Структурна схема та склад обладнання систем GSM

Структурна схема системи стільникового зв'язку стандарту GSM представлена на рис. 4.1.

Рисунок 4.1 – Структурна схема мережі стандарту GSM

Мережа стандарту GSM включає:

MS – мобільна станція;	EIR – реєстр ідентифікації обладнання;
BTS – базова станція;	SSS – підсистема комутації;
BSC – контролер базової станції;	ОMS – центр управління і обслуговування;
TCE – транскодер;	NMS – центр управління мережею;
BSS – підсистема БС (TCE+BSC+BTS);	АDС – адміністративний центр;
MSC – центр комутації МС;	ISDN – цифрові мережі з інтеграцією служб;
HLR – реєстр положення;	РDN – мережі пакетної передачі.
VLR – реєстр переміщення; AUC – центр аутентифікації;	PSTN – телефонна мережа загального користування.

Центр комутації мобільного зв'язку MSC обслуговує групу стільників і за забезпечує всі види з’єднань, які є необхідні у процесі роботи мобільної станції. MSC аналогічний до комутаційної станції і являє собою інтерфейс між фіксованими мережами (PSTN, PDN, ISDN і т.д.) і системою мобільного зв'язку. Він забезпечує маршрутизацію викликів і функції управління викликами. Крім виконання функцій звичайної комутаційної станції, на MSC припадають функції комутації радіоканалів. До них відноситься естафетна передача, в процесі якої досягають неперервність зв'язку при переміщенні мобільної станції із стільника в стільник і перемикання робочих каналів в стільнику при появі завад або при несправностях.

MSC забезпечує обслуговування мобільних абонентів, які розміщені в межах заданої географічної зони; управляє процедурами встановлення виклику і маршрутизації, накопичує дані про розмови, що відбулися, які є необхідними для виписки рахунків за надання послуг мережею; підтримує процедури безпеки, які використовують для управління доступом до радіоканалів.

MSC управляє процедурами реєстрації місцезнаходження для забезпечення доставки виклику мобільним абонентам, що переміщують від абонентів телефонної мережі загального користування і забезпечення ведення розмови при переміщенні мобільної станції із однієї зони обслуговування в іншу. В стандарті GSM також передбачено процедури передачі виклику між мережами (контролерами), які відносять до різних MSC.

Центр комутації виконує спостереження за мобільними станціями, використовуючи реєстри положення (HLR) і переміщення (VLR). В HLR зберігається та частина інформації про місцезнаходження МС, яка дозволяє центру комутації доставити виклик станції (рис. 4.2 і 4.3). Реєстр HLR містить міжнародний ідентифікаційний номер мобільного абонента (IMSI), який використовують для розпізнавання мобільної станції в центрі аутентифікації (AUC) [2,5].

Реєстр положення HLR являє собою базу даних про постійно прописаних в мережі абонентів. В ній знаходяться розпізнавальні номери і адреси, параметри дійсності абонентів, склад послуг зв'язку, інформація про маршрутизацію, реєструються дані про роумінг абонента, включаючи дані про тимчасовий ідентифікаційний номер мобільного абонента (TMSI) і відповідний VLR.

До даних, які входять в HLR, мають дистанційний доступ всі MSC- і VLR-мережі, в тому числі ті, які відносять до інших мереж при забезпеченні міжмережевого роумінгу абонентів. Якщо в мережі декілька HLR, кожний HLR являє собою визначену частину загальної бази даних мережі про абонентів. Доступ до бази даних про абонентів виконують за номером IMSI або MS ISDN (номеру мобільного абонента в мережі ISDN).

Реєстр переміщення VLR призначений для контролю переміщення мобільної станції із однієї зони в іншу. Він забезпечує функціонування мобільної станції за межами зони, яку контролює HLR. При переміщенні мобільної станції із зони дії одного контролера базової станції BSC в зону дії іншого BSC вона реєструється новим BSC і в VLR заносить інформація про номер області зв'язку, яка забезпечить доставку викликів мобільній станції. Для забезпечення цілісності даних в реєстрах HLR і VLR передбачений захист пристроїв пам'яті.

Рисунок 4.2 – Тимчасові дані, які зберігаються в реєстрах VLR і HLR

До VLR входять такі ж дані, що і в HLR. Ці дані зберігають в VLR, поки абонент знаходиться в зоні, яка є під контролем поточного BSC.

При роумінгу мобільній станції VLR присвоює номер MSRN. Коли мобільна станція приймає вхідний виклик, VLR вибирає його MSRN і передає його на MSC, який проводить маршрутизацію цього виклику до базових станцій, які знаходяться поряд з мобільним абонентом.

VLR керує процедурами встановлення дійсності під час обробки виклику. За рішенням оператора TMSI може періодично змінюватись для ускладнення процедури ідентифікації абонентів. Доступ до бази даних VLR може здійснюватись через IMSI, TMSI або через MSRN.

В цілому VLR являє собою локальну базу даних про мобільного абонента для тієї зони, в якій знаходиться абонент. Це дозволяє виключити постійні запити в HLR і скоротити час на обслуговування викликів [5].

Центр аутентифікації AUC призначений для підтвердження дійсності абонентів з метою виключення несанкціонованого використання ресурсів системи зв'язку. AUC приймає рішення про параметри процесу аутентифікації і визначає ключі шифрування абонентських станцій на основі бази даних, яка зосереджена в реєстрі ідентифікації обладнання (Equipment Identification Register – EIR).

Кожний мобільний абонент на час користування системою зв'язку отримує стандартний модуль дійсності абонента (SIM), який включає в себе:

− міжнародний ідентифікаційний номер (IMSI);

− свій індивідуальний ключ аутентифікації ;

− алгоритм аутентифікації А3;

− алгоритм генерації ключа шифрування А8;

− алгоритм шифрування А5.

За допомогою записаної в SIM інформації в результаті взаємного обміну даними між мобільною станцією і мережею проходить повний цикл аутентифікації, який дозволяє доступ абонента до мережі.

Рисунок 4.3 – Довгострокові дані, які зберігаються в реєстрах HLR і VLR

Реєстр ідентифікації обладнання EIR містить базу даних для підтвердження дійсності міжнародного ідентифікаційного номеру обладнання мобільної станції (IMEI). База даних EIR складається із списків номерів IMEI, які організовані наступним чином [2]:

− білий список – включає номери IMEI, про які є відомості, що вони закріплені за санкціонованими мобільними станціями;

− чорний список – включає номери IMEI мобільних станцій, які вкрадено або яким відмовлено в обслуговуванні за будь-якою причиною;

− сірий список – включає номери IMEI мобільних станцій, у яких виявлені проблеми, які не є причиною для внесення до „чорного списку” (наприклад, завищений рівень випромінюваної потужності).

До бази даних EIR мають доступ MSC даної мережі, а також можуть отримувати доступ MSC інших мобільних мереж.

Центр експлуатації і технічного обслуговування OMC є центральним елементом мережі GSM. Він забезпечує управління елементами мережі і контроль якості її роботи. OMC з’єднують з іншими елементами мережі через канали пакетної передачі протоколу X.25. OMC забезпечує обробку аварійних сигналів, призначених для сповіщення обслуговуючого персоналу, і реєструє відомості про аварійні ситуації в елементах мережі. В залежності від характеру несправності OMC забезпечує її виправлення автоматично або при активній допомозі з боку персоналу. OMC може виконати перевірку стану обладнання мережі і проходження виклику мобільної станції. OMC дозволяє регулювати навантаження в мережі.

Центр управління мережею NMC дозволяє забезпечувати раціональне ієрархічне управління мережею GSM. NMC забезпечує управління трафіком мережі і диспетчерське управління мережею в складних аварійних ситуаціях. Крім того, NMC контролює і відображає на дисплеї стан пристроїв автоматичного управління мережею. Це дозволяє операторам NMC контролювати регіональні проблеми і надавати допомогу при їх вирішенні. В екстремальних ситуаціях оператори NMC можуть застосувати такі процедури управління, як „пріоритетний доступ”, коли тільки абоненти з високим пріоритетом (екстрені служби) можуть отримати доступ до системи.

NMC контролює мережу і її роботу на мережному рівні і, відповідно, забезпечує мережу даними, які необхідні для її оптимального розвитку [4].

Обладнаннябазової станції складається з:

− контролера базової станції (BSC),

− приймально-передавальних базових станцій (BTS).

Контролер базової станції може управляти декількома BTS. BSC управляє розподіленням радіоканалів, контролює з'єднання, регулює їх послідовність, забезпечує режим роботи зі стрибками частоти, модуляцію і демодуляцію сигналів, кодування мови, адаптацію швидкості передачі повідомлень, даних і виклику. BSS разом з MSC виконує функції вивільнення каналу, якщо через радіозавади не проходить виклик, а також здійснює пріоритетну передачу інформації для деяких категорій мобільних станцій.

Транскодер TCE забезпечує приведення вихідних сигналів каналу передачі мови і даних MSC (64 кбіт/с) до вигляду, який відповідає рекомендаціям GSM з радіоінтерфейсу (Peк.GSM 04.08) зі швидкістю передачі мови 13 кбіт/с для повношвидкісного каналу. Стандартом передбачено використання напівшвидкісного мовного каналу 6.5 кбіт/с.

Транскодер, як правило, розміщується разом з MSC. При передачі повідомлень до контролера базових станцій BSC виконується стафінгування (додавання додаткових бітів) інформаційного потоку 13 кбіт/с до швидкості передачі 16 кбіт/с. Потім виконують ущільнення отриманих каналів з кратністю 4 в стандартний канал 64 кбіт/с. Так формується визначена рекомендаціями GSM 30-канальна ІКМ-лінія, яка забезпечує передачу 120 мовних каналів. Додатково один канал (64 кбіт/с) може використовуватись для передачі інформації сигналізації, інший канал (64 кбіт/с) виділяється для передачі пакетів даних, які узгоджують з протоколом Х.25 МККТТ. Таким чином, результуюча швидкість передачі за вказаним інтерфейсом складає 30 · 64 + 64 + 64 = 2048 кбіт/с.

Мобільна станціяМС складає обладнання, яке забезпечує доступ абонентів мережі GSM до існуючих фіксованих мереж електрозв’язку. В рамках стандарту GSM прийнято 5 класів мобільних станцій від моделі 1-го класу з вихідною потужністю 20 Вт, яка встановлюється на транспорті, до портативної моделі 5-го класу з максимальною потужністю 0.8 Вт (табл. 4.2) [2,5]. При передачі повідомлень виконують адаптивне регулювання потужності передавача, яке забезпечує потрібну якість зв'язку.

Таблиця 4.2 – Класи мобільних станцій

Клас потужності	Максимальний рівень потужності передавача, Вт	Допустиме відхилення, дБ
		1.5
		1.5
		1.5
		1.5
	0.8	1.5

4.3 Структура TDMA-кадрів та повільні стрибки за частотою

В системі GSM прийнятий багатостанційний доступ з часовим та частотним розділенням каналів (FDMA/TDMA). Загальна структура часових кадрів системи показана на рис. 4.4 [2,4,5,6].

Тривалості кадрів складають:

− гіперкадру: Т_г =3год. 28хв. 53 с. 760мс(12533.76 с);

− суперкадру: Т _с = 6.12 с.

В стандарті GSM є 2види мультикадрів:

− 26-позиційні (канал трафіку): Т_м = 235.355 мс;

− 51-позиційні (канал управління): Т_м = 120 мс.

Тривалість кожного TDMA-кадру: Т_к = 4.615 мс.

В періоді послідовності кожний TDMA-кадр має свій порядковий номер:

,

Таким чином, гіперкадр складається з 2715647 TDMA-кадрів. Необхідність такого великого періоду гіперкадру пояснюється тим, що для вимог криптографічного захисту номер кадру використовують як вхідний параметр в процесі шифрування повідомлень.

TDMA-кадр ділиться на 8 часових позицій з періодом мкс.

Кожна часова позиція TDMA-кадру позначається як TN = 0…7. Фізичний зміст часових позицій (вікон) – це час, протягом якого здійснюється модуляція частоти – носія цифровим інформаційним потоком, що відповідає мовному повідомленню чи даним.

Цифровий інформаційний потік являє собою послідовність пакетів, які розміщують в цих часових інтервалах (вікнах). Пакети формують коротше, ніж інтервали, їх тривалість складає 0.546 мс, що необхідно для прийому повідомлення при наявності часової дисперсії в каналі поширення.

Інформація повідомлення передається через канал зі швидкістю 270.833 кбіт/с. Це означає, що часовий інтервал TDMA-кадру містить 156.25 біт. Тривалість одного інформаційного біта 576.9 мкс/156.25 = 3.69 мкс.

Для передачі інформації через канали трафіку та управління, для забезпечення часової синхронізації та доступу до каналу зв’язку в структурі TDMA-кадру використовують 5 видів часових інтервалів (вікон):

1) NB (Normal Burst) – нормальний часовий інтервал;

2) FB (Frequency Correction Burst) ­– інтервал підлаштування частоти;

3) SB (Synchronization Burst) – інтервал часової синхронізації;

4) DB (Dummy Burst) – установочний інтервал;

5) AB (Access Burst) – інтервал доступу.

Рисунок 4.4 – Структура часових кадрів (ТВ – Tail Bits – кінцева комбінація, GB – Guard Period – захисний інтервал)

Інтервал NB застосовують для передачі інформації каналами трафіку та управління (за винятком каналу доступу RACH). Він містить 114 біт закодованого повідомлення і вміщує захисний інтервал (GP) тривалістю 30.46 мкс (8.25 біт). Інформаційний блок 114 біт розбитий на два самостійних блока по 57 біт, які розділені між собою навчальною послідовністю в 26 біт. Крім того, в склад NB включені два контрольних біта (Steeling Flag), які слугують ознакою передачі мовної інформації чи повідомлень сигналізації.

Навчальна послідовність (26 біт) призначена для:

− оцінки частоти появи помилок в двійкових розрядах за результатами порівняння прийнятої та еталонної послідовності. В процесі порівняння обчислюють параметр RXQUAL (RX Quality), прийнятий для оцінки якості зв’язку, який використовують при входженні в зв'язок, при виконанні естафетної передачі та при оцінці зони покриття радіозв’язком;

− оцінки імпульсної характеристики радіоканалу на інтервалі передачі для наступної корекції тракту прийому за рахунок використання адаптивногоеквалайзера;

− для визначення затримок поширення сигналу між БС та МС для оцінки дальності зв’язку.

Інтервал FB призначенийдля синхронізаціїMС за частотою. Всі 142 біта в цьому часовому інтервалі нульові. Це відповідає немодульованому випромінюванню на частоті, яка вище номінального значення частоти-носія на 1625/24кГц. FB використовується для перевірки роботи приймально-передавального тракту при невеликому частотному рознесенні каналів (200 кГц). FB містить захисний інтервал 8.25 біта. Часові інтервали підлаштування частоти (FB), які повторюючись, утворюють канал корекції частоти (FCCH).

Інтервал SB призначений для синхронізації за часом БС та МС. Він складається з навчальної послідовності тривалістю 64 біта. SB вміщує інформацію про номер TDMA-кадру і ідентифікаційний код базової станції. SB передається разом з FB. Інтервали синхронізації, що повторюються, утворюють канал синхронізації (SCH).

Інтервал DB забезпечує встановлення та тестування каналу зв’язку, за структурою співпадає з NB, за виключенням відсутності контрольних бітів. Ніяка інформація в цьому інтервалі не передається. DB надає інформацію про функціональність передавача.

Інтервал AB забезпечує доступ MС до нової БС. АВ передається МС при запиті каналу управління, коли час проходження сигналу ще невідомий. Тому пакет має специфічну структуру. Спочатку передається кінцева комбінація 8 біт, потім – послідовність синхронізації для БС (41 біт), що дозволяє БС забезпечити правильний прийом наступних 36 зашифрованих біт. АВ містить великий захисний інтервал (68.25 біт тривалістю 252мкс), що забезпечує (незалежно від відстані до БС) достатнє часове рознесення з пакетами інших мобільних станцій. Захисний інтервал визначає максимально допустимі розміри стільника з радіусом 35 км.

Особливістю формування сигналів стандарту GSM є використання повільних стрибків за частотою (SFH – Slow Frequency Hopping) в процесі сеансу зв’язку для забезпечення частотного рознесення в радіоканалах, що функціонують в умовах багатопроменевого поширення радіохвиль. SFH підвищує ефективність кодування та перемежування при повільному переміщенні абонентських станцій.

Принцип формування повільних стрибків за частотою полягає в тому, що повідомлення, яке передається в виділеному абонентові часовому інтервалі TDMA-кадру (577 мкс), в кожному наступному кадрі передається на новій фіксованій частоті. Час для переналаштування частоти складає 1 мс. В процесі стрибків за частотою між каналами прийому і передачі зберігають різницю 45 МГц. Всім активним абонентам, які знаходяться в одному стільнику, ставлять у відповідність ортогональні формуючі послідовності, що виключає взаємні завади. Параметри послідовності перемикання частот призначаються кожній МС при встановленні каналу. Ортогональність послідовностей перемикання частот в стільнику забезпечують початковим частотним зсувом однієї і тієї ж послідовності. В суміжних стільниках використовують різні формуючі послідовності. Принцип використання повільних стрибків за частотою при передачі повідомлень наведений на рис. 4.5.

Рисунок 4.5 – Принцип використання повільних стрибків по частоті

Комбінована TDMA/FDMA схема організації каналів в стандарті GSM–900 показана на рис.4.6.

Рисунок 4.6 – TDMA/FDMA схема організації каналів в стандарті GSM

Прийнята структура TDMA-кадрів і принципи формування сигналів в стандарті GSM в сукупності з методами канального кодування дозволили знизити відношення сигнал/завада до 9дБ, тоді як в стандартах аналогових стільникових мереж зв’язку воно складає 17-18 дБ.

4.4 Організація фізичних та логічних каналів в GSM

В системі GSM кожне носійне коливання містить 8 фізичних каналів. Фізичні канали в системах стільникового зв’язку стандарту GSM характеризують носійною частотою та номером часового інтервалу.

Для формування фізичного каналу повідомлення і дані групують та об’єднують в логічні канали 2-х типів:

− канали трафіку;

− канали управління.

Класифікацію та призначення логічних каналів трафіку наведено на рис. 4.5.

Рисунок 4.5 – Структура логічних каналів «трафік» в стандарті GSM

Логічні канали управління бувають чотирьох видів (рис 4.6) [5].

1) Канали передачі сигналів управління:

– FCCH (Frequency Correction Channel – канал підлаштування частоти) призначений для синхронізації носійного коливання в МС. Цим каналом передається немодульоване носійне коливання з фіксованим частотним зсувом відносно номінального значення частоти каналу зв’язку.

– SCH (Synchronization Channel – канал синхронізації) призначений для передачі інформації на МС про часову (кадрову) синхронізацію.

– BCCH (Broadcast Control Channel – радіомовний канал управління) забезпечує передачу загальної інформації про стільник, в якому МС перебуває на даний момент, та про суміжні стільники.

2) Спільні канали управління:

– PCH (Paging Channel – канал виклику) – застосовується для виклику МС.

– RACH (Random Access Channel – канал паралельного доступу) – використовують в напрямку від МС до БС для запиту про призначення індивідуального каналу управління.

– AGCH (Access Grant Channel – канал дозволеного доступу) – призначений для відповіді БС на запит про виділення індивідуального каналу управління та забезпечення прямого доступу до каналу зв’язку.

3) Виділені індивідуальні канали управління. Виділені канали SDCCH/4, SDCCH/8 (4, 8 – кількість підканалів) використовують для зв’язку між МС та БС в двох напрямках. Ці канали призначені для встановлення потрібного виду обслуговування (для проведення процедури аудтентифікації під час встановлення зв’язку, для передачі інформації про параметри каналу трафіку та ін.).

4) Суміщені канали управління (ACCH). У напрямку «вниз» (в прямому каналі) передається команда управління з БС, в зворотному каналі передають інформацію про статус МС.

– FACCH (Fast Associated Control Channel – швидкий суміщений канал управління) – використовують для передачі команд при естафетній передачі (суміщається з каналом трафіку, замінюючи в відповідному часовому інтервалі інформацію мови. Ця заміна позначаеться контрольним бітом – так званий флагом).

– SACCH (Slow Associated Control Channel – повільний суміщений канал управління) – у напрямку «вниз» передає команди для встановлення рівня потужності передавача МС. У напрямку «вверх» МС посилає дані про рівень вихідної потужності, рівень та якість сигналу, що приймають.

Суміщені канали управління завжди об’єднують або з каналами трафіку, або з каналами управління.

Рисунок 4.6 – Структура логічних каналів управління:

1 – канал підлаштування частоти БС → МС; 2 – канал синхронізації БС → МС;

3 – радіомовний канал управління БС → МС; 4 – канал виклику БС → МС; 5 – канал паралельного доступу БС ← MС; 6 – канал дозволеного доступу БС → MС;

7 – складаються з чотирьох підканалів БС ↔ MС; 8 – складаються з восьми підканалів БС↔ MС; 9 – швидкий суміщений канал управління БС↔ MС;

10 – повільний суміщений канал управління БС ↔ MС

Розглянемо організацію фізичних каналів трафіку (рис. 4.7).

Рисунок 4.7 – Організація каналів трафіку:

а) організація повношвидкісного каналу трафіку (ТСН/F); б) організація напівшвидкісного каналу трафіку (ТСН/H); T, t – TDMA-кадр передачі каналу трафіку;ь А, а – TDMA-кадр для передачі каналу SACCH; "-" – вільний кадр

Для передачі каналів трафіку ТСН і суміщених каналів управління FACCH і SACCH використовують 26-кадровий мультикадр [5]. Об’єднання каналів трафіку з повною і половинною швидкістю з повільним суміщеним каналом управління SACCH показано на рис. 4.7. В повношвидкісному каналі трафіку в кожному 13-му TDMA-кадрі мультикадру передають пакет інформації каналу SACCH; кожний 26-й TDMA-кадр мультикадру вільний. В напівшвидкісному каналі трафіку пакет інформації каналу SACCH передають в кожному 13-му і 26-му TDMA-кадрі мультикадру.

Для одного фізичного каналу в кожному TDMA-кадрі використовують 114 біт. Оскільки в мультикадрі для передачі каналу трафіку ТСН використовується 24TDMA-кадри з 26 і тривалість мультикадру складає 120 мс, загальна швидкість передачі інформаційних повідомлень через ТСН-канал складає 22,8 кбіт/с. Канал SACCH займає в повношвидкісному каналі трафіку тільки один TDMA-кадр, тобто 114біт, тоді швидкість передачі SACCH-каналом складає 950 біт/с. Загальна швидкість передачі в об’єднаному TCH/SACCH-каналі з урахуванням вільного 26-го TDMA-кадру складе 22,8 + 0,95 + 0,95 = 24,7 кбіт/с.

Як показано на рис. 4.7, б, за час 26-кадрового мультикадру може передаватись два напівшвидкісних ТСН-канали, кожний по 12 TDMA-кадрів. Вільний в повношвидкісному каналі ТСН 26-й TDMA-кадр відводиться для канала SACCH в другому напівшвидкісному каналі ТСН. Для кожного напівшвидкісного каналу ТСН швидкість передачі складає 11,4 кбіт/с; повна швидкість передачі в об’єднаному напівшвидкісному каналі ТСН/SACCH залишається рівною 24,7 кбіт/с.

Швидкий суміщений канал управління FACCH передається половиною інформаційних бітів часового інтервалу TDMA-кадру в каналі ТСН, з яким він суміщається у восьми послідовних Т- чи t-кадрах.

Рисунок 4.8 – Організація каналів управління в 51-кадровому мультикадрі:

F–TDMA-кадр підлаштування частоти, канал FCCH; S–TDMA-кадр часової синхронізації, канал SCH; B–TDMA-кадр для каналу ВССН; C–TDMA-кадр для каналу СССН (PCH чи AGCH); R–TDMA-кадр для каналу RACH; D–TDMA-кадр для каналу SDCCH; A–TDMA-кадр для каналу SACCH

Для передачі каналів управління (за виключенням FACCH і SACCH) використовується 51-кадровий мультикадр (рис.4.8).

Розглянемо організацію фізичних каналів управління BCCH та CCCH на лінії «вниз» (рис. 4.8, а) [4].

Повідомлення каналів BCCH та CCCH, що передають від БС по прямому каналу, розміщують в нульових часових інтервалах 50-и кадрів мультикадру каналу управління. Останній 51-й кадр мультикадру залишають вільним (I-Idle), його тривалість відводять прямому каналу для реалізації процедури вимірювання рівня сигналу свого та суміжних стільників. Перші 50 кадрів поділяють на 5 блоків по 10 кадрів. На початку кожного блоку передається повідомлення каналу FCCH (структура часового інтервалу – інтервал підлаштування частоти), далі – повідомлення каналу SCH (структура часового інтервалу – інтервал синхронізації), потім в першому блоці передають чотири повідомлення каналу BCCH і чотири повідомлення каналу AGCH або каналу PCH, а в решті чотирьох блоках всі вісім повідомлень відводять під канал AGCH або PCH. Повідомлення логічних каналів управління в більшості випадків кодують зі значною надлишковістю з метою захисту від помилок при передачі інформації.

Повідомлення каналу RACH (лінія «вверх») можуть передаватись в нульовому часовому інтервалі будь-якого кадру в межах 51-кадрового мультикадру каналу управління (рис. 4.8, б). Повідомлення RACH передається мобільною станцією раз в 235 мс, тобто в одному з кадрів мультикадру, при цьому використовують структуру часового інтервалу, що відповідає інтервалу доступу. В зворотному каналі мультицикл не розбивають на групи циклів доступу, а нульовий часовий інтервал кожного кадру мультикадру використовують для організації логічного каналу R.

Повна швидкість передачі для каналів ВССН, а також для каналів AGCH/PCH складає 1,94 кбіт/с (4х114 біт за 235 мс).

Інформація швидкого суміщеного каналу FACCH передається каналами трафіку. Логічні канали SDCCH та SACCH є двосторонніми (рис. 4.8, в, г), і для їх організації використовують перший часовий інтервал радіоканалу управління. Для забезпечення потрібної якості обслуговування викликів в даному випадку достатньо мати в кожному стільнику по 8 логічних каналів SDCCH зі швидкістю передачі 1,94 кбіт/с і таку ж кількість суміщених з ними каналів SACCH зі швидкістю передачі в два рази меншою.

Враховуючи це, для того, щоб отримати по 8 логічних каналів кожного типу, необхідні два мультикадра по 51 кадру в кожному. Логічні канали прямого і зворотного напрямів передачі зсунуті один відносно одного. Це потрібно для забезпечення більш ефективної взаємодії МС і БС, тобто МС має можливість сформувати інформацію у відповідь [4].

У випадку, коли навантаження в стільнику мале, структуру BCCH/CCCH можна об’єднати в одному фізичному каналі з індивідуальним каналом управління SDCCH/4. Якщо навантаження в стільнику значне, і ресурсів одного фізичного каналу може бути недостатньо для всього трафіку BCCH/CCCH, то в цьому випадку для організації каналів BCCH будуть використовуватись часові інтервали 2, 4, 6 на носійній частоті каналу управління. Тоді замість SCH та FCCH будуть передаватись порожні інтервали [5].

4.5 Приклад виклику в системі GSM

Розглянемо випадок походження мобільного виклику в мережі GSM.

Спочатку мобільна станція абонента має бути синхронізована з найближчою базовою станцією – це контролюється каналами BCСH. Отримуючи повідомлення каналів FCCH, SCH та BCCH, МС з’єднують з системою і відповідним каналом BСCH. Ініціюючи новий виклик, абонент набирає цифрову комбінацію та натискає клавішу „надіслати” на GSM телефоні. Мобільний телефон передає імпульс RACH даних, використовуючи ту ж пару частот передачі і прийому, що і базова станція, з якою він пов’язаний. Базова станція відповідає повідомленням на каналі AGCH, який виділяє абоненту новий канал для SDCCH–зв’язку (рис. 4.9).

Мобільна станція абонента, яка контролює нульовий часовий інтервал (TS 0) в каналі AGCH, отримує номер пари дуплексних частот та номер часового інтервалу виділеного індивідуального каналу управління та одразу налаштовується на канал SDCCH. Налаштована на SDCCH мобільна станція абонента спочатку чекає передачі кадрів каналу SACCH (очікування триває максимум 26 кадрів, або 120 мс), який проінформує мобільну станцію про будь-який необхідний часовий зсув та управління потужністю передавача (БС може визначити необхідний часовий зсув та рівень сигналу від мобільної станції ще до передачі RACH та надіслати необхідні значення через SACCH до мобільної станції для обробки).

Рисунок 4.9 – Вихідний виклик в GSM

Після отримання та обробки інформації про необхідний часовий зсув абонент може передавати пакети даних згідно вимог мовного трафіку. SDCCH передає повідомлення між мобільною та базовою станціями, забезпечуючи аутентифікацію та ідентифікацію абонента, в той час як фіксована мережа зв’язку (PSTN) з’єднує викликану сторону з MSC, а MSC під’єднує канал зв’язку до обслуговуючої базової станції.

Через кілька секунд базова станція через SDCCH подає команду на мобільну станцію налаштуватись на нову пару дуплексних частот та часовий інтервал для призначення каналу трафіку TCH. Після перелаштування на канал TCH мовна інформація передається як в прямому, так і в зворотному каналах трафіку, відповідно з’єднання вважається успішно встановленим, а канал SDCCH звільняється.

Коли виклики здійснюються з фіксованої мережі PSTN, процес обміну повідомленнями між БС та МС подібний (рис. 4.10).

Базова станція передає повідомлення каналу виклику РСН протягом нульового часового інтервалу в межах відповідного кадру. Мобільна станція, використовуючи ту ж пару дуплексних частот, що й БС, виявляє свій виклик і відповідає повідомленням по каналу RACH, що підтверджує прийом виклику. Потім базова станція використовує канал AGCH, щоб призначити мобільній станції новий фізичний канал для підключення до каналів SDCCH і SACCH, поки мережа і мобільна станція, що обслуговують, з’єднують.

Як тільки абонент встановлює часове випередження і проходить аутентифікацію каналом SDCCH, базова станція затверджує призначення нового фізичного каналу через канал SDCCH, і призначення каналу трафіку ТСН завершується [2].

Рисунок 4.10 – Вхідний виклик в GSM

4.6 Модуляція радіосигналу та обробка мови

4.6.1 Модуляція радіосигналу

В стандарті GSM використовуються спектрально-ефективну гаусову частотну маніпуляцію з мінімальним зсувом (GMSK). Маніпуляція називається гаусовою тому, що послідовність інформаційних бітів до модулятора проходить через фільтр нижніх частот (ФНЧ) з характеристикою Гауса, що дає значне зменшення смуги частот випромінюваного радіосигналу. Формування GMSK радіосигналу здійснюється таким чином, що на проміжку одного інформаційного біта фаза носійної змінюється на 90˚. Це найменше можливе змінення фази, яке розпізнають при даному типі модуляції. Неперервна зміна фази синусоїдального сигналу дає в результаті частотну модуляцію з дискретною зміною частоти. Застосування фільтра Гауса дозволяє при дискретній зміні частоти отримати «гладкі переходи». В стандарті GSM використовується GMSK-модуляція з величиною нормованої смуги ВТ = 0,3, де В – ширина смуги фільтра по рівню - 3 дБ, Т – тривалість одного біта цифрового повідомлення.

Основою формувача GMSK-сигналу є квадратурний I/Q-модулятор (рис. 4.11). Схема складається з двох множувачів та одного суматора. Задача цієї схеми полягає в тому, щоб забезпечити неперервну точну фазову модуляцію. Один множувач змінює амплітуду синусоїдального, а другий косинусоїдального коливання. Вхідний сигнал до множувача розділяється на дві квадратурні складові. Розкладання відбувається у двох позначених «sin» і «cos» блоках.

Діаграми, які відображують формування GMSK-сигналу, показані на рис. 4.12.

Модуляцію GMSK відрізняють наступні властивості, які є прийнятними для мобільного зв’язку:

– постійна за рівнем огинаюча, що дозволяє використовувати ефективні передавальні пристрої з підсилювачами потужності в режимі класу С;

– компактний спектр на виході підсилювача потужності передавального пристрою, що забезпечує низький рівень позасмугового випромінення;

– хороші характеристики завадостійкості каналу зв’язку [5].

Рисунок 4.11 – Функціональна схема модулятора

Рисунок 4.12 – Формування GMSK сигналу