Работа базовой станции (БС)

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СОТОВЫХ СИСТЕМ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ

Изначально для  связи с подвижными объектами (абонентами) создавались отдельные ведомственные  радиотелефонные станции (РТС), например железнодорожные, речные, авиационные. Увеличение числа абонентов, а следовательно и радиостанций (РС), отсутствие координационных принципов при разработке и их эксплуатации привели к неэффективному использованию радиочастотного спектра, к их плохой электромагнитной совместимости, к невозможности дальнейшего увеличения числа абонентов. Устранение недостатков ведомственных РТС было достигнуто за счет развития радиотелефонных сетей общего пользования (РТСОП). РТСОП — это радиоавтоматическая телефонная станция, которая обеспечивает связью абонентов между собой, а также с абонентами телефонной сети общего пользования. Соединение между абонентами выполняется в дуплексном (двустороннем) режиме с автоматическим поиском канала связи [1-3,4].

Зоновая сеть радиосвязи — это радиотелефонная сеть общего пользования с большой зоной обслуживания (действия). Под зоной обслуживания будем понимать часть поверхности Земли, на которой обеспечивается радиосвязь с заданным качеством. Большая зона обслуживания — это зона обслуживания, в которой дальность радиосвязи ограничивается прямой видимостью между антеннами (L=40-60км). Отметим, что на практике зона обслуживания может уменьшаться за счет снижения мощности передатчика, применения направленных антенн, «затенения» препятствий и т.д.

Принцип построения зоновой сети радиосвязи с абонентами основан на использовании центральной радиостанции (ЦРС), антенна которой располагается в наиболее высокой точке зоны обслуживания в центре большого количества абонентов (рис.1). Топографическая структура этой сети является радиальной. Радиостанция предназначена для работы во время движения или во время остановок в неопределенных пунктах зоны обслуживания R<50 километров. Организация взаимодействия с другими телефонными сетями осуществляется через ЦРС, которая связана кабелем Е₁ с АТС [5].

Рис. 1. Зоновая сеть подвижной радиосвязи.

Недостатки зоновой радиосвязи: большая мощность передатчиков, ЦРС до 60 Вт, РС до 15 Вт; «затенение» РС препятствиями; неэффективное использование частотного диапазона, потому что рабочая частота занимается одной РС во всей зоне обслуживания [6].

Рис. 2. Принцип повторного использования частот для семи сот.

Геометрически оптимальное  разделение всей зоны обслуживания (без  перекрытий и пропусков) может быть выполнено тремя геометрическими  фигурами: равносторонний треугольник, квадрат, правильный шестиугольник, —  соты. Отсюда и название — сотовая  связь.

Различают макросоты (R=1,5-35км), микросоты (R=100-600м) и пикосоты (R=10-60м). Каждая сота обслуживается отдельной многоканальной базовой радиостанцией (БРС) небольшой мощности, которая находится в центре сота. БРС устанавливает радиосвязь с РТС абонента, который находится в ее зоне [8].

При перемещении  РТС в другую соту автоматически обеспечивается переключение РТС на частоту БРС новой соты. Этот принцип обслуживания абонентов получил название процедуры эстафетной передачи (handover). БРС соединяется с центром коммутации подвижной связи ЦКПС, где в памяти центрального компьютера сохраняются как статические, так и динамические, данные о подвижных объектах — РТС абонентов всей сети (рис.3).

Рис.3. Сотовая сеть подвижной  радиосвязи.

Повысить эффективность  использования выделенного для  подвижной радиосвязи спектра частот возможно путем разбивки зоны обслуживания на небольшие участки — соты, с целью реализовать принцип  повторного использования радиочастот, как это показано на рис.2. [7].

Мощность передатчика  БРС — незначительная в сравнении  с мощностью передатчика ЦРС (рис.1), потому влияние его сигнала на другие PC, которые находятся на удалении защитного интервала D (рис.2), несущественно. Более того, в данное время разрабатываются новые, более эффективные, модели повторного использования частот [9].

Модель с круговой диаграммой направленности антенн допускает  передачу сигнала одинаковой мощности во всех направлениях, что для РТС  эквивалентно приему помех из всех направлений. Использование секторных  направленных антенн позволяет снизить  уровень помех. Ясно, что в самом  простом случае для того, чтобы  обеспечить связью неограниченную плоскую  территорию, в сотовой связи достаточно, например, семь рабочих частот F1, F2, F3, F4, F5, F6, F7 (рис.2). В результате этого многоразово используется частотный ресурс и многоразово увеличивается количество абонентов сети. Наивысшую эффективность использования полосы частот, то есть наибольшее число абонентов сети в выделенной полосе частот, обеспечивает разработанная фирмой Motorola (США) модель повторного использования частот (рис.4). Из анализа этой модели видно, что каждая частота, в пределах модели, которая состоит из четырех БРС, используется точно дважды. Благодаря этому каждая из четырех БРС в пределах действия шести 60-градусных антенн может работать на 12 группах частот.

Рис.4. Модель повторного использования  частот в каждых двух соседних сотах.

Следует отметить, что проблемы частотно территориального планирования и оптимального разделения каналов в системах подвижной  связи являются достаточно сложными, однако решаемыми.

2. СТАНДАРТ GSM НА ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННОЙ ПЛОСКОСТИ

Стандарт GSM на цифровую общеевропейскую сотовую систему  наземной подвижной связи (рис.5) предусматривает  работу передатчиков PC и БС в двух диапазонах частот, соответственно 890-915 Мгц и 935-960 Мгц [10].

Рис.5. Принцип организации  связи стандарта GSM нa частотно-временной плоскости.

Дуплексный разнос частот приема и передачи (для организации  дуплексного канала) составляет 45 МГц. Ширина полосы одного канала составляет 200 кГц, потому максимальное число каналов  связи 25000/200 — 1 = 124. Максимальное количество каналов, которые организуются в  БРС — 16-20. Вид модуляции — 0,ЗСМ8К  — гауссова манипуляция с минимальным  частотным сдвигом, индекс манипуляции  равняется 0,3 [11].

В стандарте GSM достигается  высокая степень безопасности передачи сообщений; осуществляется шифровка сообщений  алгоритмом RSA-шифрования с открытым ключом.

Обработка языка  осуществляется в рамках принятой системы  прерывистой передачи языка DTX-Discontinuous Transmission (рис.6), который обеспечивает включение передатчика только тогда, когда пользователь начинает разговор и отключает его в паузах и в конце разговора. Система DTX управляет детектором активности речи ДАР (VAD - Voice Activity Detector), что обеспечивает выявление и выделение интервалов речи с шумом и шума без речи даже в тех случаях, когда уровень шума равен уровню речи [12,13]. В качестве речепреобразующего устройства избранный языковой кодер (вокодер) с регулярным импульсным сдвигом, долгосрочным предсказанием и линейной кодировкой, с предсказанием — RPE/LTP-LPC-кодек. Общая скорость превращения языкового сигнала — 13 кбит/с.

Рис.6. Структурная схема  обработки человеческой речи в стандарте GSM:

ДАР — детектор активности речи; ИС — источник сообщений; РК—речевой кодер; СППР — система прерывистой передачи речи; ЕРК— екстраполятор речевого кадра; РД— речевой декодер; ФКШ — формирователь комфортного шума; ПС — получатель сообщений.

3. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА И СОСТАВ ОБОРУДОВАНИЯ СОТОВЫХ СЕТЕЙ СВЯЗИ

Функциональное  построение и интерфейсы, принятые в стандарте GSM, иллюстрируются структурной  схемой (рис.7), где PC — подвижные  радиотелефонные станции; БС — базовые  станции; КБС — контролер базовых  станций; ТК — транскодер; ПБС — подсистема базовых станций; ЦУО — центр управления и обслуживания; ЦКПС — центр коммутации подвижной связи; РМР — регистр места расположения; РПМ — регистр перемещения; ЦА — центр аутентификации; РИО — регистр идентификации оборудования; ПК — подсистема коммутации; ТСОП — телефонные сети общего пользования; МПП — сети пакетной передачи данных; ЦМИО — цифровые сети интегрального обслуживания; А, В, С, D, Е, M, A-bis, Um — сетевые и радиоинтерфейсы.

Рис. 7. Структурная схема  сетей связи GSM.

Функциональное  сопряжение элементов системы осуществляется рядом интерфейсов. Все сетевые  функциональные компоненты в стандарте GSM взаимодействуют в соответствии с системой сигнализации МККТТ № 7.

Центр коммутации подвижной  связи (ЦКПС) обслуживает группу сотов  и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается в процессе работы подвижная станция (PC). ЦКРЗ аналогичный ISDN коммутационной станции и являет собой интерфейс между фиксированными сетями (PSTN, PDN, ISDN и так далее) и  сетью подвижной связи. Он обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции  управления вызовами. Кроме выполнения функций обычной ISDN коммутационной станции, на ЦКРЗ возлагаются функции  коммутации радиоканалов. К ним относятся  «эстафетная передача», в процессе которой достигается непрерывность  связи при перемещении подвижной  станции из соты в соту и переключение рабочих каналов в соте или с появлением помех и неисправностей.

Центр коммутации осуществляет постоянное наблюдение за подвижными станциями, используя регистры места  расположения (РМР) и перемещения (РПМ).

В РМР сохраняется  та часть информации о месте расположения какой-либо подвижной станции, что  позволяет при коммутации доставить  вызов станции. Регистр РМР содержит международный идентификационный  номер подвижного абонента (IMSI). Он используется для определения подвижной радиотелефонной  станции в центре аутентификации (ЦА) (рис.8 и 9).

Второе основное устройство, которое обеспечивает контроль за перемещением подвижной станции из зоны в зону — регистр перемещения РПМ. С его помощью достигается функционирование подвижной станции за пределами зоны, контролируемой РМР. Когда в процессе перемещения подвижная станция переходит из зоны действия одного контролера базовой станции (КБС), которая совмещает группу базовых станций, в зону действия другого КБС, она регистрируется новым КБС и в РПМ заносится информация о номере области связи, которая обеспечит доставку вызовов подвижной станции. Для сохранения данных, которые находятся в РМР и РПМ, в случае сбоев предусмотрена защита устройств памяти этих регистров.

Рис.8. Состав долгосрочных данных, которые сохраняются в РМР  и РПМ.

Для исключения несанкционированного использования ресурсов системы  связи вводятся механизмы аутентификации — засвидетельствования действительности абонента. Центр аутентификации (ЦА) состоит из нескольких блоков и формирует  ключи и алгоритмы аутентификации. С его помощью проверяются  полномочия абонента и осуществляется его доступ к сети связи. ЦА принимает решение о параметрах процесса аутентификации и определяет ключи шифровки абонентских станций на основе базы данных, сосредоточенной в РИУ, — регистре идентификации оборудования.

Рис.9. Состав временных данных, которые сохраняются в РМР  и РПМ.

Каждый подвижной  абонент на время пользования  системой связи получает стандартный  модуль действительности абонента (SIM), который содержит: международный  идентификационный номер (IMSI), свой индивидуальный ключ аутентификации (K_i), алгоритм аутентификации (A3).

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

Процедура проверки сетью действительности мобильного телефона абонента реализуется таким  способом. Сеть передает случайный  номер (RAND) на подвижную станцию. На ней за помощью K_i и алгоритму аутентификации A3определяется значение отзыва (SRES), то есть SRES =K_i»[RAND].

Мобильный телефон  посылает вычисленное значение SRES в  сеть, которая сверяет значение принятого SRES со значением SRES, вычисленным сетью. Если оба значения совпадают, Мобильный телефон приступает к передаче сообщений. В противоположном случае связь перерывается, и терминал мобильного телефон показывает, что его определение в сети не состоялось. Для обеспечениясекретности, вычисления SRES происходят в SIM-карте. Несекретная информация (например K_i) не поддается обработке в модуле SIM.

Оборудование базовой  станции состоит из контролера базовой  станции (КБС) и приемопередающих базовых  станций (БС).

Контролер базовой  станции может руководить несколькими  приемно-передаточными блоками. ПБС  руководит разделением радиоканалов, контролирует соединение, регулирует их очередность, обеспечивает режим  работы со стрибковою частотой, модуляцию и демодуляцию сигналов, кодировки и декодирования сообщений, кодировки языка, адаптацию скорости передачи, для языка, данных и вызова, определяет очередность передачи сообщений персонального вызова.

ПБС вместе с ЦКПС, РМР, РПМ выполняет некоторые  функции, например освобождение канала, главным образом под контролем  ЦКПС, но ЦКПС может пригласить базовую  станцию, обеспечить освобождение канала, если вызов не проходит через радиопомехи. ПБС и ЦКРЗ совместно осуществляют приоритетную передачу информации для некоторых категорий подвижных станций. Центр управления и обслуживания обеспечивает разделение функций и организацию взаимодействия между ПБС и ЦКПС. Его функции совпадают с функциями ЦУО в обычных сетях связи. Отличие заключается в том, что в сетях стандарта GSM центр ЦУО обеспечивает управление работой радиоподсистемы.

Подвижная станция  состоит из оборудования, которое  служит для организации доступа  абонентов сетей GSM к существующим фиксированным сетям электросвязи. В рамках стандарта GSM приняты пять классов подвижных станций от модели 1-го класса с исходной мощностью 20 Вт, которая установлена на транспортном средстве, к портативной модели 5-го класса максимальной мощностью 0,8 Вт (табл.1).

Таблица 1. Пять классов подвижных станций.

При передаче сообщений  предусматривается адаптивная регуляция  мощности передатчика, который обеспечивает необходимое качество связи.

Подвижной абонент  и станция независимы одно от другого. Как уже отмечалось, каждый абонент имеет свой международный идентификационный номер (SIM), записанный на карточку. Такой подход позволяет устанавливать радиотелефоны, например, в такси и автомобилях, которые берутся на прокат.

Каждой подвижной  станции также присваивается  свой международный идентификационный  номер (ИМЕЙ). Этот номер используется для предотвращения доступа к  сетям GSM похищенной станции или  станции без полномочий.

4. ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ СОТОВОЙ СВЯЗИ

Рассмотрим взаимодействие элементов системы сотовой связи  мобильного оператора. Она состоит  из трех компонентов: радиопередатчиков (мобильных телефонов), систем базовых  станций и коммуникационного  центра MTSO (Mobile Telephone Switching Office), который управляет работой всей системы.

Мобильный телефон  — это миниатюрная приемопередающая радиостанция. Каждому мобильному телефону присваивается свой электронный  серийный номер (ESN), который кодируется в его микрочипе при его  изготовлении и сообщается изготовителями аппаратуры специалистам, осуществляющим его обслуживание. Кроме того, некоторые  изготовители указывают этот номер  в руководстве для пользователя. При подключении аппарата к сотовой  системе связи в микрочип телефона заносится мобильный идентификационный  номер - Mobil Identification Number (MIN).

Вся территория, обслуживаемая  оператором мобильной связи, разделена  на отдельные прилегающие друг к  другу зоны связи (соты).

Обмен информацией  между мобильным телефоном и  сетью оператора мобильной связи  в каждой такой зоне управляется  базовой станцией, способной принимать  и передавать сигналы на большом  количестве радиочастот. Кроме того, эта станция подключена к обычной  проводной телефонной сети и оснащена аппаратурой преобразования высокочастотного сигнала сотового телефона в низкочастотный сигнал проводного телефона и наоборот, чем обеспечивается сопряжение обеих  систем.

Периодически базовая  станция излучает служебный сигнал. Приняв его, мобильный телефон автоматически  добавляет к нему свои MIN и ESN-номера и передает получившуюся кодовую  комбинацию на базовую станцию. В  результате этого осуществляется идентификация  конкретного сотового телефона, номера счета его владельца и привязка аппарата к определенной зоне, в  которой он находится в данный момент.

Когда абонент звонит по своему телефону, базовая станция  выделяет ему одну из свободных частот той зоны, в которой он находится, вносит соответствующие изменения  в его счет и передает его вызов  по назначению.

Коммуникационный  центр MTSO — это мозг сети. Его  главный компьютер управляет  сотнями тысяч соединений в зоне, обслуживаемой данным центром. Центр MTSO назначает частоты для радиосвязи базовым станциям и подвижным  радиотелефонам, а также распределяет вызовы в пределах своей зоны между  сотовой сетью и обычными телефонными  станциями общего пользования. Базы данных сотовой сети содержат информацию так и об интерфейсах с другими  такими же сетями, что необходимо для  идентификации абонентов и проверки их права на доступ в сеть, о местонахождении  всех ее клиентов.

Текущее положение  мобильного телефона выявляется через  коммуникационный центр MTSO мобильного оператора, который постоянно регистрирует, где он находится в данный момент времени даже в том случае, когда  он не ведет никаких разговоров (по идентифицирующим служебным сигналам, автоматически передаваемым на базовую  станцию).

Точность определения  места положения мобильного телефона в этом случае зависит от целого ряда факторов: топографии местности, наличия помех ипереотражений его сигнала от зданий, положения базовых станций, количества работающих в настоящий момент телефонов в данной «соте». Большое значение имеет и размер «соты», в которой находится абонент, поэтому точность определения его положения в городе гораздо выше, чем в сельской местности (размер «соты» в городе составляет около 1 кв. км против 50-70 кв.км на открытой местности).

Анализ данных о  сеансах связи абонента с различными базовыми станциями (через какую  и на какую базовую станцию  передавался вызов, дата вызова и  т.п.) позволяет восстановить все  перемещения абонента в прошлом. Такие данные автоматически регистрируются в центре MTSO, где могут храниться  от 60 дней до нескольких лет.

Таким образом, задача позиционирования мобильных телефонов  предполагает автоматическое определение  их местоположения в пределах сотовых  сетей. При этом под термином "местоположение" следует понимать не нахождение географических координат - широты и долготы (что  в принципе также возможно), а  однозначную идентификацию положения  владельца мобильного телефона на местности (электронной карте мобильного оператора).

Сотовый телефон – это  приёмо-передатчик, работающий на одной  из частот в диапазоне 850МГц, 900МГц, 1800МГц, 1900МГц. Причём приём и передача разнесены по частотам. 
 
  Система GSM состоит из 3-х основных компонентов, таких как: 
 
- подсистема базовых станций (BSS – Base Station Subsystem); 
 
- подсистема переключения/коммутации (NSS –NetworkSwitchingSubsystem); 
 
- центр управления и обслуживания (OMC – Operation and Maintenance Centre); 
 
  В двух словах работает это так: 
 
  Сотовый (мобильный) телефон взаимодействует с сетью базовых станций (БС). Вышки БС обычно устанавливают либо на своих наземных мачтах, либо на крышах домов или других сооружений, или же на арендованных уже существующих вышках всяческих ретрансляторов радио/ТВ и т.п., а также на высотных трубах котелен и других промышленных сооружений. 
 
  Телефон после включения и всё остальное время мониторит (прослушивает, сканирует) эфир на наличие GSM-сигнала своей базовой станции. Сигнал своей сети телефон определяет по специальному идентификатору. Если таковой имеется (телефон находится в зоне покрытия сети), то телефон выбирает лучшую по уровню сигнала частоту и на этой частоте посылает БС запрос на регистрацию в сети. 
 
  Процесс регистрации, по сути, является процессом аутентификации (авторизации). Его суть заключается в том, что каждая SIM-карта, вставленная в телефон, имеет свои уникальные идентификаторы IMSI (International Mobile Subscriber Identity) и Ki (Key for Identification). Эти самые IMSI и Ki заносятся в базу центра аутентификации (AuC) при поступлении изготовленных SIM-карт оператору связи. При регистрации телефона в сети идентификаторы передаются БС, а именно AuC. Дальше AuC (центр идентификации) передаёт телефону некоторое случайное число, которое является ключом для выполнения вычислений по специальному алгоритму. Это вычисление происходит одновременно в мобильном телефоне и AuC, после чего оба результата сравниваются. Если они совпадают, то SIM-карта признаётся подлинной и телефон регистрируется в сети. 
 
  Для телефона же идентификатором в сети является его уникальный номер IMEI (International Mobile Equipment Identity). Этот номер обычно состоит из 15 цифр в десятичном представлении. Например 35366300/758647/0. Первые восемь цифр описывают модель телефона и его происхождение. Оставшиеся – серийный номер телефона и контрольное число. 
 
  Данный номер хранится в энергонезависимой памяти телефона. В устаревших моделях этот номер можно сменить с помощью специального программного обеспечения (ПО) и соответствующего программатора (иногда и дата-кабеля), а в современных телефонах он дублируется. Один экземпляр номера хранится в области памяти, которую можно программировать, а дубликат – в зоне памяти OTP (One Time Programming), которая программируется производителем один раз и не имеет возможности перепрограммирования. 
 
  Так вот, если даже изменить номер в первой области памяти, то телефон, при включении, сравнивает данные обеих областей памяти, и, если обнаруживаются разные номера IMEI – телефон блокируется. Для чего всё это менять, спросите вы? На самом деле законодательство большинства стран запрещает это делать. Телефон по номеру IMEI отслеживается в сети. Соответственно при краже телефона его можно отследить и изъять. А если успеть изменить этот номер на любой другой (рабочий), то шансы найти телефон сводятся к нулю. Этими вопросами занимаются спецслужбы при соответствующей помощи оператора сети и т.д. Поэтому углубляться в эту тему не стану. Нас интересует чисто технический момент смены номера IMEI. 
 
  Дело в том, что при определённых обстоятельствах данный номер может повредиться в результате сбоя ПО или неправильного его обновления и тогда телефон абсолютно не пригоден для эксплуатации. Вот тут на помощь и приходят все средства, чтобы восстановить IMEI и работоспособность аппарата. Подробнее этот момент будет рассмотрен в разделе программного ремонта телефона. 
 
  Теперь кратенько о передаче голоса от абонента к абоненту в стандарте GSM. На самом деле это технически очень сложный процесс, который абсолютно отличается от привычной передачи голоса по аналоговым сетям как, например, домашний проводной/радио телефон. Чем-то отдалённо похожи цифровые DECT-радиотелефоны, но реализация всё равно другая. 
 
  Дело в том, что голос абонента, прежде чем будет передан в эфир, подвергается множеству преобразований. Аналоговый сигнал разбивается на отрезки длительностью 20мс, после чего преобразовывается в цифровой, после чего кодируется путём применения алгоритмов шифрования с т.н. открытым ключом – система EFR (Enhanced Full Rate - усовершенствованная система кодирования речи, разработанная финской компанией Nokia).