История создания стандарта GSM и его характеристики

                                    История создания стандарта GSM и его характеристики

 Разработка нового общеевропейского  стандарта цифровой сотовой связи  началась в 1985 году. Специально  для этого было создана специальная  группа - Group Special Mobile (GSM). Аббревиатура GSM и дала название новому стандарту. Позднее GSM, благодаря ее широкому распространению, стали расшифровывать как Global System for Mobile Communications.

 К настоящему времени система  GSM развилась в глобальный стандарт  второго поколения (2G), занимающий  лидирующие позиции в мире, как  по площади покрытия, так и  по числу абонентов. В соответствии с рекомендацией СЕРТ 1980 г., касающейся использования спектра частот подвижной связи в диапазоне частот 862-960 МГц, стандарт GSM на цифровую общеевропейскую (глобальную) сотовую систему наземной подвижной связи предусматривает работу передатчиков в двух диапазонах частот: 890-915 МГц (для передатчиков подвижных станций - MS) и 935-960 МГц (для передатчиков базовых станций - BTS).

В стандарте GSM используется узкополосный многостанционный доступ с временным  разделением каналов (NB ТDМА). В структуре ТDМА кадра содержится 8 временных позиций на каждой из 124 несущих. Т.о. в каждой соте можно организовать 124*8 физических каналов. Для защиты от ошибок в радиоканалах при передаче информационных сообщений применяется блочное и сверточное кодирование с перемежением. Т.о. после первичного кодирования самого речевого сигнала, на радиоучастке необходимо кодировать информацию для защиты от ошибок (более подробно этот вопрос будет рассмотрен в статье «Кодирование на радиоучастке»). Для борьбы с интерференционными замираниями принимаемых сигналов, вызванными многолучевым распространением радиоволн в условиях города, в аппаратуре связи используются эквалайзеры, обеспечивающие выравнивание импульсных сигналов со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16 мкс. Система синхронизации рассчитана на компенсацию абсолютного времени задержки сигналов до 233 мкс, что соответствует максимальной дальности связи или максимальному радиусу ячейки (соты) 35 км.

 В стандарте GSM выбрана гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Обработка речи осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи (DTX), которая обеспечивает включение передатчика только при наличии речевого сигнала и отключение передатчика в паузах и в конце разговора. В качестве речепреобразующего устройства выбран речевой кодек с регулярным импульсным возбуждением/долговременным предсказанием и линейным предикативным кодированием с предсказанием (RPE/LTR-LTP-кодек).

 Общая скорость преобразования  речевого сигнала = 13 кбит/с (без избыточности). В стандарте GSM достигается высокая степень безопасности передачи сообщений; осуществляется шифрование сообщений по алгоритму шифрования с открытым ключом (RSA). В целом система связи, действующая в стандарте GSM, рассчитана на ее использование в различных сферах. Она предоставляет пользователям широкий диапазон услуг и возможность применять разнообразное оборудование для передачи речевых сообщений и данных, вызывных и аварийных сигналов; подключаться к телефонным сетям общего пользования (PSTN), сетям передачи данных (PDN) и цифровым сетям с интеграцией служб (ISDN).

 Основные характеристики стандарта  GSM: Частоты передачи подвижной  станциии приема базовой станции, 890-915 МГц Частоты приема подвижной станции и передачи базовой станции, 935-960 МГц Дуплексный разнос частот приема и передачи, 45 МГц Скорость передачи сообщений в радиоканале, 270 кбит/с Скорость преобразования речевого кодека, 13 кбит/с Ширина полосы канала связи, 200 кГц Максимальное количество каналов связи 124 Максимальное количество каналов, организуемых в базовой станции 16-20 Вид модуляции GMSK Вид речевого кодека RPE/LTP Максимальный радиус соты, до 35 км.

 Схема организации каналов  комбинированная TDMA/FDMA В настоящее время стандарт GSM является Федеральным стандартом России.

Структурно-функциональное построение систем GSM

 Элементы сотовой сети связи стандарта GSM:

 · MS (Mobile Station) – подвижная станция;

 · BSS– подсистема базовых станций (BSC+TCE+BTS);

 · BTS (Base Station) – базовая станция;

 · BSC (Base Station Controller) – контроллер базовой станции;

 · TCE – транскодер;

 · SSS (Switching SubSystem) – подсистема коммутации;

 · MSC(Mobile Switching Center) – центр коммутации подвижной станции;

 · HLP(Home Location Register) – регистр положения (домашний регистр);

 · VLR (Vision Location Register) –гостевой регистр местоположения;

 · AUC (Authentication Center) – центр аутентификации;

 · EIR (Equipment Identity Register) – регистр идентификации оборудования;

 · OMC (Operations and Maintenance Center) – подсистема эксплуатации и технического обслу

Подсистема  базовых станций BSS состоит из двух частей: базовых приемопередающих станций  ВТS и контроллеров базовых станций ВSС. Зона облуживания разделяется на ячейки – соты, каждая из которых покрывается и контролируется одной ВТS. Базовая приемопередающая радиостанция обеспечивает физический радиоинтерфейс между подвижными станциями МS и соответствующим контроллером ВSС.

  Базовая приемопередающая станция  ВТS включает в себя набор приемопередатчиков, цифровые процессоры, размещаемые в составе устройств базовой станции, коммутационные шины различного назначения. Оборудование ВТS строится по модульному принципу, что обеспечивает возможность наращивания радиочастотных блоков. Все необходимое высокочастотное оборудование, цифровые устройства и источники питания конструктивно являются автономными. В базовой станции предусматривается объединение высокочастотных блоков через комбайнер для работы на одну антенну.

  В ВТS используются направленные антенны с шириной диаграммы излучения в горизонтальной плоскости 120° и ненаправленные с круговой диаграммой направленности.

  Контроллер базовой станции ВSС управляет, как правило, несколькими ВТS. Он контролирует соединения между базовыми радиостанциями и центром коммутации подвижной связи МSС и на основе данных, полученных от ВТS, принимает решение на осуществление процедуры эстафетной передачи обслуживания или, по другому, хендовера (handоvег).

  ВSС управляет распределением радиоканалов, контролирует соединения, регулирует их очередность, обеспечивает режим работы с перескоком частоты, адаптацию скорости передачи для речи, данных и вызова, определяет очередность передачи сообщений персонального вызова.

Подсистема  коммутации SSS включает следующее оборудование:

  · центр коммутации подвижной связи МSC;

  · домашний регистр местоположения НLR;

  · визитный регистр местоположения VLR;

  · регистр идентификации оборудования ЕIR;

  · центр аутентификации АUС.

  Центр коммутации подвижной связи  МSС выполняет функции коммутации, необходимые для подвижного абонента, находящегося в зоне МSС. МSС устанавливает соединение к подвижному абоненту и от него, а также оказывает соответствующие услуги по доставке информации, предоставлению связи и дополнительные услуги.

  Центр коммутации подвижной связи  MSC обслуживает группу сот и  обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается в процессе  работы подвижная станция. МSС аналогичен коммутационной станции ISDN (цифровые сети с интеграцией служб) и представляет собой интерфейс между фиксированными сетями (телефонными сетями общего пользования – ТфОП, сетями пакетной передачи данных, цифровыми сетями с интеграцией служб и т.д.) и сетью подвижной связи. МSС обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами. Кроме выполнения функций обычной ISDN коммутационной станции, на МSС возлагаются функции коммутации радиоканалов, управления мобильностью и др. К ним относятся «эстафетная передача обслуживания» (или «handоvег»), в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении подвижной станции из соты в соту.

  Каждый МSС обеспечивает обслуживание подвижных абонентов, расположенных в пределах определенной географической зоны. МSС управляет процедурами установления вызова и маршрутизации. Для телефонной сети общего пользования МSС обеспечивает функции сигнализации по протоколу ОКС № 7 и другие виды интерфейсов в соответствии с функциями конкретной сети.

  МSС обрабатывает и формирует данные по состоявшимся разговорам и передает их в центр расчетов (биллинг-центр) для последующего формирования счетов за предоставленные сетью услуги связи. МSС составляет также статистические данные, необходимые для контроля работы и оптимизации сети.

  МSС поддерживает процедуры безопасности, применяемые для управления доступами к радиоканалам. МSС не только участвует в управлении вызовами, но также управляет процедурами регистрации местоположения и передачи обслуживания.

  Регистрация местоположения подвижных  станций необходима для обеспечения  достав-ки вызова перемещающимся подвижным абонентам от абонентов телефонной сети общего пользования или других подвижных абонентов. Процедура передачи обслуживания позволяет сохранять соединения и обеспечивать ведение разговора, когда подвижная станция перемещается из одной зоны обслуживания в другую. Передача вызовов в сотах, управляемых одним контроллером базовых станций ВSС, осуществляется этим ВSС. Когда передача вызовов осуществляется между двумя сетями, управляемыми разными ВSС, то первичное управление осуществляется в МSС. В стандарте GSМ также предусмотрены процедуры передачи обслуживания между сетями (контроллерами), относящимися к разным МSС.

  Центр коммутации осуществляет  постоянное слежение за подвижными  станциями, используя HLR и VLR. В  НLR хранится та часть информации о местоположении подвижной станции, которая позволяет центру коммутации доставить вызов станции.

  Домашний регистр местоположения HLR содержит базу данных действующих  подвижных абонентов, приписанных  к НLR. Записанные данные позволяют абоненту использовать определенные основные и дополнительные услуги, обеспечиваемые системой. База данных содержит также информацию состояния на каждого подвижного абонента, необходимую, чтобы направить к нему вызов при роуминге. Подвижный абонент приписан к одному HLR и регистрируется в VLR, в зоне которого он находится в данный момент времени.

  Регистр HLR содержит международный  идентификационный номер подвижного  абонента IMSI (International Mobile Subscriber Identity). Он используется для опознавания подвижной станции в центре аутентификации AUC.

  Практически HLR представляет собой  справочную базу данных о постоянно прописан-ных в сети абонентах. В ней содержатся опознавательные номера и адреса, а также параметры подлинности абонентов, состав услуг связи, специальная информация о маршрутизации. Ведется регистрация данных о роуминге абонента, включая данные о временном идентификационном номере подвижного абонента ТМSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) и соответствующем VLR.

  К данным, содержащимся в HLR, имеют  дистанционный доступ все МSС и VLR сети. Если в сети имеются несколько HLR, то каждый HLR представляет собой определенную часть общей базы данных сети об абонентах. Доступ к базе данных об абонентах осуществляется по номеру IMSI или МSISDN (номеру подвижного абонента в сети ISDN). К базе данных могут получить доступ МSС или VLR, относящиеся к другим сетям, в рамках обеспечения межсетевого роуминга.

  Визитный регистр местоположения VLR – второе основное устройство, обеспечивающее контроль за передвижением подвижной станции из зоны в зону. VLR содержит абонентскую базу данных со всей информацией о подвижных абонентах, в том числе роумерах (роумеры – абоненты другой системы GSМ, временно использующие услуги данной системы в рамках процедуры «роуминга»), находящихся в зоне VLR. Эта информация, записанная в VLR, используется для установления соединений с подвижными абонентами или от них. Данные о подвижных абонентах могут быть разделены на три части:

  · общие данные (например, международный  идентификатор подвижной станции IMSI);

  · данные аутентификации;

  · данные переадресации вызова.

  Эти данные об абонентах динамически  заносятся в регистр VLR после  перемещения подвижного абонента  в зону, контролируемую этим VLR, и  исключаются, когда он переходит в зону другого VLR.

VLR может распознать подвижного  абонента, используя следующие абонентские адреса:

  · международный идентификатор подвижной станции IMSI;

  · роуминговый номер подвижной станции MSRN.

  С помощью VLR достигается функционирование  подвижной станции за пределами  зоны, контролируемой HLR. Когда в  процессе перемещения подвижная  станция переходит из зоны  действия одного контроллера  базовой станции ВSС, объединяющего группу базовых станций, в зону действия другого ВSС, она регистрируется новым ВSС, и в VLR заносится информация о номере области связи, которая обеспечит доставку вызовов подвижной станции. Таким образом, VLR содержит данные, аналогичные хранящимся в HLR, до тех пор, пока абонент находится в зоне, контролируемой VLR.

  В сети подвижной связи GSМ соты группируются в географические зоны LА (Location Area), которым присваивается свой идентификационный номер. Каждый VLR содержит данные об абонентах в нескольких LA. Когда подвижный абонент перемещается из одной LA в другую, данные о его местоположении автоматически обновляются в VLR. VLR обеспечивает также присвоение роумингового номера подвижной станции MSRN (Mobile Station Roaming Number). Когда подвижная станция принимает входящий вызов, VLR назначает ему MSRN и передает его на МSС, который осуществляет маршрутизацию этого вызова к базовым станциям, находящимся рядом с подвижным абонентом.

  В целом VLR представляет собой  локальную базу данных о подвижном  абоненте для той зоны, где  находится абонент, что позволяет  исключить постоянные запросы  в HLR и сократить время на  обслуживание вызовов. Элементы  МSС и VLR, как правило, объединены в один блок.

  Регистр идентификации оборудования EIR содержит централизованную базу  данных для подтверждения подлинности  международного идентификационного  номера оборудования подвижной  станции IMEI (International Mobile Equipment Identity). Эта база данных относится исключительно к оборудованию подвижной станции. Регистр EIR хранит опознаватели оборудования подвижных станций. Используя эту информацию, МSС может проверить, допущено ли оборудование подвижного абонента к применению или применение запрещено. В EIR подвижные станции фиксируются в трех списках:

  · в «белом списке» для допущенных  к использованию подвижных станций;

  · в «сером списке» для подвижных  станций, у которых имеются  проблемы с регистрацией, но они  еще не перенесены в черный список;

  · в «черном списке» для  запрещенных к применению подвижных станций.

  Центр аутентификации AUC для исключения  несанкционированного использования  ресурсов системы связи вводятся  механизмы аутентификации – удостоверения  подлинности абонента. Центр аутентификации  состоит из нескольких блоков  и формирует ключи и алгоритмы  аутентификации. С его помощью  проверяются полномочия абонента и осуществляется его доступ к сети связи.

  Каждый подвижный абонент на  время пользования системой связи  получает стандартный модуль  подлинности абонента SIM (Subscriber Identification Module), который содержит: персональный номер абонента PIN (Personal Identification Number), международный идентификационный номер IMSI, свой индивидуальный ключ Ki, алгоритм аутентификации (А3), алгоритм вычисления ключа шифрования (А8).

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

  Подсистема эксплуатации и технического  обслуживания ОМС состоит из  двух основных комплексов:

· центра эксплуатации и технического обслуживания, выполняющего функции  текущего руководства функционированием  сети, ее технического обслуживания, обновления системы, проведения операций по загрузке команд и программного обеспечения  на ВSS, МSС, HLR, VLR, EIR и AUC;

  · центра управления сетью,  который является центральным  пунктом наблюдения за всей  сетью GSМ, анализа ее функционирования и управления конфигурацией.

  ОМС – центр эксплуатации и  технического обслуживания, является  центральным элементом сети О8М,  который обеспечивает контроль  и управление другими компонентами  сети и контроль качества ее  работы. ОМС соединяется с другими  компонентами сети GSМ по каналам пакетной передачи протокола Х.25. ОМС обеспечивает функции обработки аварийных сигналов, предназначенных для оповещения обслуживающего персонала, и регистрирует сведения об аварийных ситуациях в других компонентах сети. В зависимости от характера неисправности ОМС позволяет обеспечить ее устранение автоматически или при активном вмешательстве персонала. ОМС может обеспечить проверку состояния оборудования сети и прохождения вызова подвижной станции. ОМС позволяет производить управление нагрузкой в сети. Функция эффективного управления включает сбор статистических данных о нагрузке от компонентов сети GSМ, записи их в дисковые файлы и вывод на дисплей для визуального анализа. ОМС обеспечивает управление изменениями программного обеспечения и базами данных о конфигурации элементов сети. Загрузка программного обеспечения в память может производиться из ОМС в другие элементы сети.

  Функциональное сопряжение элементов  системы осуществляется рядом  интерфейсов. Все сетевые функциональные  компоненты в стандарте GSМ взаимодействуют в соответст-вии с общеканальной системой сигнализации ОКС № 7.

  Подвижная станция MS состоит из  оборудования, которое служит ддя организации взаимодействия абонентов сетей GSМ и доступа к существующим фиксированным сетям электросвязи. В рамках стандарта GSМ приняты пять классов подвижных станций от модели 1-го класса с выходной мощностью 20 Вт, устанавливаемой на транспортном средстве, до портативной модели 5-го класса максимальной мощностью 0,8 Вт.