Глава 3 – Концепция построения каналов в системе gsm

3.1. Физические и логические каналы

Каждый временной интервал (time slot - TS) внутри кадра TDMA называется физическим каналом. В системе GSM используется 8 физических каналов на одной несущей частоте.

Физический канал предназначен для передачи речи, данных или сигнальной информации.

Рис 3.1. Организация каналов TDMA

По физическому каналу могут передаваться любые сообщения. Последнее зависит от информации, которую нужно передать. Информация по каналам передается в виде логических сообщений. В соответствии с типами сообщений каналы подразделяются на различные типы логических каналов, то есть в зависимости от типа передаваемого сообщения физическому каналу присваивается определенное наименование. Например, один из физических каналов используется для передачи трафика, то есть трафик передаётся по каналам TCH – Traffic Channel, в виде речевых сообщений - Traffic messages), в то время как хэндоверные команды передаются, используя сообщения канала управления с быстрым доступом Fast Associated Control Channel (FACCH).

3.1.1. Логические каналы

В системе GSM существует большое количество логических каналов, которые разработаны для передачи различной информации к/от MS.

Информация, передаваемая от и к MS должна всегда передаваться корректно, таким образом, чтобы принимающее устройство могло правильно разобрать, что означает каждый переданный бит информации. Как упоминалось выше, пакет передачи (burst), используемый для передачи трафика, помимо речи передаёт другие вспомогательные данные, такие как тестовая последовательность. Существует несколько типов пакетов (burst). Соотношения между пакетами и логическими каналами показано на рис 3.2.

Рис. 3.2 Логические каналы и пакеты

3.1.1.1 Каналы управления

Когда мобильная станция включается, она начинает искать BTS, чтобы соединиться с ней. MS сканирует весь частотный диапазон или, в качестве варианта, использует список частот, принадлежащих оператору. Когда MS находит несущую с самым большим уровнем сигнала, она должна определить канал управления. Первый из каналов, который MS должна найти – это широковещательный логический канал Broadcast Control Channel (BCCH) - канал управления с широковещательной передачей.

Несущая частота BCCH содержит важную информацию для MS, включающую, например, идентификатор зоны местоположения (LA), идентификатор сети, информацию о синхронизации. Без такой информации MS не может работать с сетью. Данная информация передается в определённом временном интервале и называется широковещательной информацией, так как предназначена всем MS, способным получить доступ к этой несущей. Именно поэтому канал Broadcast Channel (BCH) называется широковещательным.

После того, как MS закончит анализировать информацию на канале BCH, она будет располагать всей информацией, необходимой для нормального функционирования и работы с сетью. Однако, если MS переходит в другую соту (этот процесс называется роуминг - roaming), она должна повторить всю процедуру сканирования системы, читая информацию на каналах FCCH, SCH, BCCH.

Если абонент инициализирует вызов с помощью MS, то мобильная станция должна использовать общий канал управления Common Control CHannel (CCCH).

Таблица 3.1 – Информация о канале BCH.

Таблица 3.2 – Информация о канале CCCH.

На этой стадии MS и BSS готовы выполнить процедуры установления соединения. Для этого MS и BSS используют выделенные каналы управления - DCCH (Dedicated Control channel).

Таблица 3.3 – Информация о каналах DCCH.

3.1.1.2 Каналы для передачи трафика

После завершения процедуры установления соединения по физическому каналу управления, MS настраивается на физический канал передачи трафика. Для этого используется логический канал TCH (Traffic Channel). Существует два типа каналов TCH:

Полноскоростной канал (FR-TCH): передача осуществляется со скоростью 13 кбит/сек. То есть TCH занимает под трафик один физический канал.

Полускоростной канал (HR-TCH): передача осуществляется со скоростью 6.5 кбит/сек. Два полускоростных канала занимают один физический канал, тем самым увеличивая пропускную способность соты вдвое.

3.1.2. Пакеты (Bursts)

В структуре кадра TDMA для передачи информации по каналам связи и управления, подстройки несущих частот, обеспечения временной синхронизации и доступа к каналу связи используются пять видов пакетов (bursts):

Таблица 3.4 – Типы пакетов

Нормальный пакет – NB (Normal Burst)

NB используется для передачи информации по каналам связи и управления, за исключением канала доступа RACH. Он состоит из 114 бит зашифрованного сообщения и включает защитный интервал (GP) в 8,25 бит длительностью 30,46 мксек. Информационный блок в 114 бит разделен на два самостоятельных блока по 57 бит, отделенных друг от друга обучающей последовательностью в 26 бит, которая используется для установки эквалайзера в приемнике в соответствии с характеристиками канала связи в данный момент времени.

В состав NB включены два контрольных бита (Steeling Flag), которые служат признаком того, какую информацию содержит передаваемая группа: речевую информацию или информацию сигнализации. В последнем случае информационный канал (Traffic Channel) используется для обеспечения сигнализации, то есть «украден» у канала трафика.

Между двумя группами зашифрованных бит в составе NB находится обучающая последовательность из 26 бит, известная в приемнике. С помощью этой последовательности обеспечивается:

- оценка частоты появления ошибок в двоичных разрядах по результатам сравнения принятой и эталонной последовательностей. В процессе сравнения вычисляется параметр RXQUAL, принятый для оценки качества связи. Конечно, речь идет только об оценке связи, а не о точных измерениях, так как проверяется только часть передаваемой информации. Параметр RXQUAL используется при вхождении в связь, при выполнении процедуры хэндовера и при оценке зоны покрытия радиосвязью;

- оценка импульсной характеристики радиоканала на интервале передачи NB для последующей коррекции тракта приема сигнала за счет использования адаптивного эквалайзера в тракте приема;

-определение задержек распространения сигнала между базовой и подвижной станциями для оценки дальности связи. Эта информация необходима для того, чтобы пакеты данных от разных подвижных станций не накладывались при приеме на базовой станции. Поэтому удаленные на большее расстояние подвижные станции должны передавать свои пакеты раньше станций, находящихся в непосредственной близости от базовой станции.

Пакет подстройки частоты – FCB (Frequency Correction Burst)

FCB предназначен для синхронизации по частоте подвижной станции. Все 142 бита в этом временном интервале – нулевые, что соответствует немодулированной несущей со сдвигом 1625/24 кГц выше номинального значения частоты несущей. Это необходимо для проверки работы своего передатчика и приемника при небольшом частотном разносе каналов (200 кГц), что составляет около 0,022% от номинального значения полосы частот 900 МГц. FCB содержит защитный интервал 8,25 бит так же, как и нормальный пакет. Повторяющиеся пакеты подстройки частоты (FCB) образуют канал коррекции частоты (FCCH).

Пакет синхронизации – SB (Synchronization Burst)

SB используется для синхронизации по времени базовой и подвижной станций. Он состоит из синхропоследовательности длительностью 64 бита, несет информацию о номере кадра TDMA и идентификационный код базовой станции. Этот пакет передается вместе с пакетом подстройки частоты. Повторяющиеся пакеты синхронизации образуют так называемый канал синхронизации (SCH).

Установочный пакет – DB (Dummy Burst)

DB обеспечивает установление и тестирование канала связи. По своей структуре DB совпадает с NB (рис. 3.3) и содержит установочную последовательность длиной 26 бит. В DB отсутствуют контрольные биты, и не передается никакой информации. DB лишь информирует о том, что передатчик функционирует.

Пакет доступа – AB (Access Burst)

АВ обеспечивает разрешение доступа подвижной станции к новой базовой станции. АВ передается подвижной станцией при запросе канала сигнализации. Это первый передаваемый подвижной станцией пакет, следовательно, время прохождения сигнала еще не измерено. Поэтому пакет имеет специфическую структуру. Сначала передается концевая комбинация 8 бит, затем – последовательность синхронизации для базовой станции (41 бит), что позволяет базовой станции обеспечить правильный прием последующих 36 зашифрованных бит. Пакет содержит большой защитный интервал (68,25 бит, длительностью 252 мксек.), что обеспечивает (независимо от времени прохождения сигнала) достаточное временное разнесение от пакетов других подвижных станций.

Этот защитный интервал соответствует двойному значению наибольшей задержки сигнала в рамках одной соты и тем самым устанавливает максимально допустимые размеры соты. Особенность стандарта GSM – возможность обеспечения связью подвижных абонентов в сотах с радиусом около 35 км. Время распространения радиосигнала в прямом и обратном направлениях составляет при этом 233,3 мксек.

3.1.2.1. Соотношения между временными интервалами и кадрами

Рис. 3.3. Соотношения между временными интервалами и кадрами

3.2. Размещение логических каналов на физических каналах

Известно, что логические каналы образуются с помощью физических каналов. Метод размещения логических каналов на физических называется «отображением» - mapping.

Несмотря на то, что большинство логических каналов занимают только один временной интервал, некоторые логические каналы могут занимать более чем 1 TS. В этом случае информация логических каналов передаётся в одном и том же временном интервале физического канала в последовательных кадрах TDMA.

Поскольку логические каналы являются короткими, несколько логических каналов могут занимать один и тот же физический канал, что позволяет более эффективно использовать временные интервалы.

На рис. 3.4. показан случай, когда на одной несущей соты каналом DCCH из-за высокой нагрузки занимается дополнительный временной интервал.

Рис. 3.4. Размещение логических каналов на физических каналах

3.2.1. Несущая «0», временной интервал «0»

Нулевой временной интервал на нулевой несущей частоте в соте всегда резервируется для сигнализации. Таким образом, когда MS определила, что несущая частота является несущей BCCH, она знает, где и как считывать информацию.

При направлении передачи от BTS к MS (downlink) передается информация BCH и CCCH. Единственным каналом, по которому информация передается только в направлении от MS к BTS (uplink), является канал RACH. Канал для передачи информации RACH всегда свободен, поэтому MS может осуществить доступ в сеть в любое время.

3.2.2. Несущая «0», временной интервал «1»

Как правило, первый («1») временной интервал на нулевой несущей частоте в соте также всегда резервируется для сигнальных целей. Единственным исключением являются соты, где наблюдаются высокий или низкий трафик.

Как видно из рис. 3.4, если трафик в соте большой, то в целях установления соединения может быть занят третий физический канал, используя DCCH. Этим каналом может быть любой временной интервал, исключая временные интервалы «0» и «1» на несущей «0».

Это же происходит и тогда, когда нагрузка в соте низкая. В этом случае есть возможность занять временной интервал «0» на несущей «0» для передачи/приёма всей сигнальной информации: BCH, CCCH и DCCH. Таким образом, физический канал «1» может быть освобождён под трафик.

Восемь SDCCH каналов и 4 SACCH канала могут совместно использовать один и тот же физический канал. Это означает, что на одном физическом канале может быть установлено одновременно 8 соединений.

3.2.3. Несущая «0», временные интервалы со второго по седьмой и все остальные временные интервалы других несущих той же самой соты

Все остальные интервалы, кроме сигнальных интервалов «0» и «1» используются в соте под трафик, то есть для передачи речи или данных. В этом случае используется логический канал TCH.

Дополнительно MS во время разговора передает результаты измерений уровня сигнала, качества, временной задержки. Для этой цели используется канал SACCH, занимая на время один временной интервал TCH.

3.3. Пример обслуживания входящего вызова к MS

Рис. 3.5 схематично показывает обслуживание входящего вызова к MS и использование различных каналов управления.

Рис. 3.5. Вызов к MS

2 – PCH, 3 – RACH, 4- AGCH, 5 – SDCCH, 6 - TCH

MSC/VLR располагает информацией о том, в какой LA находится MS. Сигнальное сообщение пейджинга передаётся тем BSC, который контролирует данную LA.

BSC распределяет вызывное сообщение между всеми базовыми станциями в требуемой LA. Базовые станции передают вызывные сообщения через эфир, используя канал PCH.

Когда MS обнаруживает идентифицирующий ее PCH, она осуществляет запрос на выделение канала управления через канал RACH.

BSC использует канал AGCH для информирования MS о том, какие каналы SDCCH и SACCH она может использовать.

SDCCH и SACCH используются для установления соединения. Занимается канал ТСН, а канал SDCCH освобождается.

MS и BTS переключаются на частоту канала TCH и выделенный под этот канал временной интервал. Если абонент отвечает, то соединение устанавливается. В процессе разговора радиосоединение контролируется посредством информации, передаваемой и получаемой MS по каналу SACCH.

5. Что такое физический канал, его предназначение.

6. Для чего используются логические каналы?

7. Что такое NB, параметры?

8. Рассказать про mapping.