Общая характеристика стандарта GSM

В табл. 3.1. приведены основные характеристики стандартов сотовой связи, используемых в Росси и в мире.

Таблица 3.1

*При высокоскоростной пакетной передаче используют также 8-ОФМ и 16-КАМ.

Рассмотрение цифровых стандартов сотовой связи начнем с самого распространенного стандарта на сегодня в мире - GSM: Global System for Mobile Communications. Стандарт GSM был разработан в 80-е годы 20 века под эгидой Европейского института стандартов по телекоммуникациям (ETSI) и принят в 1989 г. как первый единый паневропейский стандарт цифровой сотовой связи. С 1992 г. началось развертывание сетей GSM в Европе, с 1994 г. в России.

Сети стандарта работают в двух диапазонах: макросотовые сети GSM-900 и микросотовые GSM-1800. GSM-900 и GSM-1800 имеют одинаковые протоколы и технические параметры, но GSM-1800 разработан для обслуживания медленно перемещающихся пользователей в сотах радиусом от 100 м до 3 км. Сети GSM-1800 развертывают в городских районах с большим числом абонентов-пешеходов и в зонах компактного пребывания пользователей (стадионы, театральные залы и т.п.).

Сегодня система GSM - единственная глобальная сотовая система, обеспечивающая международный роуминг по всему Земному шару. Для этого все операторы GSM связаны между собой единой сигнальной сетью с передачей сообщений по протоколам общеканальной системы сигнализации ОКС7. В России внутрироссийский роуминг организован на основе сигнальной сети
ОКС 7 со шлюзами выхода на сеть в 7 городах: Москве, Санкт-Петербурге, Самаре, Ростове-на-Дону, Екатеринбурге, Новосибирске, Хабаровске.

Стандарт GSM - первый, где реализована концепция персональной связи. Каждый пользователь GSM получает идентификационный модуль: SIM-карту (Subscriber Identity Module). Абонент может переставлять SIM-карту из одной мобильной станции MS в другую, после этого вызовы будут поступать на новый аппарат.

С технической точки зрения GSM – цифровая система подвижной радиосвязи с частотно-временным разделением каналов.Понятие "цифровая система" означает, что все информационные сигналы, включая речевой телефонный сигнал, передают по каналам связи в цифровом виде, т.е. в виде потока целых чисел в двоичной системе счисления. Для того чтобы представить непрерывный во времени сигнал телефонии в виде массива чисел, его заменяют множеством дискретных отсчетов u(i), следующих друг за другом с интервалом T_S = 125 мкс (рис. 3.1,а). Величина, обратная T_S, частота выборок f_S = 1/T_S = 8 кГц.

Рис 3.1. Преобразование аналогового сигнала в цифровую форму

Далее каждую выборку в соответствии с ее значением в вольтах заменяют двоичным 8-разрядным числом (рис. 3.1,б), состоящим из единиц и нулей - всего 8 бит. Этот процесс называют первичным кодированием сигнала и выполняют в аналого-цифровых преобразователях (АЦП). 8 бит информации должны быть переданы за 125 мкс до прихода следующей выборки. Таким образом, скорость передачи цифрового сигнала телефонии составляет 8/T_S = 64000 бит/с = 64 кбит/с. С такой скоростью ТФ сигнал передают по внутрисистемным каналам связи. Для передачи по радиоканалу сигнал телефонии сжимают, снижая его скорость в несколько раз (см. п. 3.2).

Кроме цифровой телефонии, в сетях GSM можно передавать и данные. В любом случае по каналу связи следуют последовательности двоичных чисел. При передаче сигналов по радиоканалу прибегают к временному уплотнению и пакетированию информации. Для формирования пакетов поток двоичных чисел разбивают на сегменты длительностью Т_кадр, состоящие из n бит (рис. 3.2,а).

Рис 3.2. Принцип временного уплотнения сигналов

Каждый сегмент записывают в оперативную память, а затем передают по радиоканалу с бóльшей скоростью за время Т_пак < Т_кадр (рис. 3.2,б). Если отношение Т_кадр/Т_пак = m, то за время Т_кадр можно передать m информационных пакетов разных пользователей. Интервал времени Т_кадр называют длительностью кадра, так что информационные пакеты одного пользователя отстоят друг от друга на Т_кадр и разделены пакетами других пользователей. На приемной стороне принятые пакеты записывают в память, а затем считывают с исходной скоростью. Таким образом, в процессе передачи и приема пакетов информация задерживается по крайней мере на 2Т_кадр. На самом деле задержка значительно больше, так как информацию при передаче по радиоканалу подвергают дополнительной обработке (см. п. 3.2). Но из-за инерционности слухового аппарата человека задержки сигнала телефонии до 150 мс ухом неразличимы. При передаче данных время задержки может быть увеличено. Важно подчеркнуть, что в любом случае цифровой информационный сигнал обрабатывают в реальном времени, что требует применения высокоскоростных устройств обработки - процессоров.

В GSM длительность кадра составляет 60/13 ≈ 4,615 мс; каждый кадр состоит из 8 информационных пакетов (burst), которые размещены в 8 временных интервалах ВИ (Time Slot - TS) (рис. 3.3). Друг от друга пакеты отделены небольшими защитными промежутками.

Рис 3.3. Кадр, состоящий из 8 временных интервалов

Длительность одного ВИ Т_ВИ = Т_кадр/8 = 0,577 мс. Таким образом, каждый физический радиоканал GSM характеризуют два параметра: частота и номер ВИ. Для системы GSM-900 выделено 124 дуплексных частотных канала в диапазонах 890 − 915 МГц (передача MSÞBTS) и 935 − 960 МГц (передача BTSÞMS), а для системы GSM-1800 374 частотных канала в диапазоне 1800 МГц. Каждый частотный канал имеет полосу 0,2 МГц. В одном частотном канале можно разместить 8 пользовательских полноскоростных каналов, по одному в каждом ВИ.

В диапазоне 900 МГц центральная частота радиоканала f_n и номер канала n?(1…124) связаны соотношением

f_n = 890,2 + 0,2·(n-1) МГц

Нехватка каналов для обслуживания пользователей наиболее распространенной системы GSM-900 заставил увеличить полосу частот, отводимую GSM в этом диапазоне, на 2х10 МГц, что нашло отражение в расширенном стандарте Е-GSM (Extended GSM), где полоса частот 880 − 915 МГц выделена для передачи MSÞBTS, а полоса 925 − 960 МГц для передачи BTSÞMS. Кроме того, для развертывания сетей GSM на железнодорожном транспорте специфицирован стандарт GSM-R, использующий полосы 876 − 880 МГц (MSÞBTS) и 921 − 925 МГц (BTS ÞMS). На американском континенте из-за смещенного регламента частот сети GSM развертывают в диапазонах 850 и 1900 МГц.

В одном и том же ВИ на определенной частоте, т.е. в одном физическом канале, в разных кадрах передают различные логические каналы, группируя их в мультикадры, как показано на рис. 3.4. Здесь приведен один мультикадр, состоящий из 26 последовательных кадров. Конкретному пользователю выделяют один ВИ (ВИ 3 на рис. 3.4). В этом временном интервале передают два логических канала: информационный полноскоростной канал TCH/FS (Traffic Channel for Full rate Speech) и присоединенный медленный канал управления абонентской станцией SACCH (Slow Associated Control Channel). Всего из 26 кадров мультикадра в 24-х (0-11, 13-24) передают информационные пакеты, в одном (12-м) пакет канала управления SACCH, а последний кадр (25-й) свободный. Для каналов сигнализации используют другие структуры мультикадров.

Рис 3.4. Структура 26-кадрового мультикадра

В GSM принята жесткая иерархия кадровой структуры. При передаче каналов трафика 26 кадров составляют мультикадр (multiframe), 51 мультикадр образует суперкадр, а 2048 суперкадров − гиперкадр. Нумерация кадров внутри гиперкадра сквозная, от 0 до 2715647. Номер кадра используют при шифрации информации.

Структура пакета канала трафика и большинства каналов управления (normal burst) приведена на рис. 3.5.

Рис 3.5. Структура "нормального" пакета

Длина временного интервала (time slot) T_TS = Т_кадр/8 = 577 мкс или 156,25 бита, где длительность одного бита (символа, передаваемого по радиоканалу) составляет 3,69 мкс. На рис. 3.5 длина отдельных полей пакета представлена в битах. Собственно пакет состоит из 148 бит; 8,25 бита, помеченные на рис. 3.5 пунктиром, – это защитный интервал, разделяющий пакеты соседних временных интервалов.

Пакет содержит 2 поля закодированных данных по 57 бит каждое, два флажка (ф) по 1 биту, которые устанавливают, когда в поле данных передают сообщения управления, и 26 бит обучающей последовательности (ОП) – зондирующего сигнала, необходимого для работы адаптивного эквалайзера приемника при приеме сигналов с межсимвольной интерференцией. В начале и в конце пакета стоят 3 хвостовых бита (хв), за время передачи которых происходит включение и выключение передатчика.

По каналу SACCH в направлении BTSÞMS передают команды управления по изменению мощности передатчика MS и времени упреждения. Мощность передатчика MS регулируют для обеспечения надежного приема информации от MS и вместе с тем снижения соканальных помех для абонентов соседних кластеров. В GSM-900 мощность MS можно регулировать от ее максимального (номинального) уровня до 13 дБм1 (20 мВт).

Коррекция времени упреждения Dt_упр (timing advance) необходима для временной синхронизации пакетов, приходящих на приемник BTS. Так как каждая MS удалена от BTS на некоторое расстояние, то "часы" (таймеры) на MS отстают от соответствующих таймеров на BTS. В результате, если MS находится на расстоянии d от BTS, то задержка Dt_зад пакета, приходящего от MS на BTS, составит 2d/c, где с= 3·10⁸ м/с - скорость света. Поэтому MS должна отправить пакет с опережением времени Dt_упр= Dt_зад, чтобы он пришел точно в заданный ВИ. Максимальное время упреждения для MS, находящейся на расстоянии 35 км от BTS, Dt_{упр max} = 2·35000/(3·10⁸) = 233 мкс, что соответствует длительности 63 бит. Величину Dt_упр контроллер BSC устанавливает в битах по результатам измерений задержки сигнала в приемнике BTS. Мощность передатчика MS и время упреждения регулируют с периодичностью 480 мс.

В 25 пустом кадре мультикадра MS производит измерения уровней сигналов соседних BTS и осуществляет синхронизацию с некоторыми из них. Результаты телеметрии, выполненной MS для реализации процедуры хэндовера, передают по обратному каналу SACCH (MSÞBTS).

В GSM и других стандартах 2-го поколения передатчики MS и BTS работают по активности абонента. Во время пауз в разговоре передачи пакетов канала трафика ТСН не происходит. Передают только сигнализацию по каналу SACCH, поскольку сеть должна отслеживать передвижение абонента, корректируя мощность излучения MS и время упреждения. Работа передатчиков по активности абонента снижает уровень соканальных помех и сберегает мощность источников питания.

Как было сказано, один частотный канал соответствует 8 физическим каналам. При оценке пропускной способности сети GSM необходимо учесть, что не все физические каналы можно использовать для передачи каналов трафика. В каждом секторе один физический канал выделяют для передачи системной информации. Кроме того, необходимо выделить канальный ресурс для передачи сообщений пейджинга и размещения выделенных каналов управления. Несколько упрощая проблему, можно считать, что при одном частотном канале в соте можно организовать 7 (8 - 1) каналов трафика, при двух частотных каналах - 14 (16 - 2) каналов трафика, при трех - 22 (24 - 2), при четырех - 29 (32 - 3) и т.д.

Для улучшения качества связи в сетях GSM используют режим прыгающей частоты (рис. 3.6). Режим прыгающей частоты означает, что от кадра к кадру частоту передачи пакетов пользователя меняют по псевдослучайному алгоритму, заложенному в программное обеспечение MS и BTS. Тогда, если в каком-либо из частотных каналов сигнал сильно ослаблен, то в других частотных каналах его уровень скорее всего будет находиться в допустимых пределах. Поэтому, если пакет в одном из кадров не принят или принят с большим числом ошибок, то хороший прием пакетов в других кадрах позволит восстановить исходный сигнал (см. п.3.2).

Всего в стандарте используют 64 возможных алгоритмов прыгающей частоты HSN (Hopping Sequence Number). Если HSN = 0, то происходит циклический сдвиг выделенных частот внутри каждой соты. В остальных вариантах HSN = 1…63 частоты прыгают внутри кластера.

Рис 3.6. Пояснение режима прыгающей частоты

(в соте 6 частотных каналов)

Наконец, всю информацию, передаваемую по радиоканалам пользователей, в GSM обязательно шифруют.