3PPC.net
Старый 19.05.2007, 14:27 #1
SiD
Гость
 
Сообщений: n/a
SiD
Гость
 
Сообщений: n/a
Устройство: нет кпк
Обзор понятия GSM

Немного истории...
В Европе начале 80-х аналоговые системы сотовой телефонии находились в стадии быстрого роста, особенно в Скандинавии и Великобритании, а также во Франции и Германии. Каждое государство развивало свою собственную систему, которая была несовместима с другими по оборудованию и функционированию. Такая ситуация оказалась нежелательной, не только из-за ограниченности действия мобильных устройств в пределах своих стран, но и из-за ограниченности рынка по отношению к каждому типу оборудования, что не позволяло создать оправданной маркетинговой политики.

В Европе это осознали достаточно рано, и в 1982г. Конференция Европейских Почтово-Телеграфных Служб (Conference of European Posts and Telegraphs - CEPT) сформировала группу, названную Groupe Special Mobile (GSM), для изучения и развития паневропейской наземной системы мобильной связи общего назначения. Предполагаемая система должна была удовлетворять определенным критериям:
- Субъективно хорошее качество речи
- Низкая стоимость терминалов и услуг
- Поддержка международного роуминга
- Поддержка портативных терминалов
- Поддержка определенного набора услуг и служб
- Спектральная эффективность
- Совместимость с системами ISDN

В 1989г. функции группы GSM были переданы Европейскому Институту Телекоммуникационных Стандартов (European Telecommunication Standards Institute - ETSI), и фаза I спецификаций GSM была опубликована в 1990 г. Коммерческое использование началось в середине 1991 г., и к 1993 г. уже было 36 сетей GSM в 22 странах . Стандартизованные в Европе, сети GSM стали не только европейским стандартом. Свыше 200 сетей GSM (включая DCS1800 и PCS1900) функционируют в 110 странах мира. В начале 1994 г. было около 1.3 миллиона подписчиков в мире , число которых возросло до 55 миллионов к октябрю 1997г. Сейчас сети GSM существуют на всех континентах, и акроним GSM обозначает теперь "Global System for Mobile communications".

Разработчики GSM избрали не испытанный к тому времени цифровой принцип построения, в противоположность таким признанным в качестве стандарта системам, как AMPS в США и TACS в Великобритании. Они рассчитывали, что прогресс в алгоритмах сжатия и обработчиках цифровых сигналов позволят удовлетворить первоначальным требованиям и постоянно улучшать систему в отношении цены и качества. Свыше 8 тыс. страниц рекомендаций GSM рассчитаны на гибкость и изобретательность поставщиков, но в то же время обеспечивают достаточную степень стандартизации, чтобы гарантировать взаимодействие всех компонент единой системы. Это было достигнуто описанием функциональности и интерфейса всех функциональных единиц, определенных в системе.

Услуги, поддерживаемые GSM

С самого начала, разработчики GSM рассчитывали на совместимость с системами ISDN в отношении предоставляемых услуг и управления передачи сигнала. Однако, ограничения радиопередачи, в терминах ширины полосы и стоимости, не позволяют достись скорости 64 kbps стандартного B-канала системы ISDN.

Преимущественные услуги, основанные на стандарте GSM, сосредоточены в телефонии. Как и в других видах связи на основе GSM, передаваемая речь подлежит оцифровке и передаче по сети GSM в виде цифрового потока.

Предоставляется целое множество услуг передачи данных. Пользователи GSM могут посылать и получать данные на скоростях до 9600 bps пользователям обычных телефонных сетей (Plain Old Telephone Service - POTS), а также сетей ISDN, Packet Switched Public Data Networks и Circuit Switched Public Data Networks, используя множество методов доступа и протоколов, таких как X.25 или X.32. Так как GSM - цифровая сеть, модем не требуется для взаимодействия между пользователем и сетью GSM, но аудиомодем нужен сети GSM для взаимодействия с сетями POTS.

Другие услуги передачи данных фключают факсовую связь класса 3, как описано в рекомендации T.30 ITU-T (International Telecommunication Union - Международный телекоммуникационный союз), которая поддерживается при использовании соответствующего факс-адаптера. Уникальная особенность GSM, не поддерживаемая более старыми аналоговыми системами, - это служба коротких сообщений SMS (Short Message Service). SMS - это двунаправленная служба для коротких алфавитно-цифровых сообщений (до 160 байт).

Дополнительные услуги включают несколько видов перенаправления вызовов (таких, как перенаправление вызова, когда мобильный абонент находится вне зоны действия сети), и обеспечение соединения для исходящих и входящих звонков при международном роуминге. Многие дополнительные услуги будут обеспечены в спецификациях фазы II, например, определение номера вызывающего абонента, ожидание вызова, конференц-связь.

Архитектура сети GSM

Сеть GSM состоит из нескольких функциональных единиц, чьи функции и интерфейсы специфицированы. Сеть может быть разделена на 3 обширных части: мобильный телефон (МТ), который находится у абонента, базовая станция (БС), которая контролирует радиосвязь с МТ, и сетевая подсистема, основной частью которой является центр коммутации (КЦ), выполняющий коммутацию вызовов между мобильными абонентами или между мобильными абонентами и абонентами фиксированных сетей. КЦ также осуществляет управление при перемещении абонентов.

Мобильный телефон

МТ состоит из терминала (непосредственно телефонного аппарата) и смарт-карты SIM (Subscriber Identity Module). SIM обеспечивает персональную мобильность абонента, а именно то, что абонент имеет доступ к услугам связи независимо от терминала. Вставив SIM-карту в другой терминал стандарта GSM, абонент способен принимать и делать звонки с этого терминала, пользоваться всеми другими услугами связи.

Терминал однозначно идентифицируется кодом IMEI (International Mobile Equipment Identity). SIM-карта модержит код IMSI (International Mobile Subscriber Identity), используемый дли идентификации абонента в системе, секретный ключ для проверки подлинности, и другую информацию. Коды IMEI и IMSI независимы. SIM-карта может быть защищена от несанкционированного использования паролем или персональным идентификационным номером.

Подсистема базовой станции

Подсистема базовой станции состоит из двух частей: из базовой станции БС, представляющей собой приемо-передатчик, и контроллера базовой станции.

БС определяет соту и взаимодействует в соответствии с протоколами радиосвязи с МТ. В больших перенаселенных районах, где будет использоваться потенциально большое количество БС, непременными требованиями к БС являются высокая производительность, надежность, портативность и минимальная цена.

Контроллер БС управляет радиоресурсами одной или нескольких БС. Он производит настройку радиоканалов, переключение частот и хэндоверы. Контроллер осуществляет соединение МТ с КЦ.

Сетевая подсистема

Центральной компонентой сетевой подсистемы является центр коммутации - КЦ. Он действует аналогично узлу коммутации других сетей, и дополнительно обеспечивает функциональность, необходимую для взаимодействия с мобильным абонентом: регистрацию, проверку подлинности, обновление местоположения, хэндоверы и маршрутизацию вызовов абоненту в роуминге. Эти услуги обеспечиваются в сопряжении с другими функциональными единицами, все вместе образующими сетевую подсистему. КЦ обеспечивает соединение с фиксированными сетями.

Базы данных HLR (Home Location Register) и VLR (Visitor Location Register), вместе с КЦ обеспечивают маршрутизацию звонков и возможности роуминга в сетях GSM. HLR содержит административную информацию о всех абонентах, зарегистрированных в соответствующей сети GSM, вместе с текущим местоположением МТ. Местоположение МТ хранится в форме адреса сигнала от VLR, связанной с МТ в текущий момент времени. Логически существует только одна HLR на всю сеть GSM, хотя она может быть описана и как распределенная база данных.

База данных VLR содержит избранную административную информацию из HLR, необходимую для контроля вызовов и обеспечения услуг абоненту, для всех МТ, расположенных в текущий момент времени в географической области, контролируемой VLR. Хотя эта функциональная единица может быть описана как независимый модуль, все производители коммутирующего оборудования к настоящему времени объединяют VLR с КЦ, так что географическая область, контролируемая КЦ, совпадает с областью, контролируемой VLR, упрощая обработку сигнала. Следует заметить, что сам КЦ не содержит никакой информации о конкретных МТ - эта информация сосредоточена в базах данных HLR и VLR.

Две другие базы данных используются в целях проверки подлинности и обеспечения безопасности. База данных EIR (Equipment Identity Register) представляет собой базу данных, содержащую список всего действующего мобильного оборудования сети, где каждый МТ идентифицируется кодом IMEI. В случае, если функционирующий МТ украден или не принадлежит к типу, допустимому к работе в сети, его IMEI помечается недействующим. AuC (Authentication Center) представляет собой защищенную базу данных, хранящую копии секретных ключей, содержащихся в SIM-картах абонентов, которые используются для проверки подлинности и шифрации радиоканалов.

Аспекты радиосвязи

ITU, управляющий выделением радиодиапазонов (среди многих других своих функций), выделил полосу 890-915 МГц для передачи сигнала от МТ к БС и полосу 935-960 МГц для передачи сигнала в обратном направлении, для мобильных сетей в Европе.

Многостанционный доступ и структура канала

Поскольку радиоэфир - это ограниченный ресурс, разделяемый всеми абонентами, должен быть определен алгоритм деления частотных полос среди многих абонентов. Такой метод, избранный GSM, представляет собой сочетание многостанционного доступа с временным и частотным делением (соответственно TDMA и FDMA). FDMA включает деление по частотам полосы шириной в 25 МГц на 124 полосы с несущими частотами, разделенными 200 кГц. Одна или более несущих частот привязаны к каждой БС. Каждая из этих частот разделена во времени, используя схему TDMA. Фундаментальной единицей времени в схеме TDMA является период прохождения пакета (ППП) и длится 15/26 миллисекунды (приблизительно 0.577 мс). 8 ППП группируются во фрейм TDMA (120/26 мс, или примерно 4.615 мс), который формирует основную единицу для определения логических каналов. Один физический канал представляет собой один ППП на фрейм TDMA.

Каналы определяются по количеству и положению соответствующих ППП. Все эти определения циклические, и картина целиком повторяется приблизительно каждые 3 часа. Каналы делятся на выделяемые каналы, предназначенные для МТ при прохождении вызовов, и каналы общего назначения, используемые МТ в состоянии ожидания.

Разговорные каналы

Разговорный канал TCH (traffic channel) используется для передачи речи и данных. Разговорные каналы определяются, используя 26-фреймовый мультифрейм, или группу из 26 фреймов TDMA. Длина этого мультифрейма 120 мс. Помимо этих 26 фреймов, 24 используются для трафика, 1 для контроля канала SACCH (Slow Associated Control Channel) и 1 пока не используется. Прямой и обратный разговорные каналы (от МТ к БС и наоборот) разделены во времени тремя ППП, так что МТ не приходится одновременно принимать и передавать, упрощая тем самым элетронное оборудование.

Вдобовок к этим полноскоростным разговорным каналам, в стандарте определены также полускоростные разговорные каналы, хотя они еще не реализуются. Полускоростные разговорные каналы эффективно удваивают емкость системы, если действуют вкупе с полускоростными кодировщиками речи (т.е. если речь кодируется со скоростью примерно в 7 kbps вместо 13). Специфицированы также 8-скоростные разговорные каналы, предназначенные для передачи служебных сигналов. В рекомендациях они называются Stand-alone Dedicated Control Channels (SDCCH).

Каналы управления

Каналы общего назначения могут востребоваться мобильными телефонами и в режиме ожидания, и в режиме приема/передачи. Каналы общего назначения используется МТ в режиме ожидания для обмена служебной информацией, требуемой для переключения в разговорный режим. МТ, уже находящиеся в таком режиме, осуществляют мониторинг окружающих их БС для хэндоверов и в других целях. Каналы общего назначения определены как 51-фреймовые мультифреймы.

Кодирование речи

GSM - это цифровая система, поэтому речь, которая имеет сущеществено аналоговую природу, должна быть оцифрована. Методом, используемым в системах ISDN и в нынешних телефонных системах многостанционных голосовых линий по высокоскоростным стволам и оптоволоконым линиям, является метод PCM (Pulse Coded Modulation). Скорость исходящего потока в методе PCM равняется 64 kbps и превышает возможности радиосвязи. Сигнал такого объема, несмотря на простоту описания, является избыточным. Группа GSM изучила несколько алгоритмов речевого кодирования по отношению к субъективному качеству речи и сложности (последнее отражается на стоимости, задержке при обработке и потреблению мощности) и остановилась на методе RPE-LPC (Regular Pulse Excited -- Linear Predictive Coder) с циклом Long Term Predictor. Коротко говоря, информация из речевых посылок, предшествующих текущей посылке, используется для предсказания ее структуры благодаря тому, что эти посылки не меняются очень быстро. Коэффициенты линейной комбинации предыдущих посылок плюс закодированная форма остатка, представляющая собой разницу между предсказанной и реально имеющей место посылкой, представляют собой сигнал. Речь делиться на 20-миллисекундные посылки, каждая из которых кодируется в 260 бит, давая общую скорость потока в 13 kbps. Это - так называемое полноскоростное (Full-Rate - FR) кодирование речи. Некоторое время назад алгоритм улучшенного полноскоростного кодирования (Enhanced Full-Rate - EFR) был реализован некоторыми североамериканскими операторами в стандарте GSM1900. По их словам, это повышает качество передачи речи, используя ту же самую скорость в 13 kbps.

Многоканальное выравнивание

В диапазоне около 900 МГц радиоволны отражаются от всевозможных объектов - зданий, холмов, автомобилей, самолетов и т.д. Поэтому антенна принимает большое количество отраженных сигналов с различными фазовыми смещениями. Выравнивание необходимо для извлечения желаемого сигнала из нежелательных отраженных. Спецификация стандарта GSM не предполагает определенного алгоритма реализации такого выравнивания.

Частотный скачок

Мобильному телефону приходится быть частотно-подвижным, т.е. он должен быстро переключаться между частотами при передаче, приеме, мониторинге тайм-слотов в рамках одного фрейма TDMA. Стандарт GSM существенно использует такую частотную подвижность для реализации медленных частотных скачков, при которых МТ и БС передают каждый фрейм TDMA на разных несущих. Поскольку многоканальная радиопередача зависит от несущей, медленный частотный скачок смягчает эту проблему.

Прерывистая передача

Минимизация интерференции от разных каналов является целью любой системы сотовой связи, т.к. позволяет улучшить обслуживание соты данного размера или использовать соты меньшего размера, повышая тем самым общую емкость системы. Передача методом бланкирования DTX (Discontinuous Transmission) основана на том факте, что в обычном разговоре человек говорит менее 40% времени всего разговора [22], и основана на отключении передатчика на время молчания абонента. Дополнительным преимуществом DTX сниженное потребление энергии МТ.

Наиболее важной компонентой DTX является детектор голоса VAD (Voice Activity Detection). Он должен уметь отличать голос от шума - задача, нетривиальная сама по себе. Если сигнал неверно интерпретируется как шум, то передатчик отключается, и на другом конце тракта проявляется весьма раздражающий эффект, называемый обрезанием. Если, с другой стороны, шум неверно интерпретируется как сигнал слишком часто, то эффективность DTX значительно снижается. Другая проблема заключается в том, что когда передатчик отключен, на другом конце тракта стоит полная тишина вследствие цифровой природы GSM. Чтобы принимающий абонент не решил, что соединение разорвалось, его приемник создается искусственный шум, напоминающий по своим характеристикам фоновый шум со стороны передатчика.

Прерывистый прием

Другой способ уменьшения потребления энергии состоит в реализации мобильным телефоном прерывистого приема. Пейджинговый анал, используемый БС для передачи служебного сигнала о входящем звонке, разделяется на подканалы. Каждый МТ контролирует только свой собственный подканал. В моменты времени между последовательными сигналами, проходящими по этим подканалам, МТ переключается в "спящий" режим, практически не потребляя энергии.

Контроль мощности

Существует 5 классов МТ, соответствующих пикам мощности их передатчиков: 20, 8, 5, 2 и 0.8 Вт. Для минимизации межканальной интерференции и уменьшения энергопотребления, и МТ и БС функционируют на уровне наименьшей мощности, достаточном для требуемого качества сигнала.

МТ измеряет мощность сигнала или его качество (на основании его Bit Error Ratio), и передает информацию контроллеру БС, который решает, следует ли (и если следует, то когда) изменить уровень мощности. Контроль мощности должен производиться очень тщательно, иначе возникнет нестабильность.

Сетевые аспекты

Контроль качества передачи голоса или данных по радиосвязи представляет собой лишь часть всех функций мобильной сети сотовой связи. МТ в сети GSM доступен национальный и международный роуминг, который требует наличия соответствующих функций регистрации, проверки подлинности, маршрутизации вызовов и обновления местоположения, которые описаны в стандарте сетей GSM. Кроме тоого, тот факт, что географическая область, покрываемая сетью, разделяется на соты, требует описания механизма хэндоверов. Эти функции берет на себя сетевая подсистема.

Соответствующий протокол передачи служебной информации в GSM предполагает наличие управления радиоресурсами RR (Radio Resources Management), управления при перемещении MM (Mobility Management) и управления взаимодействием CM (Communication Management).

Управление радиоресурсами

Управление радиоресурсами отвечает за установление соединения между МТ и КЦ. Сессия RR всегда инициируется МТ посредством процедуры доступа как для исходящего звонка, так и для отклика на пейджинговое сообщение. В RR также входит контроль потребления энергии, прерывистые передача и прием, временное упреждение.

Хэндовер

В сотовых сетях устанавливаемые соединения не постоянны на протяжении всего разговора. Хэндовер представляет собой переключение происходящего разговора на другой канал или на другую соту. Исполнение и измерения, необходимые для хэндовера, входят в одну из основных функций RR.

Существует 4 различных типов хэндоверов в системе GSM, которые включают переключение вызова между каналами (тайм-слотами) в той же соте, между сотами (БС) под управлением контроллера БС, между сотами под управлением других контроллеров БС, но относящихся к одному и тому же КЦ, и между сотами, управляемыми различными КЦ.

Два первых типа хэндоверов, называемых внутренними хэндоверами, используют один и тот же контроллер БС. Для сохранения той же полосы передачи служебных сигналов они управляются контроллером БС без вовлечения КЦ, за исключением уведомления КЦ о завершении хэндовера. Два последних типа хэндоверов, называемых внешними хэндоверами, производятся при участии КЦ. Хэндоверы инициируются или МТ, или КЦ (как средство распределения общего трафика в сети).

Алгоритм принятия решения относительно инициации хэндовера не специфицирован в рекомендациях стандарта GSM. Обычно используются два основных алгоритма, оба тесно привязанных к контролю энергопотребления. Это связано с тем, что обычно контроллер БС не знает, связано ли плохое качество сигнала с многоканальной радиопередачей или с тем, что МТ переместился в другую соту. Особенно это актуально в небольших сотах для многонаселенных районов.

Алгоритм "минимально допустимой производительности" отдает предпочтение контролю мощности перед хэндовером, так что когда сигнал ухудшается за пределами определенной области, уровень мощности МТ возрастает. Если дальнейшее увеличение мощности не улучшает качества сигнала, то производится хэндовер. Это - простейший и наиболее общий метод, но он приводит к "размазыванию" границ соты, когда МТ на пике мощности проходит некоторое расстояние за пределы первоначальной соты и оказывается в другой соте.

Метод "бюджета мощности" использует хэндовер для поддержания или улучшения качества сигнала на том же самом или на более низком уровне мощности. При этом отдается предпочтение хэндоверу перед контролем мощности. Это позволяет избежать проблемы "размазывания" границ соты и снижает межканальную интерференцию, но сам метод является весьма сложным.

Управление при перемещении

Управление при перемещении (MM) включает в себя функции, необходимые для проверки подлинности и обеспечения безопасности при перемещениях абонента. Управление местоположением связано с процедурами, позволяющими системе определить текущее местоположение включенного МТ, чтобы могла быть произведена маршрутизация входящего вызова.

Обновление местоположения

Включенный МТ информируется о входящем вызове пейджинговым сообщением, посылаемым через канал PAGCH соты. Одной крайностью было бы направлять пейджинговое сообщение в каждую соту сети, что с очевидностью явилось бы пустой тратой радиополос. Другой крайностью было бы заставлять МТ уведомлять каждый раз систему посредством сообщений об обновлении своего местоположения при перемещении в другую соту, это привело бы к чрезмерным издержкам из-за большого количество обновляющих сообщений. Стандарт GSM предусматривает компромиссное решение, связанное с группировкой сот в зоны. Обновляющие сообщения требуются лишь при перемещении между такими зонами, и МТ уведомляются пейджинговыми сообщениями в соответствии с их текущими зонами. В целях повышения надежности, GSM также предполагает периодическое исполнение процедуры обновления местоположения.

Контроль подлинности и безопасности

Поскольку радиоэфир доступен кому угодно, проверка подлинности абонентов является очень важным элементом мобильной сети. Проверка подлинности предполагает участие двух сторон: SIM-карты в МТ и центра проверки подлинности AuC. Каждый абонент обладает секретным ключом, одна копия которого хранится на SIM-карте, а другая - в AuC. Во время проверки подлинности AuC генерирует случайное число, которое передается МТ. И МТ, и AuC используют это число вкупе с секретным ключом абонента и алгоритмом шифрации A3 для генерации подписанного отклика, который направляется обратно в AuC. Если число, которое отправил МТ, совпадает с числом, вычисленным AuC, абонент считается успешно прошедшим проверку .

Такое же первоначальное случайное число и код абонента также используются для вычисления секретного ключа по алгоритму A8. Этот шифр-ключ вместе с номером фрейма TDMA использует алгоритм A5 для создания 114-битной последовательности, которая XOR-ится со 114 битами отправляемого пакета. Такая шифрация, впрочем, представляется излишней, поскольку сигнал уже хорошо закодирован.

Другой уровень безопасности обеспечивается самим МТ, в противоположность мобильному абоненту. Как ранее упоминалось, терминал GSM идентифицируется уникальным номером IMEI. Список таких номеров в сети хранится в базе данных EIR. Статус, возвращаемый в базу данных EIR в ответ на запрос IMEI , может быть одним из следующих: "белый" список - терминалу разрешается подключиться к сети, "серый" список - терминал находится под наблюдением со стороны сети из-за возможных проблем, "черный" список - терминал идентифицируется или как украденный, или как принадлежащий к типу, не предназначенному для использования в сети. Такому терминалу не разрешается подключится к сети.

Управление взаимодействием

Управление взаимодействием CM отвечает за контроль вызовов CC (Call Control), управление услугами поддержки, и управление службой коротких сообщений.

Маршрутизация вызовов

В отличие от фиксированных сетей, где терминал постоянно подключен к центральному офису, абоненту сети GSM доступен национальный и международный роуминг. Номер абонента, используемый для вызова абонента, называется Mobile Subscriber ISDN (MSISDN), и определяется в соответствии с планом нумерации E.164. Этот номер включает код страны и национальный код зоны, идентифицирующий сотового оператора, обслуживающего абонента. Первые несколько цифр остальной части номера абонента могут обозначать базу данных HLR абонента.
  Ответить с цитированием Цитировать выделенное
Ответ


Здесь присутствуют: 1 (пользователей: 0 , гостей: 1)
 
Опции темы

Ваши права в разделе
Вы не можете создавать новые темы
Вы не можете отвечать в темах
Вы не можете прикреплять вложения
Вы не можете редактировать свои сообщения

BB коды Вкл.
Смайлы Вкл.
[IMG] код Вкл.
HTML код Выкл.


 


Текущее время: 04:09. Часовой пояс GMT +3.


Powered by vBulletin®
Copyright ©2000 - 2017, vBulletin Solutions, Inc.