Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема: Принципы построения систем сотовой связи



1. Функциональная схема и ее элементы

1.1 Функциональная схема

Система сотовой связи строится в виде совокупности ячеек, или сот, покрывающих обслуживаемую территорию, например территорию города с пригородами. Ячейки обычно схематически изображают в виде равновеликих правильных шестиугольников (Рис.1.1), что по сходству с пчелиными сотами и послужило поводом назвать систему сотовой. Ячеечная, или сотовая, структура системы непосредственно связана с принципом повторного использования частот - основным принципом сотовой системы, определяющим эффективное использование выделенного частотного диапазона и высокую емкость системы.

В центре каждой ячейки находится базовая станция, обслуживающая все подвижные станции (абонентские радиотелефонные аппараты) в пределах своей ячейки (Рис.1.2).

При перемещении абонента из одной ячейки в другую происходит передача его обслуживания от одной базовой станции к другой. Все базовые станции системы, в свою очередь, замыкаются на центр коммутации, с которого имеется вы.

Взаимоувязанную сеть связи (ВСС) России, в частности, если дело происходит в городе, -- выход в обычную городскую сеть проводной телефонной связи. На рис.1.3 приведена функциональная схема, соответствующая описанной структуре системы.



Рис.1.1 Ячейки системы, покрывающие обслуживаемую территорию

Рис.1.2 Ячейка с базовой станцией в центре, обслуживающая подвижные станции в ячейке

Рис.1.3 Упрощенная функциональная схема системы сотовой связи

Прежде всего, в действительности ячейки никогда не бывают строгой геометрической формы.

Реальные границы ячеек имеют вид неправильных кривых, зависящих от условий распространения и затухания радиоволн, т.е. от рельефа местности, характера и плотности растительности и застройки и тому подобных факторов.

Более того, границы ячеек вообще не являются четко определенными, так как рубеж передачи обслуживания подвижной станции из одной ячейки в соседнюю может в некоторых пределах смещаться с изменением условий распространения радиоволн и в зависимости от направления движения подвижной станции.

Точно так же и положение базовой станции лишь приближенно совпадает с центром ячейки, который к тому же не так просто определить однозначно, если ячейка имеет неправильную форму.

Если же на базовых станциях используются направленные (не изотропные в горизонтальной плоскости) антенны, то базовые станции фактически оказываются на границах ячеек.

1.2 Подвижная станция

Рассмотрение элементов системы сотовой связи начнем с подвижной станции - наиболее простого по функциональному назначению и устройству, к тому же единственного элемента системы, который не только реально доступен пользователю, но и находится у него в руках в буквальном смысле этого слова.



Рис.1.4. Блок-схема подвижной станции (абонентского радиотелефонного аппарата)

Наиболее прост по составу антенный блок: он включает собственно антенну и коммутатор прием-передача. Последний для цифровой станции может представлять собой электронный коммутатор, подключающий антенну либо на выход передатчика, либо на вход приемника, поскольку подвижная станция цифровой системы никогда не работает на прием и передачу одновременно.

Функционально несложен и блок управления. Он включает микротелефонную трубку - микрофон и динамик, клавиатуру и дисплей.

Приемопередающий блок значительно сложнее.

В состав передатчика входят:

- аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - преобразует в цифровую форму сигнал с выхода микрофона и вся последующая обработка и передача сигнала речи производится в цифровой форме, вплоть до обратного цифро-аналогового преобразования;

- кодер речи осуществляет кодирование сигнала речи - преобразование сигнала, имеющего цифровую форму, по определенным законам с целью сокращения его избыточности, т.е. с целью сокращения объема информации, передаваемой по каналу связи;

- кодер канала - добавляет в цифровой сигнал, получаемый с выхода кодера речи, дополнительную (избыточную) информацию, предназначенную для защиты от ошибок при передаче сигнала по линии связи; с той же целью информация подвергается определенной переупаковке (перемежению); кроме того, кодер канала вводит в состав передаваемого сигнала информацию управления, поступающую от логического блока;

- модулятор - осуществляет перенос информации кодированного видеосигнала на несущую частоту.

Приемник по составу в основном соответствует передатчику, но с обратными функциями входящих в него блоков:

демодулятор выделяет из модулированного радиосигнала кодированный видеосигнал, несущий информацию;

декодер канала выделяет из входного потока управляющую информацию и направляет ее на логический блок; принятая информация проверяется на наличие ошибок, и выявленные ошибки по возможности исправляются; до последующей обработки принятая информация подвергается обратной (по отношению к кодеру) переупаковке;

декодер речи восстанавливает поступающий на него с кодера канала сигнал речи, переводя его в естественную форму, со свойственной ему избыточностью, но в цифровом виде;

цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует принятый сигнал речи в аналоговую форму и подает его на вход динамика;

эквалайзер служит для частичной компенсации искажений сигнала вследствие многолучевого распространения; по существу, он является адаптивным фильтром, настраиваемым по обучающей последовательности символов, входящей в состав передаваемой информации; блок эквалайзера не является, вообще говоря, функционально необходимым и в некоторых случаях может отсутствовать.

Помимо собственно передатчика и приемника, в приемопередающий блок входят логический блок и синтезатор частот. Логический блок -- это, по сути, микрокомпьютер со своей оперативной и постоянной памятью, осуществляющий управление работой подвижной станции. Синтезатор является источником колебаний несущей частоты, используемой для передачи информации по радиоканалу. Наличие гетеродина и преобразователя частоты обусловлено тем, что для передачи и приема используются различные участки спектра (так называемое дуплексное разделение по частоте).

Подвижная станция системы GSM включает также так называемый детектор речевой активности, который в интересах экономного расходования энергии источника питания (уменьшения средней мощности излучения), а также снижения уровня помех, неизбежно создаваемых для других станций при работающем передатчике, включает работу передатчика на излучение только на те интервалы времени, когда абонент говорит. На время паузы в работе передатчика в приемный тракт дополнительно вводится так называемый комфортный шум.

1.3 Базовая станция

Многие элементы, входящие в состав базовой станции, по функциональному назначению не отличаются от аналогичных элементов подвижной станции, но в целом базовая станция существенно больше и сложнее подвижной, что соответствует ее месту в системе сотовой связи.

Блок-схема базовой станции приведена на рис.1.5. Первая особенность базовой станции, которую следует отметить, - это использование разнесенного приема, для чего станция должна иметь две приемные антенны (на схеме рис.1.5 эта особенность не отражена). Кроме того, базовая станция может иметь раздельные антенны на передачу и на прием (схема рис.1.5 соответствует этому случаю). Вторая особенность -- наличие нескольких приемников и такого же числа передатчиков, позволяющих вести одновременную работу на нескольких каналах с различными частотами.

Рис. 1.5 Блок-схема базовой станции

Одноименные приемники и передатчики имеют общие перестраиваемые опорные генераторы (не показанные на рис.1.5), обеспечивающие их согласованную перестройку при переходе с одного канала на другой; конкретное число N приемопередатчиков зависит от конструкции и комплектации базовой станции. Для обеспечения одновременной работы N приемников на одну приемную и N передатчиков на одну передающую антенну между приемной антенной и приемниками устанавливается делитель мощности на N выходов, а между передатчиками и передающей антенной -- сумматор мощности на N входов.

Приемник и передатчик имеют, в общем, ту же структуру, что и в подвижной станции (рис. 1.4), за исключением того, что здесь в них отсутствуют соответственно ЦАП и АЦП, поскольку и входной сигнал передатчика, и выходной сигнал приемника имеют цифровую форму. Возможны варианты, когда кодеки -- либо только кодек речи, либо и кодек речи, и канальный кодек -- конструктивно реализуются в составе центра коммутации, а не в составе приемопередатчиков базовой станции, хотя функционально они остаются элементами приемопередатчиков.

Блок сопряжения с линией связи осуществляет упаковку информации, передаваемой по линии связи на центр коммутации, и распаковку принимаемой от него информации. В качестве линии связи базовой станции с центром коммутации обычно используется радиорелейная или волоконно-оптическая линия, если базовая станция и центр коммутации не располагаются территориально в одном месте.

Контроллер базовой станции, представляющий собой достаточно мощный и совершенный компьютер, обеспечивает управление работой станции, а также контроль работоспособности всех входящих в нее блоков и узлов.

Для обеспечения достаточной степени надежности многие блоки и узлы базовой станции резервируются (дублируются), в состав станции включаются автономные источники бесперебойного питания (аккумуляторы). Поскольку аппаратура базовой станции потребляет значительную мощность, и соответственно выделяет заметное количество тепла, в ней предусматриваются специальные устройства охлаждения. Все эти элементы, как и ряд других, не являющихся в известном смысле существенными для пояснения принципов работы станции, на схеме рис.1.5 не показаны.

1.4 Центр коммутации

Центр коммутации является мозговым центром и одновременно диспетчерским пунктом системы сотовой связи, на который замыкаются потоки информации со всех базовых станций и через который осуществляется выход на другие сети связи -- стационарную телефонную сеть, сети междугородной связи, спутниковой связи, другие сотовые сети. В состав центра коммутации входит несколько процессоров (контроллеров), и он является типичным примером многопроцессорной системы.

Блок-схема центра коммутации представлена на рис.1.6. Собственно коммутатор осуществляет переключение потоков информации между соответствующими линиями связи. Он может, в частности, направить поток информации от одной базовой станции к другой, или от базовой станции к стационарной сети связи, или наоборот -- от стационарной сети связи к нужной базовой станции.

Рис.1.6 Блок-схема центра коммутации

Коммутатор подключается к линиям связи через соответствующие контроллеры связи, осуществляющие промежуточную обработку (упаковку/распаковку, буферное хранение) потоков информации. Общее управление работой центра коммутации и системы в целом производится от центрального контроллера, который имеет мощное математическое обеспечение, включающее перепрограммируемую часть. Работа центра коммутации предполагает активное участие операторов, поэтому в состав центра входят соответствующие терминалы, а также средства отображения и регистрации (документирования) информации. В частности, оператором вводятся данные об абонентах и условиях их обслуживания, исходные данные по режимам работы системы, в необходимых случаях оператор выдает требующиеся по ходу работы команды.

Важными элементами системы являются базы данных -- домашний регистр, гостевой регистр, центр аутентификации, регистр аппаратуры (последний имеется не во всех системах). Домашний регистр содержит сведения обо всех абонентах, зарегистрированных в данной системе, и о видах услуг, которые могут быть им оказаны. Здесь же фиксируется местоположение абонента для организации его вызова и регистрируются фактически оказанные услуги. Гостевой регистр содержит примерно такие же сведения об абонентах-гостях (роумерах), т.е. об абонентах, зарегистрированных в другой системе, но пользующихся в настоящее время услугами сотовой связи в данной системе. Центр аутентификации обеспечивает процедуры аутентификации абонентов и шифрования сообщений. Регистр аппаратуры, если он существует, содержит сведения об эксплуатируемых подвижных станциях на предмет их исправности и санкционированного использования. В частности, в нем могут отмечаться украденные абонентские аппараты, а также аппараты, имеющие технические дефекты, например, являющиеся источниками помех недопустимо высокого уровня. Как и в базовой станции, в центре коммутации предусматривается резервирование основных элементов аппаратуры, включая источник питания, процессоры и базы данных.

1.5 Эфирные интерфейсы

В каждом стандарте сотовой связи используется несколько интерфейсов, в общем случае различных в разных стандартах.

Так, предусмотрены свои интерфейсы для связи подвижной станции с базовой, базовой станции - с центром коммутации (а в стандарте GSM - еще и отдельный интерфейс для связи приемопередатчика базовой станции с контроллером базовой станции), центра коммутации - с домашним регистром, с гостевым регистром, с регистром аппаратуры, со стационарной телефонной сетью и другие. Все интерфейсы подлежат стандартизации для обеспечения совместимости аппаратуры разных фирм-изготовителей, что не исключает, однако, возможности использования различных интерфейсов, определяемых разными стандартами, для одного и того же информационного стыка. В некоторых случаях используются уже существующие стандартные интерфейсы, например, соответствующие протоколам обмена в цифровых информационных сетях.

Из всех интерфейсов, используемых в сотовой связи, один занимает особое место -- это интерфейс обмена между подвижной и базовой станциями. Он носит наименование эфирного интерфейса и для обоих основных стандартов сотовой связи -- D-AMPS и GSM -- иногда обозначается одинаково -- Um, хотя организован совершенно по-разному.

Эфирный интерфейс обязательно используется в любой системе сотовой связи, при любой ее конфигурации и в единственном возможном для своего стандарта сотовой связи варианте. Последнее обстоятельство позволяет подвижной станции любой фирмы-изготовителя одинаково успешно работать совместно с базовой станцией той же или любой другой фирмы, что удобно для компаний-операторов и практически необходимо для организации роуминга, в том числе международного. Стандарты эфирного интерфейса отрабатываются весьма тщательно, чтобы обеспечить возможно более эффективное использование полосы частот, выделенной для канала радиосвязи.

В эфирных интерфейсах различных стандартов информация в канале трафика организуется следующими один за другим кадрами различной длительности. Каждый кадр состоит из нескольких временных интервалов - слотов, в которых передается управляющая, вспомогательная, синхронизирующая информация и собственно речевое сообщение.



2. Организация работы систем сотовой связи

2.1 Частотные, физические и логические каналы

Частотный канал - это полоса частот, отводимая для передачи информации одного канала связи. Правда, при использовании метода TDMA (множественный доступ с разделением по времени) в одном частотном канале передается информация нескольких каналов связи, т.е. в одном частотном канале размещается несколько физических каналов, но это не противоречит приведенному определению частотного канала, а подробнее мы рассмотрим это ниже - при определении понятия физического канала. Поясним понятие частотного канала конкретными примерами.

В стандарте D-AMPS в США для передачи информации прямого канала (от базовых станций к подвижным) отводится полоса частот 869...894 МГц, а для передачи информации обратного канала - полоса 824...849 МГц, т.е. прямой и обратный каналы разнесены по частоте на 45 МГц (дуплексный разнос по частоте). Один частотный канал занимает полосу Дf = 30 кГц, так что в пределах выделенного диапазона, с учетом защитных полос по краям, размещается 832 частотных канала. Частотным каналам присвоены номера от 1 до 799 (включительно) и от 991 до 1023; Иногда фигурирует и канал с номером 990, но фактически он не используется и не входит в указанное выше число 832 каналов. Центральная частота канала (в МГц) связана с его номером N соотношениями:

обратный канал:

f₀ = 825,000 + 0,030 N,1 < N < 799,

f₀ = 825,000 + 0,030 (N - 1023),991 < N < 1023;

прямой канал:

f_п = 870,000 + 0,030 N,1 < N < 799,

f_п = 870,000 + 0,030 (N - 1023),991 < N < 1023.

В стандарте GSM 900 для передачи информации прямого канала отводится полоса 935...960 МГц, а обратного -- 890...915 МГц, т.е. дуплексный разнос по частоте также составляет 45 МГц. Один частотный канал занимает полосу Дf = 200 кГц, так что всего в полном диапазоне, с учетом защитных полос, размещается 124 частотных канала. Центральная частота канала (в МГц) связана с его номером N соотношениями:

обратный канал:

f₀ = 890,200 + 0,200 N, 1 < N < 124;

прямой канал:

f_п = 935,200 + 0,200 N,1 < N < 124.

Заметим, что один частотный канал, строго говоря, занимает две полосы Дf (по 30 или 200 кГц -- для стандартов D-AMPS и GSM соответственно) -- одну под прямой, а другую под обратный канал связи.

Физический канал в системе с множественным доступом на основе временного разделения (TDMA) -- это временной слот с определенным номером (или пара слотов с номерами, отличающимися на 3 при полноскоростном кодировании в стандарте D-AMPS) в последовательности кадров эфирного интерфейса. Таким образом, в одном частотном канале в стандарте D-AMPS при полноскоростном кодировании передается информация трех физических каналов, при полускоростном кодировании - информация шести физических каналов, а в стандарте GSM всегда передается информация восьми физических каналов, но при полускоростном кодировании один физический канал содержит два канала трафика, информация которых передается по очереди, через кадр. Иными словами, при этом реализуется временное уплотнение каналов в 3 или 8 раз соответственно при полноскоростном кодировании и в 6 или 16 раз - при полускоростном. В этом и заключается одно из основных преимуществ цифрового поколения сотовой связи по сравнению с аналоговым.

Логические каналы различаются по виду (составу) информации, передаваемой в физическом канале. В принципе в физическом канале может быть реализован один из двух видов логических каналов -- канал трафика или канал управления; каждый из них, в свою очередь, может в общем случае существовать в одном из нескольких вариантов (типов).

Логический канал трафика -- это канал передачи речи или данных (компьютерных данных, факсимильных сообщений), т.е. той информации, ради которой, собственно, и создается сотовая связь. Термин трафик происходит от английского traffic (информационный поток, поток транспорта) и в применении к связи определяется как совокупность сообщений, передаваемых по линии связи, или как совокупность требований абонентов, обслуживаемых сетью связи.

В стандарте D-AMPS версии IS-54, с его относительно простым эфирным интерфейсом, понятие «логические каналы» обычно не используется.

2.2 Инициализация и установление связи

Перейдем к рассмотрению организации основных режимов работы системы сотовой связи.

Рассмотрим сначала наиболее простой случай - работу подвижной станции в пределах одной ячейки своей («домашней») системы, без передачи обслуживания. В этом случае в работе подвижной станции можно выделить четыре этапа, которым соответствуют четыре режима работы:

включение и инициализация;

режим ожидания;

режим установления связи (вызова);

режим ведения связи (телефонного разговора).

После включения подвижной станции, т.е. после замыкания цепи питания, производится инициализация - начальный запуск. В течение этого этапа происходит настройка подвижной станции на работу в составе системы - по сигналам, регулярно передаваемым базовыми станциями по соответствующим каналам управления, после чего подвижная станция переходит в режим ожидания. Конкретное содержание этапа инициализации зависит от используемого стандарта сотовой связи.

В стандарте D-AMPS версии IS-54 подвижная станция начинает со сканирования выделенных каналов управления и выбора канала с наиболее сильным сигналом; затем по передаваемой в этом канале информации подвижная станция определяет номера каналов вызова, находит среди них канал с наиболее сильным сигналом, настраивается на его частоту и остается в режиме ожидания. В версии IS-136 алгоритм настройки подвижной станции на цифровой канал управления более сложен и гибок, прежде всего в интересах скорейшего завершения процесса настройки. При этом рекомендуется в максимальной степени использовать всю имеющуюся информацию о положении канала управления (где находился канал управления в прошлом сеансе работы, указатель положения канала управления, если он имеется, и др.), а при прямом поиске со сканированием всех частотных каналов стандартом рекомендуется определенная последовательность сканирования групп каналов, в соответствии с вероятностью размещения в них цифровых каналов управления.

В стандарте GSM подвижная станция сканирует все имеющиеся частотные каналы, настраивается на канал с наиболее сильным сигналом и по наличию пачки коррекции частоты определяет, передается ли в этом частотном канале информация вещательного канала управления ВССН. Если нет, то станция перестраивается на следующий по уровню сигнала частотный канал, и так до тех пор, пока не будет найден канал ВССН. Затем подвижная станция находит пачку синхронизации, синхронизируется с выбранным частотным каналом, расшифровывает дополнительную информацию о базовой станции (в частности, 6-битовый код идентификации базовой станции) и принимает окончательное решение о продолжении поиска или о работе в данной ячейке.

Находясь в режиме ожидания, подвижная станция отслеживает:

-- изменения информации системы -- эти изменения могут быть связаны как с изменениями режима работы системы, так и с перемещениями самой подвижной станции, например с переходом ее в другую ячейку;

-- команды системы -- например, команду подтвердить свою работоспособность («регистрация» в конкретной ячейке);

-- получение вызова со стороны системы;

-- инициализацию вызова со стороны собственного абонента.

Кроме того, подвижная станция может периодически, например раз в 10... 15 минут, подтверждать свою работоспособность, передавая соответствующие сигналы на базовую станцию (подтверждение «регистрации» или уточнение местоположения). В центре коммутации для каждой из включенных подвижных станций фиксируется ячейка, в которой она «зарегистрирована», что облегчает организацию процедуры вызова подвижного абонента. Если подвижная станция не подтверждает свою работоспособность в течение определенного промежутка времени, например пропускает два или три подтверждения «регистрации» подряд, центр коммутации считает ее выключенной, и поступающий на ее номер вызов не передается.

Рассмотрим процедуру установления связи.

Если со стороны системы поступает вызов номера подвижного абонента, центр коммутации направляет этот вызов на базовую станцию той ячейки, в которой «зарегистрирована» подвижная станция, или на несколько базовых станций в окрестности этой ячейки - с учетом возможного перемещения абонента за время, прошедшее с момента последней «регистрации», а базовые станции передают его по соответствующим каналам вызова. Подвижная станция, находящаяся в режиме ожидания, получает вызов и отвечает на него через свою базовую станцию, передавая одновременно данные, необходимые для проведения процедуры аутентификации. При положительном результате аутентификации назначается канал трафика, и подвижной станции сообщается номер соответствующего частотного канала. Подвижная станция настраивается на выделенный канал и совместно с базовой станцией выполняет необходимые шаги по подготовке сеанса связи. На этом этапе подвижная станция настраивается на заданный номер слота в кадре, уточняет задержку во времени, подстраивает уровень излучаемой мощности и т.п.

Выбор временной задержки производится с целью временного согласования слотов в кадре (на прием в базовой станции) при организации связи с подвижными станциями, находящимися на разных дальностях от базовой. При этом временная задержка передаваемой подвижной станцией пачки регулируется по командам базовой станции.

Затем базовая станция выдает сообщение о подаче сигнала вызова (звонка), которое подтверждается подвижной станцией, и вызывающий абонент получает возможность услышать сигнал вызова. Когда вызываемый абонент отвечает на вызов («снимает трубку», т.е. нажимает соответствующую кнопку на панели управления абонентского аппарата), подвижная станция выдает запрос на завершение соединения. С завершением соединения начинается собственно сеанс связи - абоненты ведут разговор.

В процессе разговора подвижная станция производит обработку передаваемых и принимаемых сигналов речи, а также передаваемых одновременно с речью сигналов управления. По окончании разговора происходит обмен служебными сообщениями между подвижной и базовой станцией (запрос или команда на отключение с подтверждением), после чего передатчик подвижной станции выключается и станция переходит в режим ожидания.

Если вызов инициируется со стороны подвижной станции, т.е. абонент набирает номер вызываемого абонента, убеждается в правильности набора по отображению на дисплее и нажимает соответствующую кнопку («вызов») на панели управления, то подвижная станция передает через свою базовую станцию сообщение с указанием вызываемого номера и данными для аутентификации подвижного абонента. После аутентификации базовая станция назначает канал трафика, и последующие шаги по подготовке сеанса связи производятся таким же образом, как и при поступлении вызова со стороны системы.

Затем базовая станция сообщает на центр коммутации о готовности подвижной станции, центр коммутации передает вызов в сеть, а абонент подвижной станции получает возможность следить за ходом его выполнения (слышит сигналы «вызов» или «занято»). Соединение завершается на стороне сети.

Рис. 2.1 Упрощенная схема установления связи (исходящий вызов; стандарт GSM):

БППС - базовая приемо-передающая станция; КБС - контроллер базовой станции; ЦК - центр коммутации; ТФОП - стационарная телефонная сеть общего пользования

Данный рисунок схематически иллюстрирует процедуру установления связи. Цифрами обозначена такая последовательность действий:

1. Подвижная станция через канал случайного доступа (RACH) запрашивает выделенный закрепленный канал управления (SDCCH) для установления связи.

2. Контроллер базовой станции через канал разрешения доступа (AGCH) назначает канал SDCCH.

3. Подвижная станция через канал SDCCH проводит аутентификацию и выдает запрос на вызов (с номером вызываемого абонента).

4. Центр коммутации выдает команду на назначение канала трафика (ТСН).

5. Центр коммутации выдает вызываемый номер на стационарную телефонную сеть, и после ответа вызываемого абонента завершает соединение.

Процесс разговора и завершение сеанса связи не отличаются от предыдущего случая. сотовая связь сигнал аутентификация

Если подвижный абонент разговаривает с другим подвижным абонентом, то процедура установления связи и проведения сеанса связи происходит практически таким же образом. Если при этом оба подвижных абонента относятся к одной и той же сотовой системе, то связь между ними устанавливается через центр коммутации системы без выхода в стационарную телефонную сеть. Такова общая схема организации процесса связи в сотовой системе.

2.3 Аутентификация и идентификация

Рассмотрим процедуры аутентификации и идентификации, которые выполняются при каждом установлении связи.

Аутентификация - процедура подтверждения подлинности (действительности, законности, наличия прав на пользование услугами сотовой связи) абонента системы подвижной связи. Необходимость введения этой процедуры вызвана неизбежным соблазном получения несанкционированного доступа к услугам сотовой связи, приводящим к многочисленным и разнообразным проявлениям особого рода мошенничества - фрода в сотовой связи.

Идентификация - процедура отождествления подвижной станции (абонентского радиотелефонного аппарата), т.е. процедура установления принадлежности к одной из групп, обладающих определенными свойствами или признаками. Эта процедура используется для выявления утерянных, украденных или неисправных аппаратов.

Первоначально, в аналоговых системах сотовой связи первого поколения, процедура аутентификации имела простейший вид: подвижная станция передавала свой уникальный идентификатор (электронный серийный номер - Electronic Serial Number, ESN), и если таковой отыскивался среди зарегистрированных в домашнем регистре, то процедура аутентификации считалась успешно выполненной.

Идея процедуры аутентификации в цифровой системе сотовой связи заключается в шифровании некоторых паролей-идентификаторов с использованием квазислучайных чисел, периодически передаваемых на подвижную станцию с центра коммутации, и индивидуального для каждой подвижной станции алгоритма шифрования. Такое шифрование, с использованием одних и тех же исходных данных и алгоритмов, производится как на подвижной станции, так и в центре коммутации (или в центре аутентификации), и аутентификация считается закончившейся успешно, если оба результата совпадают.

В стандарте GSM процедура аутентификации связана с использованием модуля идентификации абонента (Subscriber Identity Module - SIM), называемого также SIM-картой (SIM-card. Модуль SIM - это съемный модуль, напоминающий по внешнему виду пластиковую кредитную карточку и вставляемый в соответствующее гнездо абонентского аппарата. Модуль вручается абоненту одновременно с аппаратом и в принципе позволяет вести разговор с любого аппарата того же стандарта, в том числе с таксофонного. Модуль содержит персональный идентификационный номер абонента (Personal Identification Number - PIN), международный идентификатор абонента подвижной связи (International Mobile Subscriber Identity - IMSI), индивидуальный ключ аутентификации абонента Ki, индивидуальный алгоритм аутентификации абонента A3, алгоритм вычисления ключа шифрования А8. Для аутентификации используется зашифрованный отклик (signed response) S, являющийся результатом применения алгоритма A3 к ключу Ki и квазислучайному числу R, получаемому подвижной станцией от центра аутентификации через центр коммутации. Алгоритм А8 используется для вычисления ключа шифрования сообщений. Уникальный идентификатор IMSI для текущей работы заменяется временным идентификатором TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity - временный идентификатор абонента подвижной связи), присваиваемым аппарату при его первой регистрации в конкретном регионе, определяемом идентификатором LAI (Location Area Identity - идентификтор области местоположения), и сбрасываемым при выходе аппарата за пределы этого региона. Идентификатор PIN - код, известный только абоненту, который должен служить защитой от несанкционированного использования SIM-карты, например, при ее утере. После трех неудачных попыток набора PIN-кода SIM-карта блокируется, и блокировка может быть снята либо набором дополнительного кода - персонального кода разблокировки (Personal unblocking key - PUK), либо по команде с центра коммутации.

Процедура аутентификации стандарта GSM схематически показана на рис. 2.2. Пунктиром отмечены элементы, не относящиеся непосредственно к процедуре аутентификации, но используемые для вычисления ключа шифрования Кс. Вычисление производится каждый раз при проведении аутентификации.

Процедура идентификации заключается в сравнении идентификатора абонентского аппарата с номерами, содержащимися в соответствующих «черных списках» регистра аппаратуры, с целью изъятия из обращения украденных и технически неисправных аппаратов. Идентификатор аппарата делается таким, чтобы его изменение или подделка были трудными и экономически невыгодными. Также может быть целесообразен и оперативный обмен информацией между регистрами аппаратуры -- межоператорский и международный, в интересах объединения усилий операторов в борьбе с фродом в сотовой связи.



Рис. 2.2 Схема процедуры аутентификации (стандарт GSM): R - случайное число; A3 - алгоритм аутентификации; А8 - алгоритм вычисления ключа шифрования; Ki - ключ аутентификации, Кс - ключ шифрования; S - зашифрованный отклик (Signed Response - SRES)

2.4 Передача обслуживания

Как уже говорилось ранее, базовая станция, находящаяся примерно в центре ячейки, обслуживает все подвижные станции в пределах своей ячейки. При перемещении подвижной станции из одной ячейки в другую ее обслуживание соответственно передается от базовой станции первой ячейки к базовой станции второй. Этот процесс называется передачей обслуживания. Процедура передачи обслуживания имеет место только в том случае, когда подвижная станция пересекает границу ячеек во время сеанса связи, и связь (телефонный разговор) при этом не прерывается. Если же подвижная станция перемещается из одной ячейки в другою, находясь в режиме ожидания, она просто отслеживает эти перемещения по информации системы, передаваемой по каналам управления, и в нужный момент перестраивается на более сильный сигнал другой базовой станции.

Технически процедура передачи обслуживания осуществляется следующим образом Необходимость в передаче обслуживания возникает, когда качество канала связи, оцениваемое по уровню сигнала и/или частоте битовой ошибки, падает ниже допустимого предела. В стандарте GSM указанные параметры постоянно измеряются подвижной станцией как для своей ячейки, так и для ряда смежных (до 16 ячеек), и результаты измерений передаются на базовую станцию. В стандарте D-AMPS подвижная станция измеряет эти характеристики только для рабочей ячейки, но при ухудшении качества связи она сообщает об этом через базовую станцию на центр коммутации, и по команде последнего аналогичные измерения выполняются подвижными станциями в соседних ячейках По результатам этих измерений центр коммутации выбирает ячейку, в которую должно быть передано обслуживание. Обратим внимание, что организация передачи обслуживания основывается на измерениях, выполняемых на подвижных станциях -- во временных слотах, свободных от передачи и приема информации; кроме того, могут использоваться и результаты измерений, выполняемых на базовых станциях.

Обязательным условием передачи обслуживания из одной ячейки в другую является более высокое качество канала связи во второй ячейке по сравнению с первой. Иначе говоря, обслуживание передается из ячейки с худшим качеством канала связи в ячейку с лучшим качеством, причем указанное различие должно быть не менее некоторой наперед заданной величины. Если не требовать выполнения этого условия, а передавать обслуживание, например, уже при одинаковом качестве канала связи в двух ячейках, то в некоторых случаях, в частности, при перемещении подвижной станции примерно вдоль границы ячеек, возможна многократная передача обслуживания из первой ячейки во вторую и обратно, приводящая к значительной загрузке системы бессмысленной работой и к снижению качества связи.

Приняв решение о передаче обслуживания и выбрав новую ячейку, центр коммутации сообщает об этом базовой станции новой ячейки, а подвижной станции через базовую станцию старой ячейки выдает необходимые команды с указанием нового частотного канала, номера рабочего слота и т.п. Подвижная станция перестраивается на новый канал и настраивается на совместную работу с новой базовой станцией, выполняя примерно те же шаги, что и при подготовке сеанса связи, после чего связь продолжается через базовую станцию новой ячейки.

При этом перерыв в телефонном разговоре не превышает долей секунды и остается незаметным для абонента.



3. Оптимизация использования частотного диапазона и обработка сигналов

3.1 Полосы частот сотовой связи

Таблица 3.1 Характерные полосы частот, используемые в сотовой связи

Стандарт	Частоты, МГц	Длины волн, см
	Обратный канал	Прямой канал	Обратный канал	Прямой канал
NMT-450 AMPS/D-AMPS TACS/ETACS GSM 900 PDC GSM 1800 GSM 1900	453… 457,5 824… 849 890… 905 890… 915 810… 826 1429…1465 1710…1785 1850…1910	463… 467,5 869… 894 935… 950 935… 960 940… 956 1477…1513 1805…1880 1930…1990	65,6…66,3 35,4…36,4 33,2…33,8 32,8…33,7 36,3…37,0 20,5…21,0 16,8…17,6 15,7…16,2	63,2…64,9 33,6…34,6 31,6…32,1 31,2…32,1 31,4…31,9 19,8…20,3 16,0…16,6 15,1…15,6

Первое, что наглядно видно из приведенной таблицы, -- это жесткая ограниченность выделенных полос, вмещающих, в общем-то, весьма небольшое число частотных каналов. Отсюда возникает стремление к наиболее рациональному использованию имеющегося диапазона, к оптимизации его использования и соответственно к повышению емкости системы связи.

Второе обстоятельство, следующее из данных табл. 3.1: используемые в сотовой связи полосы частот относятся к дециметровому диапазону. Как известно, дециметровые радиоволны распространяются в основном в пределах прямой видимости; дифракция на этих частотах выражена слабо, а молекулярного поглощения и поглощения в гидрометеорах (снег, дождь) практически нет. Однако близость подстилающей поверхности и наличие препятствий (зданий), особенно в условиях города, типичных для применения сотовой связи, приводит к появлению отраженных сигналов, интерферирующих между собой и с сигналом, прошедшим по прямому пути. Это явление называют многолучевым распространением сигналов.

Отражение от подстилающей поверхности при определенных условиях приводит к тому, что мощность принимаемого сигнала убывает пропорционально не второй степени расстояния между передатчиком и приемником, как при распространении в свободном пространстве, а пропорционально четвертой степени этого расстояния, т.е. напряженность поля убывает пропорционально квадрату расстояния. Интерференция нескольких сигналов, прошедших различными путями, вызывает своеобразное явление замираний результирующего сигнала, или фэдинга (английский термин fading), при котором интенсивность принимаемого сигнала изменяется в значительных пределах при перемещении подвижной станции. Кроме того, возникают искажения, являющиеся следствием наложения нескольких соизмеримых по интенсивности сигналов, смещенных один относительно другого во времени, которые могут приводить к ошибкам в принимаемой информации. Наконец, сложность картины многолучевого распространения существенно затрудняет расчет интенсивности сигналов в функции удаления от базовой станции, а такой расчет необходим для корректного проектирования системы. Поэтому практически при проектировании приходится использовать полуэмпирические модели распространения радиоволн, опирающиеся на конкретные результаты экспериментальных измерений.

3.2 Принцип повторного использования частот

Повторное использование частот -- это основной принцип системы сотовой связи, радикально отличающий ее от других, в частности -- от транковых систем подвижной связи, и позволяющий существенно повышать емкость системы. Идея повторного использования частот заключается в том, что в близких одна относительно другой ячейках системы используются разные полосы частот, а через несколько ячеек эти полосы повторяются, что выгодно уже само по себе, так как позволяет при ограниченной общей полосе частот охватить системой сколь угодно большую зону обслуживания. Это оказывается выгодно вдвойне, если учесть возможность повышения емкости системы за счет того или иного варианта дробления ячеек.

Рассмотрим пример. Пусть в некоторой ячейке А используется какая-то часть от полного диапазона частот, выделенного системе сотовой связи, например, для определенности, одна десятая. Тогда в соседней с ней ячейке В должна использоваться вторая десятая часть диапазона, поскольку вблизи общей границы в двух смежных ячейках нельзя использовать одни и те же частотные каналы. Из тех же соображений в ячейке С придется использовать третью десятую часть диапазона. Но уже в ячейке D, имеющей общие границы с ячейками А и С, но не граничащей с ячейкой В, вновь может быть использована та же десятая часть диапазона, что и в ячейке В, что условно обозначается D>B.

Аналогичные соображения справедливы и для остальных ячеек, так что в итоге мы приходим к трехъячеечной схеме повторения частот, или к структуре системы, состоящей из 3-ячеечных (3-элементных) кластеров. Такая структура схематически представлена на рис. 3.2, причем одинаковыми цифрами обозначены ячейки, в которых используются одни и те же полосы частот. Очевидно, что 3-элементный кластер -- это кластер минимально возможного размера; в каждой из его ячеек можно использовать не одну десятую, а одну треть от полного частотного диапазона, отведенного системе.

При 3-элементном кластере ячейки с одинаковыми полосами частот повторяются очень часто, что плохо в смысле уровня соканальных помех, т.е. помех от станций системы, работающих на тех же частотных каналах, но в других ячейках. В этом отношении более выгодны кластеры с большим числом элементов.



Рис. 3.1 Построение трехэлементного кластераРис. 3.2. Трехэлементный кластер

Можно показать, что в общем случае расстояние D между центрами ячеек, в которых используются одинаковые полосы частот, связано с числом N ячеек в кластере простым соотношением

где R -- радиус ячейки(радиус окружности, описанной около правильного шестиугольника). Параметр q, определяемый последним равенством, называют коэффициентом уменьшения соканальных помех или коэффициентом соканального повторения, а для величины 1/N, обратной числу ячеек в кластере, иногда употребляют наименование коэффициент эффективности повторного использования частот или просто коэффициент повторного использования частот.

Заметим, что увеличение числа элементов в кластере, выгодное в отношении снижения уровня соканальных помех, приводит к пропорциональному уменьшению полосы частот, которая может быть использована в одной ячейке. Поэтому практически число элементов в кластере должно выбираться минимально возможным, обеспечивающим допустимое отношение сигнал/помеха.



3.3 Методы множественного доступа

Понятие множественного доступа связано с организацией совместного использования ограниченного участка спектра многими пользователями. В ортодоксальных подходах выделяется пять вариантов множественного доступа:

1. Множественный доступ с частотным разделением каналов связи.

2. Множественный доступ с временным разделением каналов связи.

3. Множественный доступ с кодовым разделением каналов связи.

4. Множественный доступ с пространственным разделением каналов связи.

5. Множественный доступ с поляризационным разделением каналов связи.

Практический интерес для сотовой связи представляют первые три из них, поэтому в следующих разделах мы рассмотрим их подробнее. Четвертый метод фактически используется в реализации принципа повторного использования частот, в частности при делении ячейки на сектора с использованием направленных антенн, но обычно этот прием не преподносится как один из методов множественного доступа. Случаев практического применения поляризационного разделения нам не известно.

А. Множественный доступ с частотным разделением.

Множественный доступ с частотным разделением (английское FDMA - Frequency Division Multiple Access), или множественный доступ с разделением каналов связи по частоте, -- наиболее простой из трех методов множественного доступа как по своей идее, так и по возможности реализации. В этом методе каждому пользователю на время сеанса связи выделяется своя полоса частот Дf (частотный канал), которой он владеет безраздельно. Метод FDMA используется во всех аналоговых системах сотовой связи (системах первого поколения) -- это единственный метод, который целесообразно использовать в аналоговых системах, при этом полоса Дf составляет 10...30 кГц. Основное слабое место FDMA - недостаточно эффективное использование полосы частот. Эта эффективность заметно повышается при переходе к более совершенному методу TDMA, что позволяет соответственно повысить емкость системы сотовой связи.

Б. Множественный доступ с временным разделением.

Множественный доступ с временным разделением (английское TDMA - Time Division Multiple Access), или множественный доступ с разделением каналов связи по времени, также достаточно прост по идее, но значительно сложнее в реализации, чем FDMA. Суть метода TDMA заключается в том, что каждый частотный канал разделяется во времени между несколькими пользователями, т.е. частотный канал по очереди предоставляется нескольким пользователям на определенные промежутки времени.

Практическая реализация метода TDMA требует преобразования сигналов в цифровую форму и характерного «сжатия» информации во времени. Цифровая Обработка сигналов и схема TDMA используются в стандартах сотовой связи второго поколения D-AMPS, GSM, PDC. Особенно нагляден в этом отношении стандарт D-AMPS: при сохранении той же полосы частотного канала Дf = 30 кГц, что и в аналоговом стандарте AMPS, число физических каналов в нем возрастает втрое и более чем втрое возрастает емкость системы; с вводом полускоростного кодирования этот коэффициент увеличится еще в два раза. Заметим попутно, что разделение во времени может использоваться и для реализации прямых и обратных каналов дуплексной связи в одной и той же полосе частот (английское TDD - Time Division Duplex). Такое техническое решение находит применение в беспроводном телефоне. В сотовой связи обычно используется дуплексное разделение по частоте (английское FDD - Frequency Division Duplex), т.е. прямые и обратные каналы занимают разные полосы частот, смещенные одна относительно другой.

Метод TDMA, однако, сам по себе не реализует всех потенциальных возможностей по эффективности использования спектра; дополнительные резервы открываются при использовании иерархических структур и адаптивного распределения каналов. Известное преимущество в этом отношении может иметь метод CDMA.

В. Множественный доступ с кодовым разделением.

Множественный доступ с кодовым разделением (английское CDMA - Code Division Multiple Access) прост только на уровне феноменологического описания метода: в нем большая группа пользователей (например, от 30 до 50) одновременно использует общую относительно широкую полосу частот - не менее 1 МГц. По-существу же метод CDMA достаточно сложен, и не только в отношении принципов построения, но и в плане практической реализации. Как и TDMA, метод CDMA может быть реализован только в цифровой форме. Подробное рассмотрение и обсуждение метода несколько затрудняется, кроме того, тем, что при обилии публикаций теоретического характера опыт его практического применения пока ограничен.

Основная особенность метода CDMA -- это работа в широкой полосе частот, значительно превышающей полосу сигнала речи, в сочетании с таким кодированием информации каждого из физических каналов, которое позволяет выделять ее из общей широкой полосы, используемой одновременно всеми физическими каналами. Система связи, реализующая CDMA, является системой с расширенным спектром -- спектр информационного сообщения искусственно расширяется посредством модуляции (кодирования) периодической псевдослучайной последовательностью импульсов с достаточно малым дискретом. Для получения ширины спектра более 1 МГц (а это принципиально важно для успешной работы в условиях многолучевого распространения) длительность дискрета модулирующей последовательности должна быть менее 1 мкс. Указанные общие принципы - расширение спектра за счет модуляции псевдослучайной последовательностью в сочетании с кодовым разделением физических каналов - однозначно определяют и общие достоинства метода CDMA: высокую помехоустойчивость, хорошую приспособленность к условиям многолучевого распространения, высокую емкость системы.

Помехоустойчивость метода - по отношению как к узкополосным, так и широкополосным помехам - может быть пояснена следующим образом. Модуляция сигнала псевдослучайной последовательностью при передаче требует его повторной модуляции той же последовательностью при приеме (что эквивалентно демодуляции сигнала), в результате чего восстанавливается исходный узкополосный сигнал. При этом подбор задержки демодулирующей последовательности производится экспериментально с точностью до дискрета последовательности, и правильному значению задержки соответствует максимальный отклик на выходе фильтра-демодулятора; описанная схема обработки соответствует так называемому корреляционному приему. Если помеха узкополосная, то демодулирующая псевдослучайная последовательность при приеме воздействует на нее как модулирующая, т.е. «размазывает» ее спектр по широкой полосе W_SS , в результате чего в узкую полосу сигнала W_S попадает лишь 1/G часть мощности помехи, так что узкополосная помеха будет ослаблена в G раз, где G = W_SS/W_S - выигрыш обработки, равный отношению полосы расширенного спектра W_SS к полосе W_S исходного сигнала. Например, при W_SS = 1,23 МГц и W_S = 19,2 кГц выигрыш обработки составляет G = 65. Если же помеха широкополосная - с полосой порядка W_SS или шире, то демодуляция не изменяет ширины ее спектра, и в полосу сигнала помеха попадает ослабленной во столько раз, во сколько ее полоса шире полосы W_S исходного сигнала.

Возможность успешной работы в условиях многолучевого распространения также непосредственно связана с корреляционным приемом. Если корреляционный приемник имеет несколько каналов и каждый из них может быть настроен на свою задержку сигнала, то разные каналы могут быть согласованы по задержке с сигналами, прошедшими по разным путям, а сигналы с выходов всех каналов после соответствующего выравнивания во времени могут быть просуммированы.

В методе CDMA реализуется так называемая «мягкая передача обслуживания»: когда подвижная станция приближается к границе ячейки, т.е. сигналы от двух базовых станций - рабочей ячейки и одной из смежных - становятся соизмеримыми по уровню (это фиксируется подвижной станцией и сообщается на базовую станцию рабочей ячейки), по команде с центра коммутации через базовую станцию смежной ячейки организуется второй канал связи с той же подвижной станцией; при этом первый канал (в «старой» ячейке) продолжает работать, т.е. подвижная станция принимает сигналы одновременно от двух базовых станций, используя технические возможности рейк-приемника - возможности приема двух «копий» одного и того же сигнала, смещенных между собой во времени. Так продолжается до тех пор, пока подвижная станция не удалится от границы ячеек, т.е. пока сигнал от второй базовой станции не станет существенно сильнее сигнала от первой. После этого канал связи через первую базовую станцию закрывается, и процесс передачи обслуживания завершается. «Мягкая передача обслуживания», безусловно, повышает качество и надежность связи, но ее организация обходится отнюдь не бесплатно: помимо того, что в процессе передачи обслуживания подвижная станция занимает не один физический канал, а два (по одному каналу в двух ячейках), регулировка уровня сигнала подвижной станции может производиться лишь по одной из ячеек, а по второй сигнал может оказаться либо слабоватым, либо великоватым и с несглаженными замираниями, с вытекающими отсюда последствиями для качества связи.

...