Тема 10. Аналоговые системы сотовой связи

Аналоговые системы сотовой подвижной связи принадлежат к первому поколению сотовых систем. Эти системы обеспечивают вхождение в связь и регистрацию стоимости разговора, организацию, связи между подвижными абонентами и абонентами стационарной телефонной сети общего пользования и т. п. Сравнительные характеристики систем сотовой связи основных используемых стандартов представлены в таблице 6.2 и таблице 6.5.

Таблица 6.5

Нагрузочные характеристики систем сотовой связи

Система сотовой связи	Коэффициент повторения частоты С	Число каналов управления	Число каналов передачи речи	Среднее число занятых каналов	Средняя загрузка Эрл/ячейка	Число вызовов на ячейку в ЧНН
AMPS				39,86	30,80
TACS				39,86	30,80
NMT	9-12			33-25	24,93-17,50	937-657

Эффективность использования аналоговых систем сотовой подвижной связи характеризуется такими параметрами, как число вызовов на ячейку в часы наибольшей нагрузки (ЧНН), средняя загрузка на ячейку и др. (таблица 6.4).

Система сотовой связи стандарта NMT-450/900

Принципы организации

Разработка системы сотовой связи стандарта NMT-450 была закончена в 1978 г., а эксплуатация первых систем сотовой подвижной радиотелефонной связи общего пользования этого стандарта началась в 1981 г. К 1985 г. число абонентов системы достигло 180 тысяч. Изначально системы стандарта NMT (Nordic Mobile Telephone) были предназначены для 5 североевропейских стран. Это были аналоговые системы первого поколения, которые работали в диапазоне 450-467 МГц и имели 180 каналов связи шириной по 25 кГц каждый. За счет многократного использования частот эффективное число каналов составляло 5568. Среднее число каналов, выделяемое базовым станциям, было равно 30. Ячейки с радиусом, находящимся в диапазоне 5-25 км, покрывали территории этих стран. Сети на основе модификаций данного стандарта находят применение во многих странах мира и в настоящее время благодаря большой зоне обслуживания, низкой цене установки и запуска, наращиваемости и простоте технического обслуживания. Характерной особенностью стандарта является то, что все подвижные абоненты имеют возможность работать в любой из стран, входящих в систему, благодаря тому, что подвижные станции полностью совместимы со всеми базовыми станциями системы любой страны. В настоящее время более 40 стран мира используют системы сотовой подвижной связи стандартов NMT-450 и NMT-900, работающие в диапазоне частот 450 и 900 МГц соответственно. Основное различие между этими стандартами заключается в том, что с повышением используемых частот стало возможным уменьшение габаритов радиотелефона, а также расширение спектра услуг связи и управления. К основным достоинствам стандарта NMT следует отнести надежную работу на открытых пространствах и возможность брать телефон с собой в поездку в те страны, где используется этот стандарт. Система сотовой связи NMT-450 предназначена для обслуживания наземных подвижных абонентов, но может быть использована и морскими подвижными службами вблизи берега. Система сотовой связи стандарта обеспечивает:

- вхождение в связь и регистрацию стоимости разговора в автоматическом режиме;

- организацию связи между подвижной станцией и любым абонентом стационарной телефонной сети или с любой включенной в систему подвижной станцией, независимо от страны;

- автоматический поиск подвижного абонента в пределах объединенных сетей сотовой связи.

Системы сотовой связи этого стандарта, кроме передачи речевых сообщений на местном, междугородном и международном уровнях, позволяют отправлять телефаксы и иметь доступ к базам данных (со скоростью передачи в пределах 4,8 Кбит/с), а также предоставляют абонентам следующие сервисные услуги: переадресацию вызова на другой номер, ограничение вызова (продолжительности разговора), конференцсвязь трех абонентов, организацию пользовательских групп с сокращенным набором номера и т.п.

Стандарт NMT-450 был усовершенствован: увеличилась производительность системы связи; повысилось качество работы; произведена защита доступа к сети с помощью системы идентификации абонента, исключившая возможность пиратского использования канала связи. Эта доработанная версия стандарта получила обозначение NMT-450i. Основной ее особенностью является применение так называемой SS №7 (Сигнализации номер 7 по спецификации МККТТ), что позволяет быстрее переключать абонентские станции на обслуживание другой базовой станцией при перемещениях абонента, выполнять функции их идентификации и снижать потребление энергии радиотелефонами.

Основные характеристики стандарта NMT-450 сохранены и в более новой его версии NMT-900. Основные технические характеристики стандартов представлены в таблице 6.6.

Таблица 6.6

Основные технические характеристики NMT-450 и NMT-900

Наименование параметра	NMT-450 (NMT-450i)	NMT-900
Полоса частот, МГц: для передачи подвижной станцией для приёма подвижной станцией	453,0-457,5 463,0-467,5	890-915 935-960
Частотный разнос каналов, кГц	25 (20)
Количество каналов	180 (225)
Дуплексный разнос каналов приёма и передачи, МГц
Мощность передатчика базовой станции, Вт	до 50	до 25
Мощность передатчика подвижной станции, Вт	1,5 0,15	0,1
Радиус ячейки, км	15-40	2-20

Как следует из таблицы 6.6, рабочие частоты стандарта NMT-450 находятся в двух полосах: 453,0-457,5 и 463,0-467,5 МГц, т.е. разнос каналов приёма и передачи равен 10 МГц.

Поскольку общее число каналов ограничено (разнос соседних каналов равен 20-25 кГц), то для того, чтобы увеличит абонентскую ёмкость системы, предусматривается организация малых зон связи.

Состав системы сотовой связи стандарта NMT-450

Принцип работы системы подвижной связи основан на взаимодействии с телефонной сетью общего пользования. Структурная схема подобной типовой сети представлена на рис. 6.3.

В состав сети сотовой подвижной связи входит:

- Центр коммутации подвижной связи (MSC);

- Базовые станции (BTS);

- Подвижные станции (MS);

- Различные контроллеры.

Центр коммутации подвижной связи обеспечивает управление системой подвижной радиосвязи и является соединительным звеном между подвижными станциями и телефонной сетью общего пользования. Каждый MSC обслуживает группу базовых станций, совокупность которых образует его зону обслуживания.

Система спроектирована таким образом, что, в зависимости от значимости абонентов, она может предоставлять им некоторые преимущества в обслуживании, например, приоритет вызова, сокращённый набор и т.п.

Каналы связи каждой базовой станции подразделяются на разговорные каналы и каналы управления (вызова). По каналу управления передаётся специальный сигнал опознавания. По свободным разговорным каналам транслируется другой сигнал опознавания, подтверждающий, что канал свободен и может быть использован для ведения переговоров. Все подвижные станции, находящиеся в зоне действия базовых станций, постоянно работают на приём на частоте канала управления для ведения разговора.

В системе NMT для обмена служебной информации между MSC, BTS и MS, кроме служебных сигналов, определяющих каналы управления и разговорные каналы, используются сигналы, определяющие зону обслуживания, страну, в которой находится подвижный абонент, а также сигналы, обозначающие номер канала. Все эти служебные сигналы являются цифровыми и формируются с помощью быстрой частотной манипуляции FFSK (Fast Frequency Shift Keying). Принцип формирования FFSK-сигнала представлен на рисунке 6.5. Из этого рисунка видно, что цифровой сигнал, определенный как логическая единица, представляет собой один период колебания частотой 1200 Гц, а сигнал логического нуля - 1,5 периода колебания частотой 1800 Гц. Таким образом, цифровой сигнал передается по каналу связи со скоростью 1200 бит/с.

Рисунок 6.5. Принцип формирования FFSK-сигнала.

Служебная информация в системе NMT передаётся в 64-разрядном пакете и располагается в середине полного рабочего кадра. Каждый такой пакет содержит пять полей (рисунок 6.6.):

- номер канала N1N2N3, по которому передаётся данное сообщение;

- префикс Р, характеризующий тип кадра;

- номер района обслуживания Y1Y2, где расположена базовая станция с номером канала N1N2N3;

- помер подвижной станции X1-X7;

- информационное поле.

Рисунок 6.6. Структура рабочего кадра стандарта NMT

При передачи в направлении MSC-MS информационное поле содержит 12 бит; в направлении MS-MSC номер района обслуживания Y1Y2 не передаётся, информационное поле содержит 20 бит. В системе NMT в качестве управляющего может использоваться любой из разговорных радиоканалов, что, по мнению специалистов, повышает эффективность управления сотовой системой связи.

Организация соединений и принципы адресации абонентов

В системе сотовой подвижной связи стандарта NMT вызов всех типов подвижных станций производится одновременно всеми базовыми станциями, расположенными в зоне связи. Когда подвижная станция принимает сигнал вызова, содержащий её опознавательный номер (номер радиотелефона), она отвечает сигналом подтверждения на соответствующей частоте канала управления. После этого MSC передаёт канал связи той базовой станции, в зоне которой оказался абонент.

Для организации всех соединений в системе сотовой связи используется специальная схема адресации, которая выполняет следующие задачи:

- предоставляет возможность вызывающему абоненту информировать телефонную сеть о номере вызываемой подвижной станции;

- служит для передачи информации в телефонную сеть;

- предоставляет возможность подвижной станции отвечать на вызов MSC;

- опознает в MSC вызывающую станцию.

Номер абонента ZX1X2X3X4X5X6X7 присутствует во всех передачах в направлениях:

- MSC-MSC;

- MSC-MS;

- MSC-BTS.

Цифра Z используется только внутри самой системы и прибавляется к номеру абонента тем радиотелефонным коммутатором, в зоне обслуживания которого он находится. Кроме того, формируется ещё код доступа, состоящий из префикса Pn (0 или 9) и двух цифр Y1Y2, а при организации международного вызова вместо кода доступа - код страны I1I2I3, после чего служебная информация посылается в эфир.

Установление входящего вызова

Протокол установления входящего вызова в системе NMT построен следующим образом. В исходном состоянии подвижная станция MS настроена на частоту канала управления, имеющего максимальный уровень сигнала. Вызов абонента производится центром коммутации MSC через все базовые станции BTS, которые относятся к так называемой зоне вызова, в которой расположен подвижный абонент в данный момент времени (рисунок 6.7).

Во время подачи вызова базовая станция (по команде MSC) постоянно излучает контрольный сигнал (тональный сигнал частотой около 4 кГц) и посылает его в сторону подвижной станции, которая ретранслирует этот сигнал по каналу управления на базовую станцию. Ретранслированный сигнал принимается, детектируется и оценивается базовой станцией (определяется отношение сигнал/шум в канале передачи, усредненное за определенный промежуток времени).

Рисунок 6.7. Диаграмма установления входящего вызова

Базовые станции посылают информацию о результатах оценки отношения сигнал/шум в MSC. Если качество передачи сигнала соответствует норме, то устанавливается соединение по этому каналу. Аппаратурой MSC выделяется разговорный радиоканал, номер которого сообщается по каналу управления на MS, после чего канал управления освобождается. В противном случае MSC принимает решение о подключении другой базовой станции или об окончании разговора.

Далее осуществляется контроль установленного между BTS и MSC разговорного канала на правильность выполненных операций. При этом по запросу MSC, подвижная станция MS передает ранее принятый номер радиоканала, который идентифицируется в центре коммутации. В случае отсутствия ошибок центр коммутации передает исполнительную команду вызова «включить сигнал» (звонок). Входящий вызов завершается окончательным переключением на разговорный канал и включением на соответствующей базовой станции BTS тонального сигнала частотой 4 кГц (внеполосная модуляция в радиоканале) для непрерывного контроля качества связи.

Установление исходящего вызова

Если подвижный абонент снимает трубку для организации исходящего вызова, то он набирает номер, который переписывается в запоминающее устройство его станции. После этого станция находит один из свободных разговорных каналов и по нему передает сигнал «канал занят». Со стороны центра MSC производится подтверждение принятия этого сигнала, в ответ на который подвижная станция выдает свое подтверждение. При получении этого подтверждения аппаратура MSC передает на MS сигнал готовности к приему номера. Из запоминающего устройства подвижной станции по разговорному радиоканалу транслируется номер вызываемого абонента, и после подтверждения приема номера центром коммутации MSC проводная телефонная пара стыкуется с радиотрактом. Ответ вызываемого абонента служит основанием для формирования разговорного тракта и включения на базовой станции тонального сигнала частотой 4 кГц для контроля качества передачи.

Таким образом, обмен сигналами в системе стандарта NMT ведется по разговорным радиоканалам, система работает с взаимным многократным подтверждением приема каждого сигнала, что обеспечивает высокую надежность связи.

Обмен сообщениями в режиме эстафетной передачи

В режиме эстафетной передачи в системе NMT протокол обмена сообщениями выглядит следующим образом (рисунок 6.8). Контроль качества речи ведется по тональному сигналу частотой 4 кГц, который методом внеполосной модуляции вводится в разговорный тракт на станции BTS1. Этот сигнал излучается совместно с речевым сигналом в сторону подвижного абонента и ретранслируется им на базовую станцию, где производится оценивание его параметров.

Рис. 6.8. Обмен сообщениями в режиме эстафетной передачи

При уменьшении величины ответного сигнала ниже порогового значения центр MSC выдает на соседние базовые станции команду произвести измерение отношения сигнал/шум с указанием номера используемого в настоящий момент радиоканала РК1. Для этих целей все базовые станции снабжены многоканальными приемниками-мониторами. По результатам полученных измерений MSC выбирает базовую станцию с максимальным значением уровня принимаемого сигнала (например, BTS2) и выделяет свободный радиоканал РК2 в зоне действия этой станции. По радиоканалу РК1 через станцию BTS1 на MS передается номер нового радиоканала PK2, по которому аппаратура абонента и центра коммутации взаимодействуют с помощью сигналов «передача - подтверждение». По окончании обмена MSC производит переключение соответствующих устройств и проводной телефонной пары для продолжения разговора по новому разговорному каналу. После переключения всех необходимых цепей с базовой станции BTS1 на базовую станцию BTS2 центр коммутации MSC отключает телефонную пару, соединенную с радиоканалом PK1 на станции BTS1.

Оборудование стандарта NMT-450

В системе NMT в качестве MSC может использоваться электронная автоматическая телефонная станция типа DX-200 MTX, которая может применятьсяна всех уровнях сети. При обслуживании такой станцией проводной и радиотелефонной сетей максимальная абонентская емкость определяется удельной нагрузкой абонентских линий. Кроме того, широко используется коммутационная станция мобильной связи SMALL МТХ, отвечающая всем современным требованиям, а именно:

- модульность — позволяющая идти в ногу с последними достижениями современных технологий и вводить новые функции в систему;

- гибкость — возможность поддерживать связь с любыми типами коммутаторов — аналоговыми или цифровыми;

- универсальность — возможность работать в любом коммутационном окружении;

- высокая степень готовности — малая подверженность отказам вследствие избыточности и наличия процедур «самовосстановления»;

- защищенность от морального старения благодаря модульному построению.

Для стандарта NMT-450 специально разработаны экономичные, небольшого размера, простые в установке и обслуживании базовые станции RS4000. В стандартном варианте (RS4000 Standart) такую станцию рекомендуется использовать в тех случаях, когда требуется получение максимальной выходной мощности, а занимаемое станцией пространство не является важным показателем. Эта станция укомплектована набором самых современных самонастраивающихся комбинированных фильтров, имеет 16 каналов с выходной мощностью передатчика от 0,5 до 30 Вт каждый, работает в частотном диапазоне 380-500 МГц, имеет габаритные размеры 1970x600x400 мм и весит 220 кг.

Для использования в городских условиях и организации сот небольшого размера лучше подходит более компактное устройство, а именно, базовая станция RS4000 Midi. Размеры самой станции (1250x600x400 мм) облегчают ее установку в стесненных условиях. Она имеет 8 или 16 каналов (мощностью каждого соответственно 3,0 и 1,5 Вт) и весит 150 кг.

В связи с тем, что установка базовой станции внутри помещения не всегда приемлема (особенно в городских условиях), то лучшим решением становится использование аппаратуры RS4000 City. Эта станция имеет 8 каналов и один анализатор уровня сигнала. Она оборудована системой обогрева и температурного контроля.

Для всех этих станций предусмотрено дистанционное управление (удаленный компьютер).

Сотовая система подвижной связи стандарта AMPS

Принципы построения и общие характеристики

Система сотовой подвижной связи стандарта AMPS была впервые введена в эксплуатацию в США в 1979 г. Общие характеристики стандарта AMPS представлены в таблице 6.2. Система работает в диапазоне 825-890 МГц и имеет 666 дуплексных каналов при ширине полосы частот каждого канала 30 кГц. Мощность передатчика базовой станции составляет 45 Вт, автомобильной подвижной станции - 12 Вт, переносного аппарата - 1 Вт. В стандарте использован ряд оригинальных технических решений, направленных на обеспечение качественной связи при минимальной стоимости оборудования. На основе этого стандарта в дальнейшем были разработаны две его модификации: аналоговая N-AMPS и цифровая D-AMPS. Оба эти варианта были созданы, в первую очередь, для размещения в выделенной полосе частот большего числа разговорных каналов. В N-AMPS это достигается использованием более узких полос частот каналов, а в D-AMPS — использованием временного разделения каналов.

В системе сотовой связи стандарта AMPS применяются базовые станции с антеннами, имеющими ширину диаграммы направленности 120°, которые устанавливаются в углах ячеек. Базовые станции подключены к центрам коммутации с помощью проводных линий, по которым передаются речевые сигналы и служебная информация. Длина управляющего сообщения, передаваемого абоненту, составляет 463 бита.

В системе используется принцип разнесенного приема сообщений, поэтому базовые станции содержат по две антенны и соответствующие полосовые фильтры. Приемник — двухканальный, с двойным преобразованием частоты в каждом канале. Блок контроля выполняет функции диагностики состояния станции.

Для принятия решения о переключении каналов в системе осуществляется периодический контроль качества каждого из них путем измерения интенсивности принимаемого сигнала (напряженности поля) с помощью специального приемника. Информация об уровне сигнала в контролируемом канале передается в центр коммутации подвижной связи, где производится сравнение принятой информации с аналогичными данными соседних базовых станций и, в случае необходимости, принимается решение о переключении абонента на другую базовую станцию.

Подвижная станция состоит из трех блоков: приемопередатчика с синтезатором частоты на 666 каналов, блока управления, состоящего из клавиатуры и панели индикации, и логического блока.

Аппаратура центра коммутации подвижной связи и аппаратура базовых станций состоит из блоков типовых конструкций. Аппаратура базовой станции представляет собой комплект приемопередающей аппаратуры, процессоров, блоков управления и контроля. Примером такой аппаратуры может служить универсальная базовая радиостанция RBS 884 Compact, предназначенная для сотовых систем стандартов AMPS, D-AMPS и D-AMPS 1900. Она создана для работы в закрытых помещениях и на открытом воздухе. В густо населенных районах эта аппаратура может монтироваться на крышах домов, так как она защищена герметичным кожухом, устойчивым к воздействию окружающей среды, имеет небольшие габариты (1250x920x510 мм) и вес (190 кг). Количество приемопередающих каналов каждой станции равно 10 при выходной мощности каждого 10 Вт. Станция проста в монтаже, а ввод в эксплуатацию, управление, контроль и конфигурирование по частоте осуществляются дистанционно из центра управления. Все компоненты RBS 884 Compact имеют высокую надежность и высокую степень функциональной развязки, что сводит к минимуму риск выхода базовой станции из строя при повреждении одного из ее устройств.

Организация каналов управления

В рассматриваемой системе используются два типа каналов управления: прямой и обратный. Информация по прямому каналу управления в направлении от базовой станции к подвижной передается со скоростью 8 Кбит/с непрерывным потоком, который, при отсутствии информации для последней, содержит лишь контрольный текст. Это является необходимым условием функционирования системы, так как в свободном состоянии приемное устройство подвижной станции сканирует каналы управления, выбирая канал с наиболее высоким уровнем сигнала. Для передачи служебной информации в каналах управления используются сообщения стандартных форматов. В прямом канале управления сообщения стандартных форматов используются для передачи следующих сведений:

- о состоянии соответствующего обратного канала управления (свободно/занято);

- информационных данных (слова А) для четных номеров абонентов;

- информационных данных (слова В) для нечетных номеров абонентов.

Рисунок 6.9. Форматы сообщений в канале управления AMPS

Разряды, отражающие состояние обратного канала (свободно/занято), всегда располагаются на одних и тех же позициях передаваемого сообщения, с тем, чтобы упростить их выделение из общего потока информации. Объединение двух потоков информации (слова А и слова В) уменьшает временной промежуток, отведенный для синхронизирующей последовательности. Достоверность принимаемой информации увеличивается благодаря многократной ее передаче (пять повторов), что особенно важно для каналов, подверженных замираниям и интерференции сигналов. Для обеспечения необходимой достоверности информационные слова кодируются и объединяются с разрядами коррекции ошибок. В приемнике осуществляется мажоритарное накопление последовательностей по соответствующим правилам принятия решения (3 из 5). В прямом канале управления каждое кодовое слово содержит 28 бит информации и 12 бит коррекции ошибок; в обратном канале управления используются 36 информационных бит и 12 бит коррекции ошибок. Код с такой структурой позволяет исправлять однократную ошибку и обнаруживать 4 ошибки. Информационные слова — это сложные пакеты информации, разделенные на группы или на отдельные разряды, каждый из которых определяет параметры системы, цифру в набираемом номере и т. п. Более точное содержание формата слова зависит от типа сообщения, а длина полного информационного слова может составлять 463 бита.

Установление входящего вызова

Процедура установления входящего вызова в системах стандарта AMPS выполняется следующим образом. Если в центр коммутации подвижной связи поступает заявка на установление связи с подвижным абонентом от абонента телефонной сети общего пользования или другого подвижного абонента, т. е. заявка на входящий вызов, то он по проводному каналу передачи данных дает команду всем базовым станциям, находящимся в зоне обслуживания, вызвать необходимого подвижного абонента. Этот вызов по каналу управления транслируется на подвижную станцию, которая, получив его, проверяет возможность доступа в обратный канал управления с помощью флага «свободно/занято», имеющегося в принятом сообщении. Если обратный канал управления свободен, то абонентская станция выдает в центр коммутации подвижной связи MSC через базовую станцию подтверждающее сообщение, которое содержит личный номер подвижного абонента.

Центр коммутации, приняв это сообщение, анализирует поступившую информацию, определяет номер базовой станции, обслуживающей в данный момент времени вызываемого абонента, и, тем самым, определяет его местоположение. Затем он выбирает свободный разговорный канал на данной базовой станции BTS и занимает его, указывая в информационной части канала управления, что этот канал «занят». Процедура входящего вызова происходит в течение 1-4 мс, что совсем не заметно для пользователя. Реализация такой процедуры позволяет снизить до минимума вероятность конфликтной ситуации при занятии канала управления несколькими абонентами одновременно. После выполнения процедуры установления свободного канала связи и его занятия из центра коммутации по разговорному каналу посылается повторный вызов на базовую станцию с указанием номера выделенного радиоканала и номера специального сигнала SAT (Supervisory Audio Tone).

В качестве сигнала SAT в одной ячейке системы сотовой связи может использоваться сигнал одной из трех тональных частот: 5970, 6000 или 6030 Гц, который необходим для контроля за исполнением команд и качеством связи в разговорном канале.

Получив информацию от центра коммутации, абонентская станция перестраивается на частоту свободного разговорного канала и по нему ретранслирует выделенный сигнал SAT. При его распознавании на базовой станции принимается решение о готовности дуплексного радиоканала «базовая станция - абонент», о чем сообщается в центр коммутации соответствующим сигналом. Далее производится коммутация наземной телефонной линии между центром MSC и базовой станцией, радиоканала между станцией BTS и подвижной станцией MS, которая соответствующей командой приводится в готовность. Если абонент свободен, то от него по назначенному разговорному каналу на базовую станцию передается тональный сигнал ST (Signalling Tone) частотой 8 кГц, который прерывается при снятии трубки абонентского аппарата. По сигналу ST базовая станция сообщает в центр коммутации о готовности абонентского терминала, и центр MSC посылает абоненту сигнал вызова (звонок).

При прерывании сигнала ST центр коммутации подключает весь разговорный тракт, передает в канал сигнал SAT и следит за результатами контроля качества связи. По завершении разговора от абонентского терминала передается сигнал ST и сигнал о перестройке на частоту канала управления, поэтому базовая станция сообщает в центр коммутации подвижной связи об окончании сеанса связи, после чего коммутационное оборудование освобождается.

Сигнал SAT постоянно передается в канале связи во время разговора. В том случае, если обнаружено прерывание этого сигнала, абонентская станция включает таймер и, если сигнал SAT не будет обнаружен по истечении определенного времени, переключается на частоту канала управления. На этом сеанс связи заканчивается.

Следует отметить, что в отличие от алгоритма входящего вызова системы NMT в данном алгоритме контроль достоверности принимаемых сообщений частично перенесен на блок управления абонентской станции. Например, с его помощью определяется соответствие между принятым номером разговорного канала и номером канала управления, который обслуживает данную группу разговорных каналов.

Организация управления при исходящем вызове

Исходящий от подвижного абонента вызов может быть предназначен как для абонента телефонной сети общего пользования, так и для другого подвижного абонента системы сотовой связи. Для производства исходящего вызова пользователь набирает на радиотелефоне номер вызываемого абонента; этот номер передается на базовую станцию и далее транслируется в центр коммутации по каналу передачи данных. После анализа информации и выделения свободного разговорного канала в действующих системах сотовой связи организуется тестирование состояния каналов, устанавливается соединение и в сторону вызываемого абонента посылается вызов. При ответе абонента подключается весь разговорный тракт.

В системах сотовой связи стандарта AMPS управление при исходящем вызове основано на применении сигналов SAT и ST. Как и в системе стандарта NMT, номер вызываемого абонента записывается в запоминающее устройство абонентской станции, которая затем проверяет состояние обратного канала управления на занятость, т. е. определяет возможность доступа в прямой канал управления.

Получив доступ, абонентская станция передает исходящий вызов, в котором содержатся номера вызывающего и вызываемого абонентов. Базовая станция транслирует исходящее сообщение по каналу передачи данных в центр коммутации, где осуществляется проверка на несанкционированный доступ вызывающего абонента к данной сети. Если абонент имеет право доступа, то центр коммутации инициирует в течение 1-4 мс состояние обратного канала управления как «занято», выделяет свободный разговорный канал и передает сигнал SAT. Одновременно с этим устанавливается соединение с вызываемым абонентом и ему передается вызов. Получив номера разговорного канала и сигнала SAT, вызывающая станция настраивается на частоту разговорного канала и передает по нему через базовую станцию в центр коммутации подвижной связи соответствующий сигнал SAT, после получения которого осуществляется проверка разговорного тракта MSC-BTS-MS. Далее центр коммутации ожидает ответа вызываемого абонента и, при снятии им трубки, подключает разговорный тракт и ведет контроль качества речи.

Организация эстафетной передачи абонента

Одной из основных проблем при разработке систем сотовой связи является обеспечение непрерывной связи во время передвижения абонента по зоне обслуживания. Для ее разрешения используется принцип эстафетной передачи. В системах стандарта AMPS протокол обмена сообщениями в рассматриваемом режиме подобен протоколу систем стандарта NMT и отличается лишь тем, что контроль за качеством передачи ведется с помощью сигнала SAT. В процессе эстафетной передачи абонента от одной базовой станции к другой аппаратура подвижного абонента уведомляется о номере сигнала SAT специальным сообщением. По мере приближения подвижной станции к границе ячейки величина отношения сигнал/шум уменьшается. Поэтому базовая станция BTS1 может выдать в центр коммутации сигнал «ухудшение качества», по которому центр коммутации идентифицирует шесть ближайших к абоненту базовых станций и дает им команду измерить уровень сигнала SAT1 в данном радиоканале. Центр коммутации сравнивает полученные результаты и выбирает новую ячейку с более высоким уровнем сигнала, например, ячейку 2, в базовую станцию которой передается номер нового разговорного канала и номер SAT2. Это сообщение транслируется на подвижную станцию в разговорном канале, по которому ведется сеанс связи. Подтверждением получения информации является кратковременное (на 50 мс) прерывание сигнала SAT2, зафиксировав которое, BTS1 посылает сигнал исполнения на центр коммутации. В новом разговорном канале абонентский терминал передает в центр коммутации сигнал готовности, последний производит соответствующую перекоммутацию каналов, освобождая базовую станцию BTS1, и подключает новый разговорный тракт. Контроль качества передачи ведется по сигналу SAT2, дискретная информация передается в разговорном канале методом бланкирования, при котором речевые сигналы прерываются. Вся процедура эстафетной передачи занимает около 250 мс, поэтому для абонента момент переключения незаметен.

Система сотовой подвижной связи стандарта TACS

Системы сотовой подвижной связи стандарта TACS строятся по радиальному принципу с использованием небольшого числа базовых станций. В таких системах каждая базовая станция непосредственно соединяется с центром коммутации (центральной станцией), который имеет выход в телефонную сеть общего пользования. Первая система этого стандарта была введена в эксплуатацию в Великобритании (г. Лондон) в январе 1985 г.

Основные характеристики системы представлены в таблице 6.2.

По принципу построения, сопряжению между станциями и организации управления система сотовой подвижной связи стандарта TACS почти полностью идентична системе стандарта AMPS. Отличие, в основном, состоит в ширине каналов и пиковой девиации частоты: в системе стандарта AMPS ширина канала равна 30 кГц, пиковая девиация частоты 12 кГц, а в системе TACS - 25 и 9,5 кГц соответственно. В системе используется 1000 дуплексных каналов, из которых 956 являются разговорными, а остальные образуют две группы по 21 каналу, которые являются каналами управления. В разговорных каналах для передачи информации используется узкополосная частотная модуляция. В каналах, которые используются для передачи данных, для преобразования цифровой информации в аналоговый сигнал применяется двоичная частотная манипуляция.

В сельской местности радиусы ячеек достигают 30 км, в городе же они могут уменьшаться до 200 м вследствие плохого качества приема сигнала. В системах этого стандарта обычно используются ненаправленные антенны. Коэффициент повторения частот С при этом равен 7.

Логика работы системы предусматривает автоматическую регулировку мощности передающих устройств: для автомобильной абонентской станции на 32 дБ, для портативной - на 20 дБ.

Тональные сигналы служат для организации дуплексного канала связи между базовой и абонентской станциями, Коэффициент повторения этих сигналов С_УПР = 7·3 = 21, причем для передачи используются частоты 5970, 6000, 6030 Гц. Сигнал частотой 800 Гц является ответным и передается только абонентской станцией.

Организация каналов управления в системах сотовой связи стандарта TACS аналогична рассмотренному выше стандарту AMPS (см. подраздел 6.4.2).

Процедура установления входящего вызова в системах стандарта TACS, а также процедуры установления исходящего вызова и эстафетной передачи абонента аналогичны таким же процедурам, регламентированным стандартом AMPS (см. подраздел 6.4.3, 6.4.4, 6.4.5).

Цифровые системы сотовой подвижной связи

Цифровые системы сотовой подвижной связи представляют собой системы второго поколения. По сравнению с аналоговыми системами они предоставляют абонентам больший набор услуг и обеспечивают повышенное качество связи, а также взаимодействие с цифровыми сетями с интеграцией служб (ISDN) и пакетной передачи данных (PDN). Среди этих систем широкое распространение получили те, которые базируются на стандартах GSM (DCS1800), D-AMPS (ADC), JDC, CDMA. Сравнительные характеристики стандартов представлены в таблице 6.4.

Система сотовой связи стандарта GSM

Мультидоступ

В стандарте GSM используется узкополосный многостанционный доступ с временным разделением каналов. При мультидоступе с временным разделением каналом абоненты передают свои сообщения на одной и той же радиочастоте, но в разное время. Это позволяет увеличить объем речевого трафика и дает ряд других преимуществ, характерных для цифровых систем связи. В структуре CDMA кадра содержит 8 временных позиций на каждой из 124 FDMA / TDMA / FDD.

FDD - частотное дуплексирование: полосы частот передачи и частот приема разнесены.

FDMA - частотное разделение рабочего диапазона. В полосе 25 МГц организует 120 несущих частот.

TDMA - временное разделение на 1 несущей частоте организуется 8 временных окон.

Спектр частот

Спектр частот представлен на рисунке 6.10.

Основные характеристики стандарта GSM:

- частоты передачи мобильной (МС) и приема базовой станции (БС) 890-915 МГц;

- частоты приема мобильной и передачи БС 935-960 МГц;

- ширина полосы одного канала Df_k=200 кГц;

- ширина полосы системы 50 МГц;

- максимальное количество радиоканалов – 124;

- максимальное количество радиоканалов в БС - 16-20;

- количество речевых каналов на несущей - 8;

- алгоритм преобразований речи – RPE-LTP;

- скорость преобразования речи – 13 Кбит/с;

- скорость передачи информации – 270 Кбит/с;

- вид модуляции – 0,3 GMSK;

- радиус соты –5-35 км;

- мощность передачи: БС - 44 Вт (13 дБ*Вт), МС – 1 Вт (3 дБ*Вт).

Рисунок 6.10 - Дуплексный разнос частот передачи и приема

Обработка речи в данном стандарте осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи DTX (Discontinuous Transmission), которая обеспечивает включение передатчика только тогда, когда пользователь начинает разговор и отключает его в паузах и в конце разговора. Система DTX управляет детектором активности речи VAD (Voice Activity Detector), который обеспечивает обнаружение и выделение интервалов речи с шумом и без шума речи даже в тех случаях, когда уровень шума соизмерим с уровнем речи.

Для защиты от ошибок, возникающих в радиоканалах, применяется блочное и сверточное кодирование с перемежением. Повышение эффективности кодирования и перемежения при малой скорости перемещения подвижных станций достигается медленным переключением рабочих частот сеанса связи (со скоростью 217 скачков в секунду).

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

Для модуляции радиосигнала применяется спектрально-эффективная гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом. Формирование GMSK-радиосигнала происходит таким образом, что на интервале, соответствующем одному биту, фаза несущей изменяется на 90º. Это наименьшее изменение фазы, которое может быть обнаружено при данном типе манипуляции.

Виды интерфейсов

В переводной литературе приняты следующие обозначения: MS — подвижная станция; BTS — базовая станция; BSC — контроллер базовой станции; TCE — транскодер; ВSS — оборудование базовой станции (BSC+TCE+BTS); MSC — центр коммутации подвижной связи; HLR — регистр положения; VLR — регистр перемещения; AUC — центр аутентификации; EIR— регистр идентификации оборудования; OMC — центр управления и обслуживания; NMC — центр управления сетью; ADC — административный центр; PSTN — телефонная сеть общего пользования; PDN— сети пакетной передачи; ISDN — цифровые сети с интеграцией служб.

Интерфейсы обеспечивают функциональное сопряжение элементов системы:

а) с внешними сетями:

- соединение с PSTN –осуществляется по линиям связи 2 Мб/с;

- соединение с ISDN-предусматривает 4 линии связи 2 Мб/с;

- соединение с сетью NMT-450 через 4 линии связи 2 Мб/с;

б) Внутренние интерфейсы:

- интерфейс между BSC и BTS (A-lis интерфейс с 64 Кб/с);

- между MSC и BSS (A-интерфейс);

- между MSC и HLR совмещен с VLR (B-интерфейс);

- между MSC и HLR (C-интерфейс);

- между HLR и VLR (D-интерфейс);

- между MSC (E-интерфейс);

- между BSC и OMC (O- интерфейс);

- между MS и BTS (Um-радиоинтерфейс);

Физические и логические каналы

На одной несущей организуется 8 физических каналов, размещенных в 8 временных окнах, в пределах TDMA-кадра каждый физический канал использует одно и тоже временное окно в каждом временном TDMA- кадре и в нем содержится 114 бит.

Сообщение и данные группируются в логические каналы до формирования физического канала.

Логические каналы бывают 2-х типов:

- каналы связи для передачи речи и данных в цифровой форме TCH.

- каналы управления для передачи сигналов управления и синхронизации (CCH-каналы, таблица 6.7).

В GSM различают каналы для передачи речи и данных:

- TCH/F - канал передачи сообщений с полной скоростью 22,8 Кбит/с;

- TCH/H – полускоростной канал передачи сообщений со скоростью 11,4 Кбит/с.

Таблица 6.7

Каналы управления и синхронизации

BCCH	CCCH	SDCCH	ACCH
Канал для передачи сигналов управления	Общие каналы управления	Индивидуальный канал управления	Совмещенный канал управления
FSSH – канал подстройки несущей частоты fBS MSCCH - канал временной синхронизации и опознавания BS. BCCH – канал управления передачей BS - MS.	PSH - канал вызова BS - MS RACH - канал параллельного доступа BS - MS (для запроса о назначении индивидуального канала управления). AGSH - канал разрушенного доступа BS- MS (для прямого доступа к каналу)	SDCCH/4 SDCCH/8 Состоит из 4 (8) подканалов. По ним идет запрос от MS о требуемом виде обслуживания BS- MS.	FACCH - быстрый совмещенный канал используется для передачи команд при хендовере SACCH – медленный – используется в прямом канале для передачи команды на установку выходного уровня мощности передатчика MS

Процесс преобразования сигналов в мобильной станции

Преобразование речи

Формирование сигналов начинается с процесса преобразования речевого сигнала в цифровую форму.

Процедура преобразования происходит в речевом кодере. Для стандарта GSM выбран речевой кодер RPE-LTP (кодер с регулярным импульсным возбуждением и линейным кодированием с предсказанием) с долговременным прогнозирующим устройством от MPE-LTP кодером, что позволило снизить скорость передачи до 13 Кбит/с (с 14,77 Кбит/с).

Уменьшение скорости до 13 Кбит/с достигается тремя этапами:

- линейным кодированием с предсказанием;

- долговременным предсказанием;

- регулярным импульсным возбуждением.

Диапазон входных амплитуд разбивается на сегменты. Затем в процессе анализа вычисляются 8 коэффициентов r(i), которые представляются как уровни. Затем в процессе долговременного предсказания каждый сегмент выравнивается до уровня следующих друг за другом сегментов речи.

Кодеры с линейным предсказанием извлекают существенные для восприятия характеристики речи непосредственно из временной формы сигнала. Такой кодер анализирует речевой сигнал для получения меняющейся во времени модели возбуждения речи образующего тракта.

Восемь коэффициентов r(i) кодируются и передаются со скоростью 3,6 Кбит/с, периодическая последовательность фрагментов передается со скоростью 9,4 Кбит/с. Общая скорость передачи составляет 3,6 + 9,4 Кбит/с. Таким образом, обработка речи производится по кадрам длительностью 20 мс. За время кадра при анализе вычисляются 93 значения параметров, которые передаются каждые 20 мс цифровым потоком со скоростью 13 Кбит/с.

Кодер распознает при анализе речи различные звуки речи и передает с генератора синусоидальный сигнал во всем диапазоне речевых частот.

В речевом декодере сигнал восстанавливается по откликам последовательности регулярного импульсного возбуждения.

Система DTX управляет детектором активности речи VAD (Voice Activity Detector), который обеспечивает обнаружение и выделение интервалов речи с шумом и шума без речи, даже в тех случаях, когда уровень шума соизмерим с уровнем речи, рисунок 6.11.

декодер

Рисунок 6.11 - Структурная схема процессов обработки речи в стандарте GSM.

Канальное кодирование

Речевой кодер передает каждые 260 бит информационной последовательности со скоростью v = 13 Кбит/с на схему канального кодирования. Первые 182 бита этого кадра (биты 1-го класса) защищаются с помощью блочного кода. Для этого биты 1-го класса разделяются дополнительно на 50 бит класса 1а и 132 бита класса 1б, рисунок 6.12.

Рисунок 6.12 – Структура формирования сигнала

Блочный код представляет собой систематический циклический код (53,50).

В соответствии с принятым правилом формирования системного кода, ключ SW закрыт на время первых 50 тактовых импульсов, а информационные биты, поступающие на вход кодирующего устройства, одновременно поступают на блок переупорядочения и формирования 3 бит проверки на четность, рисунок 9.11.

После 50 тактовых импульсов переключатель SW срабатывает, и биты проверки на четность поступают из кодирующего устройства.

Рисунок 9.11 – Структурная схема циклического кодера.

Рисунок 9.12 – Структура формирования сигнала.

Далее проводится первый шаг перемежения: биты с четными индексами собираются в первой части информационного слова, затем идут 3 бита проверки на четность, затем собираются биты с нечетными индексами и переставляются. Затем следуют 4 нулевых бита, которые нужны для формирования кода, исправляющего случайные ошибки в канале, рисунок 9.13.

Рисунок 9.13 – Структура формирования сигнала.

Затем 189 бит кодируются сверточным кодом. Сверточный код является непрерывным. В основу положен принцип формирования проверочных разрядов путем суммирования по модулю «2» каждого информационного разряда с некоторым набором предыдущих разрядов. К информационному разряду добавляются 2 проверочных, полученных в процессе формирования, рисунок 9.14, таблица 9.2.

Рисунок 9.14 – Схема сверточного кодера

Таблица 9.2

Входная информация	Содержимое ячеек

После сверточного кодирования общая длина кадра составит 456 бит, рисунок 9.15.

Рисунок 9.15 - Структура формирования сигнала

После этого кадр из 456 бит делится на восемь 57-битовых подблоков, рисунок 9.16.

B0

B1

B2

B3

B4

B5

B6

B7

Рисунок 9.16 – Структура формирования сигнала.

Затем подблоки подвергаются диагональному и внутрикадровому перемежению, разбиваются на пакеты и пакеты перемежаются.

Формирование TDMA-кадра

В результате этих преобразований каждый отсчет уровня исходного аналогового сигнала представляется в виде зашифрованного сообщения, состоящего из 114 бит – двух самостоятельных блоков по 57 бит, рисунок 3.14, разделенных между собой эталонной (обучающей) последовательностью 26 бит. При приеме этой последовательности определяется характер искажений в тракте распространения сигнала, и характеристики приемника формируются уже применительно к конкретным условиям работы в данный момент времени.

По обучающей последовательности производят настройку эквалайзера. Временной интервал пакета имеет длительность 0,577 мс. В его состав кроме двух блоков по 57 бит и обучающей последовательности включается:

- 2 концевых комбинации TB (Tail Bits) по 3 бита каждая;

- 2 контрольных бита, разделяющих зашифрованные биты сообщения;

- защитный интервал GP (Guard Period) длительностью, равной времени передачи 8,25 бита.

Это означает, что интервал NB содержит 156,25 бит, а длительность одного бита составляет 3,69 мкс.

Рисунок 3.14 – Структура формирования сигнала.

Каждый интервал кадра обозначается от 0 до 7, т.е. в одном кадре одновременно могут передаваться 8 речевых каналов. Физический смысл временных интервалов, которые иначе называются окнами, - это время, в течение которого осуществляется модуляция несущей цифровым информационным потоком соответствующим речевому сообщению или данным.

Цифровой информационный поток представляет собой последовательность пакетов, размещаемых в этих временных интервалах (окнах). Пакеты формируются немного короче, чем интервалы, их длительность составляет 0,546 мс, что необходимо для приема сообщения при наличии временной дисперсии в канале распространения. Общая длительность одного TDMA-кадра составляет 4,615 мс.

В общем виде временная диаграмма процесса передачи выглядит следующим образом, рисунок 3.15.

Для передачи информации по каналам управления и связи, подстройки несущих частот, обеспечения временной синхронизации и доступа к каналу связи используются пять видов временных интервалов (окон):

- NB (Normal Burst) — нормальный временной интервал;

- FB (Frequency correction Burst) — временной интервал подстройки частоты;

- SB (Synchronisation Burst) — интервал временной синхронизации;

- DB (Dummy Burst) — установочный интервал;

-
АВ (Access Burst) — интервал доступа.

Рисунок 3.15 - Структура кадров сигнала в стандарте GSM.

При передаче по одному разговорному каналу в стандарте GSM используется нормальный временной интервал NB (пакет) длительностью 0,577 мс, который включает в себя:

- 114 бит зашифрованного сообщения;

- две концевых комбинации ТВ (Tail Bits) по 3 бита каждая;

- два контрольных бита, разделяющих зашифрованные биты сообщения и эталонную последовательность;

- защитный интервал GP (Guard Period) длительностью, равной времени передачи 8,25 бита.

Это означает, что интервал NB содержит 156,25 бит, а длительность одного бита составляет 3,69 мкс.

Временной интервал подстройки частоты содержит 142 нулевых бита, две концевых комбинации ТВ и защитный интервал. Повторяющиеся временные интервалы подстройки частоты образуют канал установки частоты (FCCH). Интервал временной синхронизации SB используется в подвижной станции для синхронизации работы аппаратуры. Он состоит из синхропоследовательности длиной 64 бита и двух зашифрованных блоков (по 39 бит каждый), несущих информацию о номере TDMA-кадра и идентификационном коде базовой станции. Этот интервал передается вместе с интервалом установки частоты. Повторяющиеся интервалы синхронизации образуют так называемый канал синхронизации (SCH).

Установочный интервал DB обеспечивает установление и тестирование канала связи. По своей структуре установочный интервал совпадает с нормальным временным интервалом NB. Различие их состоит в том, что интервал DB содержит установочную последовательность длиной 26 бит и в нем отсутствуют контрольные биты. Интервал доступа АВ обеспечивает разрешение доступа подвижной станции к новой базовой станции, Он содержит большой защитный интервал GP длительностью 252 мкс (68,25 бита), две концевых комбинации ТВ (по 3 бита каждая), синхропоследовательность длиной 41 бит и 36 зашифрованных бит. Большой защитный интервал (252 мкс) обеспечивает возможность связи с подвижными абонентами в сотах радиусом до 35 км, поскольку он перекрывает время распространения радиосигнала в прямом и обратном направлениях, которое может составлять при этом до 233,3 мкс.

Передача информации при временном разделении каналов осуществляется в составе TDMA- кадра. Каждый временной интервал этого кадра обозначается номером от 0 до 7, т. е. в одном кадре одновременно могут передаваться 8 речевых каналов. Физический смысл временных интервалов, которые иначе называются окнами, — это время, в течение которого осуществляется модуляция несущей цифровым информационным потоком, соответствующим речевому сообщению или данным. Цифровой информационный поток представляет собой последовательность пакетов, размещаемых в этих временных интервалах (окнах). Пакеты формируются немного короче, чем интервалы, их длительность составляет 0,546 мс, что необходимо для приема сообщения при наличии временной дисперсии в канале распространения. Общая длительность одного TDMA-кадра составляет 4,615 мс. Из ТDМА-кадров составляются мультикадры. Для организации различных каналов связи и управления в стандарте GSM используются два вида мультикадров:

- состоящие из 26 TDMA-кадров;

- состоящие из 51 ТDМА-кадра.

Длительность одного мультикадра первого вида равна 120 мс, второго - 235,385 мс. Из 51 мультикадра первого вида (по 26 кадров) или из 26 мультикадров второго вида (по 51 кадру) составляется суперкадр длительностью 6, 12 с (1326 ТОМА- кадров). 2048 суперкадров составляют 1 гиперкадр, содержащий 2715648 TDMA- кадров, Длительность 1 гиперкадра составляет 3 ч 28 мин 53 с 760 мс. Необходимость такой большой длительности гиперкадра обусловлена требованиями применяемого процесса криптографической защиты, в котором номер кадра используется как входной параметр шифрования. Однако даже без дополнительного шифрования прослушивать разговоры практически невозможно.

Одной из особенностей формирования сигналов в стандарте GSM является использование медленных скачков по частоте в процессе сеанса связи – SFH (Slow Frequency Hopping). Главное назначение таких скачков – обеспечение частотного разнесения в радиоканалах, функционирующих в условиях многолучевого распространения радиоволн. Медленные скачки частоты используются во всех подвижных сетях, что повышает эффективность кодирования и перемежения при медленном движении абонентских станций.

Принцип формирования медленных скачков по частоте состоит в том, что сообщение, передаваемое в выделенном абоненту временном интервале TDMA-кадра 0,577 мс, в каждом последующем кадре передается (принимается) на новой фиксированной частоте, рисунок 3.16. В соответствии со структурой кадров, время для перестройки частоты составляет около 1 мс.

В процессе скачков по частоте постоянно сохраняется разнос 45 МГц между каналами приема и передачи. Всем активным абонентам, находящимся в одной соте, ставятся в соответствие непересекающиеся последовательности переключения частот, что исключает взаимные помехи при приеме сообщений абонентами. Параметры последовательности переключений частот (частотно-временная матрица и начальная частота) назначаются для каждой подвижной станции в процессе установления канала связи.

Рисунок 3.16 - Принципы формирования медленных скачков по частоте

Шифрование

Далее сигнал подвергается шифрованию сообщения по алгоритму шифрования с открытым ключом (RSA) для обеспечения безопасности передачи сообщений.

Алгоритм шифрования с открытым ключом RSA заключается в том, что каждое сообщение М разбивается на блоки фиксированной длины, и каждый блок кодируется как совокупность фиксированного числа цифр. Такой алгоритм обеспечивает высокую степень безопасности при передаче речи и исключает возможность извлечения информации из канала связи кому-либо, кроме санкционированного пользователя. На приеме сообщение расшифровывается в дешифраторе.

Алгоритм ключа шифрования хранится в модуле SIM.

Гауссовская частотная манипуляция (GMSK)

В стандарте GSM выбрана гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом – GMSK. Индекс модуляции 0,3. GMSK представляет собой двоичную ЧМ с двумя соответствующими сигналу частотами, выбранными таким образом, чтобы на одном тактовом интервале между двумя частотами имелся фазовый сдвиг на 90°. Этот процесс показан на рисунках 3.17, 3.18.

Рисунок 3.17 - Принцип формирования GMSK-сигнала

Рисунок 3.18 – Формирование GMSK-сигнала

Модуляцию GMSK характеризуют следующие свойства:

- постоянная по уровню огибающая, позволяющая использовать передающие устройства с усилителями мощность класса С;

- узкий спектр на выходе усилителя мощности передающего устройства обеспечивающий низкий уровень внеполосного излучения;

- хорошая помехоустойчивость канала связи.

Структурная схема сети стандарта GSM

Оборудование сетей GSM (рисунок 3.19) включает в себя: подвижные радиотелефоны, базовые станции, цифровые коммутаторы, центр управления и обслуживания, дополнительные подсистемы и устройства. Функциональное сопряжение элементов системы осуществляется с помощью ряда интерфейсов.

В рамках стандарта GSM приняты пять классов мобильных станций: от модели 1-го класса с выходной мощностью до 20 Вт, устанавливаемой на транспортных средствах, до модели 5-ro класса с максимальной выходной мощностью до 0,8 Вт (таблице 3.3). При передаче сообщений предусматривается адаптивная регулировка мощности передатчика, обеспечивающая требуемое качество связи. Подвижная и базовые станции независимы друг от друга.

Таблица 3.3 - Классификация подвижных станций

Класс модели	Максимальная мощность передатчика, Вт	Допустимые отклонения, дБ
		1,5
		1,5
		1,5
		1,5
	0,8	1,5

Каждая подвижная станция имеет свой международный идентификационный номер (IMSI), записанный в ее памяти. Такой подход позволяет устанавливать радиотелефоны, например, в автомобилях, сдаваемых напрокат.

Каждой подвижной станции присваивается еще один международный идентификационный номер IMEI, который используется для исключения доступа к сетям GSM с помощью похищенной станции или станции, не обладающей такими полномочиями.

Оборудование подсистемы базовых станций состоит из контроллера базовых станций BSC и собственно базовых станций BTS. Один контроллер может управлять несколькими станциями. Он выполняет следующие функции: управляет распределением радиоканалов; контролирует соединения и регулирует их очередность; обеспечивает режим работы с «прыгающей» частотой, модуляцию и демодуляцию сигналов, кодирование и декодирование сообщений, кодирование речи, адаптацию скорости передачи речи, данных и сигналов вызова; определяет очередность передачи сообщений персонального вызова.

Оборудование подсистемы коммутации состоит из центра коммутации подвижной связи MSC, регистра положения HLR, регистра перемещения VLR, центра аутентификации AUC и регистра идентификации оборудования EIR. Центр коммутации подвижной связи обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается подвижная станция в процессе своей работы. Он представляет собой интерфейс между сетью подвижной связи и фиксированными сетями, такими как телефонная сеть общего пользования PSTN, сети пакетной передачи PDN, цифровые сети с интеграцией служб ISDN, и обеспечивает маршрутизацию вызовов и функцию управления вызовами. Кроме этого, на MSC возлагаются функции коммутации радиоканалов, к которым относятся эстафетная передача, обеспечивающая непрерывность связи при перемещении подвижной станции из соты в соту, и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностей. Центр коммутации осуществляет постоянное слежение за подвижными станциями, используя регистры положения и перемещения. В регистре положения хранится та часть информации о местоположении какой-либо подвижной станции, которая позволяет центру коммутации доставить вызов. Этот регистр содержит международный идентификационный номер подвижного абонента (IMSI), который используется для опознавания подвижной станции в центре аутентификации (AUC), а также еще некоторые данные, необходимые для нормальной работы сети GSM.

Регистр перемещения - это второе основное устройство, обеспечивающее контроль за передвижением подвижной станции из соты в соту. С его помощью достигается функционирование подвижной станции за пределами контролируемой регистром положения зоны. Когда в процессе перемещения подвижная станция переходит из зоны действия одного контроллера базовых станций в зону действия другого, то она регистрируется последним, т.е. в регистр перемещения заносится новая информация. Для сохранности данных, находящихся в регистрах положения и перемещения, в случае сбоев предусмотрена защита запоминающих устройств этих регистров.

Система сотовой подвижной связи стандарта D-AMPS

Принципы построения и общие характеристики

Стандарт сотовой подвижной связи D-AMPS был разработан и принят к использованию в США в 1990 г. Необходимость его создания была обусловлена тем, что существовавшая национальная аналоговая сотовая система связи стандарта уже перестала отвечать требованиям, предъявляемым к системам подвижной связи: из-за малой пропускной способности, недостаточного качества связи, ограниченного набора услуг, отсутствия засекречивания передаваемых сообщений и т.п. В отличие от Европы, где для вновь разрабатываемой цифровой системы стандарта GSM был выделен отдельный частотный диапазон, в США не удалось обеспечить новую разработку собственной полосой частот, поэтому было принято решение о совместном использовании в одной полосе частот систем двух стандартов: аналогового AMPS и нового цифрового D-AMPS, сохранив при этом существовавший в аналоговой системе разнос частот между каналами, равный 30 кГц.

Ассоциациями TIA и CTIA были приняты три внутренних стандарта: IS-54 — на систему сотовой связи D-AMPS (ADC); IS-55 — на двухмодовую подвижную станцию, обеспечивающую связь по двум стандартам (аналоговому