Работа базовой станции (БС)

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СОТОВЫХ СИСТЕМ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ

Изначально для  связи с подвижными объектами (абонентами) создавались отдельные ведомственные  радиотелефонные станции (РТС), например железнодорожные, речные, авиационные. Увеличение числа абонентов, а следовательно и радиостанций (РС), отсутствие координационных принципов при разработке и их эксплуатации привели к неэффективному использованию радиочастотного спектра, к их плохой электромагнитной совместимости, к невозможности дальнейшего увеличения числа абонентов. Устранение недостатков ведомственных РТС было достигнуто за счет развития радиотелефонных сетей общего пользования (РТСОП). РТСОП — это радиоавтоматическая телефонная станция, которая обеспечивает связью абонентов между собой, а также с абонентами телефонной сети общего пользования. Соединение между абонентами выполняется в дуплексном (двустороннем) режиме с автоматическим поиском канала связи [1-3,4].

Зоновая сеть радиосвязи — это радиотелефонная сеть общего пользования с большой зоной обслуживания (действия). Под зоной обслуживания будем понимать часть поверхности Земли, на которой обеспечивается радиосвязь с заданным качеством. Большая зона обслуживания — это зона обслуживания, в которой дальность радиосвязи ограничивается прямой видимостью между антеннами (L=40-60км). Отметим, что на практике зона обслуживания может уменьшаться за счет снижения мощности передатчика, применения направленных антенн, «затенения» препятствий и т.д.

Принцип построения зоновой сети радиосвязи с абонентами основан на использовании центральной радиостанции (ЦРС), антенна которой располагается в наиболее высокой точке зоны обслуживания в центре большого количества абонентов (рис.1). Топографическая структура этой сети является радиальной. Радиостанция предназначена для работы во время движения или во время остановок в неопределенных пунктах зоны обслуживания R<50 километров. Организация взаимодействия с другими телефонными сетями осуществляется через ЦРС, которая связана кабелем Е₁ с АТС [5].

Рис. 1. Зоновая сеть подвижной радиосвязи.

Недостатки зоновой радиосвязи: большая мощность передатчиков, ЦРС до 60 Вт, РС до 15 Вт; «затенение» РС препятствиями; неэффективное использование частотного диапазона, потому что рабочая частота занимается одной РС во всей зоне обслуживания [6].

Рис. 2. Принцип повторного использования частот для семи сот.

Геометрически оптимальное  разделение всей зоны обслуживания (без  перекрытий и пропусков) может быть выполнено тремя геометрическими  фигурами: равносторонний треугольник, квадрат, правильный шестиугольник, —  соты. Отсюда и название — сотовая  связь.

Различают макросоты (R=1,5-35км), микросоты (R=100-600м) и пикосоты (R=10-60м). Каждая сота обслуживается отдельной многоканальной базовой радиостанцией (БРС) небольшой мощности, которая находится в центре сота. БРС устанавливает радиосвязь с РТС абонента, который находится в ее зоне [8].

При перемещении  РТС в другую соту автоматически обеспечивается переключение РТС на частоту БРС новой соты. Этот принцип обслуживания абонентов получил название процедуры эстафетной передачи (handover). БРС соединяется с центром коммутации подвижной связи ЦКПС, где в памяти центрального компьютера сохраняются как статические, так и динамические, данные о подвижных объектах — РТС абонентов всей сети (рис.3).

 

Рис.3. Сотовая сеть подвижной  радиосвязи.

Повысить эффективность  использования выделенного для  подвижной радиосвязи спектра частот возможно путем разбивки зоны обслуживания на небольшие участки — соты, с целью реализовать принцип  повторного использования радиочастот, как это показано на рис.2. [7].

Мощность передатчика  БРС — незначительная в сравнении  с мощностью передатчика ЦРС (рис.1), потому влияние его сигнала на другие PC, которые находятся на удалении защитного интервала D (рис.2), несущественно. Более того, в данное время разрабатываются новые, более эффективные, модели повторного использования частот [9].

Модель с круговой диаграммой направленности антенн допускает  передачу сигнала одинаковой мощности во всех направлениях, что для РТС  эквивалентно приему помех из всех направлений. Использование секторных  направленных антенн позволяет снизить  уровень помех. Ясно, что в самом  простом случае для того, чтобы  обеспечить связью неограниченную плоскую  территорию, в сотовой связи достаточно, например, семь рабочих частот F1, F2, F3, F4, F5, F6, F7 (рис.2). В результате этого многоразово используется частотный ресурс и многоразово увеличивается количество абонентов сети. Наивысшую эффективность использования полосы частот, то есть наибольшее число абонентов сети в выделенной полосе частот, обеспечивает разработанная фирмой Motorola (США) модель повторного использования частот (рис.4). Из анализа этой модели видно, что каждая частота, в пределах модели, которая состоит из четырех БРС, используется точно дважды. Благодаря этому каждая из четырех БРС в пределах действия шести 60-градусных антенн может работать на 12 группах частот.

 

Рис.4. Модель повторного использования  частот в каждых двух соседних сотах.

Следует отметить, что проблемы частотно территориального планирования и оптимального разделения каналов в системах подвижной  связи являются достаточно сложными, однако решаемыми.

2. СТАНДАРТ GSM НА ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННОЙ ПЛОСКОСТИ

Стандарт GSM на цифровую общеевропейскую сотовую систему  наземной подвижной связи (рис.5) предусматривает  работу передатчиков PC и БС в двух диапазонах частот, соответственно 890-915 Мгц и 935-960 Мгц [10].

Рис.5. Принцип организации  связи стандарта GSM нa частотно-временной плоскости.

Дуплексный разнос частот приема и передачи (для организации  дуплексного канала) составляет 45 МГц. Ширина полосы одного канала составляет 200 кГц, потому максимальное число каналов  связи 25000/200 — 1 = 124. Максимальное количество каналов, которые организуются в  БРС — 16-20. Вид модуляции — 0,ЗСМ8К  — гауссова манипуляция с минимальным  частотным сдвигом, индекс манипуляции  равняется 0,3 [11].

В стандарте GSM достигается  высокая степень безопасности передачи сообщений; осуществляется шифровка сообщений  алгоритмом RSA-шифрования с открытым ключом.

Обработка языка  осуществляется в рамках принятой системы  прерывистой передачи языка DTX-Discontinuous Transmission (рис.6), который обеспечивает включение передатчика только тогда, когда пользователь начинает разговор и отключает его в паузах и в конце разговора. Система DTX управляет детектором активности речи ДАР (VAD - Voice Activity Detector), что обеспечивает выявление и выделение интервалов речи с шумом и шума без речи даже в тех случаях, когда уровень шума равен уровню речи [12,13]. В качестве речепреобразующего устройства избранный языковой кодер (вокодер) с регулярным импульсным сдвигом, долгосрочным предсказанием и линейной кодировкой, с предсказанием — RPE/LTP-LPC-кодек. Общая скорость превращения языкового сигнала — 13 кбит/с.

Рис.6. Структурная схема  обработки человеческой речи в стандарте GSM:

ДАР — детектор активности речи; ИС — источник сообщений; РК—речевой кодер; СППР — система прерывистой передачи речи; ЕРК— екстраполятор речевого кадра; РД— речевой декодер; ФКШ — формирователь комфортного шума; ПС — получатель сообщений.

3. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА И СОСТАВ ОБОРУДОВАНИЯ СОТОВЫХ СЕТЕЙ СВЯЗИ

Функциональное  построение и интерфейсы, принятые в стандарте GSM, иллюстрируются структурной  схемой (рис.7), где PC — подвижные  радиотелефонные станции; БС — базовые  станции; КБС — контролер базовых  станций; ТК — транскодер; ПБС — подсистема базовых станций; ЦУО — центр управления и обслуживания; ЦКПС — центр коммутации подвижной связи; РМР — регистр места расположения; РПМ — регистр перемещения; ЦА — центр аутентификации; РИО — регистр идентификации оборудования; ПК — подсистема коммутации; ТСОП — телефонные сети общего пользования; МПП — сети пакетной передачи данных; ЦМИО — цифровые сети интегрального обслуживания; А, В, С, D, Е, M, A-bis, Um — сетевые и радиоинтерфейсы.

 

Рис. 7. Структурная схема  сетей связи GSM.

Функциональное  сопряжение элементов системы осуществляется рядом интерфейсов. Все сетевые  функциональные компоненты в стандарте GSM взаимодействуют в соответствии с системой сигнализации МККТТ № 7.

Центр коммутации подвижной  связи (ЦКПС) обслуживает группу сотов  и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается в процессе работы подвижная станция (PC). ЦКРЗ аналогичный ISDN коммутационной станции и являет собой интерфейс между фиксированными сетями (PSTN, PDN, ISDN и так далее) и  сетью подвижной связи. Он обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции  управления вызовами. Кроме выполнения функций обычной ISDN коммутационной станции, на ЦКРЗ возлагаются функции  коммутации радиоканалов. К ним относятся  «эстафетная передача», в процессе которой достигается непрерывность  связи при перемещении подвижной  станции из соты в соту и переключение рабочих каналов в соте или с появлением помех и неисправностей.

Центр коммутации осуществляет постоянное наблюдение за подвижными станциями, используя регистры места  расположения (РМР) и перемещения (РПМ).

В РМР сохраняется  та часть информации о месте расположения какой-либо подвижной станции, что  позволяет при коммутации доставить  вызов станции. Регистр РМР содержит международный идентификационный  номер подвижного абонента (IMSI). Он используется для определения подвижной радиотелефонной  станции в центре аутентификации (ЦА) (рис.8 и 9).

Второе основное устройство, которое обеспечивает контроль за перемещением подвижной станции из зоны в зону — регистр перемещения РПМ. С его помощью достигается функционирование подвижной станции за пределами зоны, контролируемой РМР. Когда в процессе перемещения подвижная станция переходит из зоны действия одного контролера базовой станции (КБС), которая совмещает группу базовых станций, в зону действия другого КБС, она регистрируется новым КБС и в РПМ заносится информация о номере области связи, которая обеспечит доставку вызовов подвижной станции. Для сохранения данных, которые находятся в РМР и РПМ, в случае сбоев предусмотрена защита устройств памяти этих регистров.

Рис.8. Состав долгосрочных данных, которые сохраняются в РМР  и РПМ.

Для исключения несанкционированного использования ресурсов системы  связи вводятся механизмы аутентификации — засвидетельствования действительности абонента. Центр аутентификации (ЦА) состоит из нескольких блоков и формирует  ключи и алгоритмы аутентификации. С его помощью проверяются  полномочия абонента и осуществляется его доступ к сети связи. ЦА принимает решение о параметрах процесса аутентификации и определяет ключи шифровки абонентских станций на основе базы данных, сосредоточенной в РИУ, — регистре идентификации оборудования.

Рис.9. Состав временных данных, которые сохраняются в РМР  и РПМ.

Каждый подвижной  абонент на время пользования  системой связи получает стандартный  модуль действительности абонента (SIM), который содержит: международный  идентификационный номер (IMSI), свой индивидуальный ключ аутентификации (K_i), алгоритм аутентификации (A3).

С помощью заложенной в SIM информации, в результате взаимного обмена данными между подвижной станцией и сетью, осуществляется полный цикл аутентификации и позволяется доступ абонента к сети.

Процедура проверки сетью действительности мобильного телефона абонента реализуется таким  способом. Сеть передает случайный  номер (RAND) на подвижную станцию. На ней за помощью K_i и алгоритму аутентификации A3определяется значение отзыва (SRES), то есть SRES =K_i»[RAND].

Мобильный телефон  посылает вычисленное значение SRES в  сеть, которая сверяет значение принятого SRES со значением SRES, вычисленным сетью. Если оба значения совпадают, Мобильный телефон приступает к передаче сообщений. В противоположном случае связь перерывается, и терминал мобильного телефон показывает, что его определение в сети не состоялось. Для обеспечениясекретности, вычисления SRES происходят в SIM-карте. Несекретная информация (например K_i) не поддается обработке в модуле SIM.

Оборудование базовой  станции состоит из контролера базовой  станции (КБС) и приемопередающих базовых  станций (БС).

Контролер базовой  станции может руководить несколькими  приемно-передаточными блоками. ПБС  руководит разделением радиоканалов, контролирует соединение, регулирует их очередность, обеспечивает режим  работы со стрибковою частотой, модуляцию и демодуляцию сигналов, кодировки и декодирования сообщений, кодировки языка, адаптацию скорости передачи, для языка, данных и вызова, определяет очередность передачи сообщений персонального вызова.

ПБС вместе с ЦКПС, РМР, РПМ выполняет некоторые  функции, например освобождение канала, главным образом под контролем  ЦКПС, но ЦКПС может пригласить базовую  станцию, обеспечить освобождение канала, если вызов не проходит через радиопомехи. ПБС и ЦКРЗ совместно осуществляют приоритетную передачу информации для некоторых категорий подвижных станций. Центр управления и обслуживания обеспечивает разделение функций и организацию взаимодействия между ПБС и ЦКПС. Его функции совпадают с функциями ЦУО в обычных сетях связи. Отличие заключается в том, что в сетях стандарта GSM центр ЦУО обеспечивает управление работой радиоподсистемы.

Подвижная станция  состоит из оборудования, которое  служит для организации доступа  абонентов сетей GSM к существующим фиксированным сетям электросвязи. В рамках стандарта GSM приняты пять классов подвижных станций от модели 1-го класса с исходной мощностью 20 Вт, которая установлена на транспортном средстве, к портативной модели 5-го класса максимальной мощностью 0,8 Вт (табл.1).