенная вблизи базовой, работает на большой мощности, создавая недопустимо высокий уровень помех при приеме других, «дальних» сигналов, что приводит к снижению пропускной способности системы в целом. Эта проблема существует у всех CMC, однако наибольшие искажения сигнала возникают именно в CDMA-системах, работающих в общей полосе частот, в которых используются ортогональные шумоподобные сигналы. Если бы в этих системах отсутствовала регулировка мощности, то они существенно уступали бы по характеристикам сотовым сетям на базе TDMA. Поэтому ключевой проблемой в CDMA-системах можно считать индивидуальное управление мощностью каждой станции.

Эффективная работа системы с кодовым доступом возможна лишь при условии вы­равнивания сигнала от различных абонентов на входе базовой станции. Причем чем выше точность выравнивания, тем больше зона покрытия системы.