Характеристика системы подвижной радиосвязи

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Железнодорожный транспорт играет важную роль в функционировании и развитии товарного рынка страны, в удовлетворении потребности населения в передвижении. Он является основным звеном транспортной системы Беларуси и большинства стран СНГ. Основной сферой применения железнодорожного транспорта являются массовые перевозки грузов и пассажиров в межрайонном, междугородном и пригородном сообщениях, при этом преобладают грузовые перевозки, которые дают свыше 80% дохода. В перевозках пассажиров по железным дорогам преобладают перевозки в пригородном и местном сообщениях (около 90% общего количества пассажиров). Дальние пассажирские перевозки составляют свыше 40% пассажирооборота. Велико значение железных дорог Беларуси в развитии межгосударственных связей со странами СНГ и международных перевозках. В связи с этим на их долю приходится почти 50% грузооборота и более 46% пассажирооборота всех видов транспорта страны. Перевозка грузов по железным дорогам экономически выгодна на больших расстояниях. Это объясняется более высокой долей расходов, не зависящих от дальности перевозок и удорожающих их себестоимость на коротких расстояниях. По грузообороту железнодорожный транспорт занимает одно из первых мест в единой транспортной системе страны и является основным видом транспорта общего пользования в системе народного хозяйства.

Железнодорожный транспорт среди всех видов наиболее приспособлен к массовым перевозкам, функционирует круглые сутки независимо от времени года и погоды. Железные дороги являются универсальным видом транспорта для перевозок всех видов грузов при сравнительно небольшой себестоимости и высокой скорости их доставки потребителю. Железнодорожный транспорт по сравнению с другими видами в меньшей степени воздействует на окружающую среду и имеет меньшую энергоемкость на выполнение перевозочной работы.

В настоящий момент современный транспорт находится в стадии модернизации, это необходимо для повышения безопасности и эффективности перевозок. Достижение этих целей требует сбора, передачи информации и на ее основе автоматического управления ресурсами и оперативного принятия решений на соответствующем уровне. Система управления технологическими процессами занимает особое место в сложном и многообразном комплексе работ железнодорожного транспорта. Достаточная техническая оснащенность железнодорожного транспорта: большой парк локомотивов и вагонов, высокий уровень механизации путевых работ, широкая электрификация выдвигают на первый план решение проблемы эффективного использования этих технических средств на базе совершенствования системы управления. В свою очередь эффективность системы управления во многом зависит от работы его основного звена - средств связи с подвижными объектами на низшем исполнительном уровне, где наибольшее распространение получила технологическая радиосвязь.

Радиосвязь занимает ведущее место в общей системе связи страны. Она довольно проста в построении, оперативна в организации, экономически эффективна и в ряде случаев является единственным способом обмена информацией, например связь с подвижными объектами, с труднодоступными районами.

Велика роль радиосвязи и на железнодорожном транспорте, являющейся в большинстве случаев единственным видом связи с подвижными объектами. В условиях растущей общей технической оснащенности железнодорожного транспорта внедрения радиосвязи с подвижными объектами стало насущной необходимостью. Многолетний опыт применения радиосвязи на транспорте позволил значительно повысить производительность труда, оперативность, четкость и безопасность проведения работ, эффективность использования локомотивного и вагонного парков.

Технологическая радиосвязь на железнодорожном транспорте подразделяется на поездную, станционную и ремонтно-оперативную. Станционная радиосвязь обеспечивает связь между машинистами маневровых и горочных локомотивов с маневровым диспетчером или соответствующим дежурным по парку или горке, а также списчиков или осмотрщиков вагонов с технической конторой или составителей вагонов с машинистами маневровых локомотивов. Поездную радиосвязь обеспечивает двустороннюю телефонную связь между машинистами локомотивов, движущихся по перегонам, с дежурными по станциям или диспетчером и содействует выполнению графика движения поездов, а также повышает безопасность движения. Поездной радиосвязью оборудованы все грузонапряженные направления дорог. Ремонтно-оперативная радиосвязь предназначена для управления ремонтными работами на перегонах.

В современных условиях железнодорожный транспорт не может оставаться в стороне от стремительного развития научно-технического прогресса. Масштабная инфраструктура железных дорог требует применения новейших технологий в системах связи, радиосвязи, информатизации и автоматизации для решения основных отраслевых задач и эффективного функционирования отрасли. Постоянно возрастают требования к улучшению качества поездной радиосвязи, повышению надежности и увеличения дальности действия, снижению экономических затрат на техническое обслуживание радиосредств. Внедрение новых радиосредств позволяет повысить оперативность управления движением на диспетчерском участке за счет предоставления возможности вхождения в канал ПРС и ведение переговоров машинистами поездов, диспетчерам по локомотивам и энергодиспетчером, повысить надежность работы всех сетей технологической радиосвязи за счет применения аппаратуры, имеющей более высокие показатели надежности. Сегодня беспроводные системы и средства связи используются на транспорте для организации диспетчерской, станционной, ремонтно-оперативной связи, связи внутри транспортного средства, в системах управления движением, для содержания инфраструктуры. Однако зачастую используются устаревшие средства аналоговой связи, которые не позволяют реализовывать многие необходимые функции, качество и надежность связи недостаточно высоки (что, в свою очередь, влияет на безопасность), также значительными остаются эксплуатационные затраты и расходы на техническое обслуживание. Особенно понижает безопасность то, что абоненты одних подсистем связи не могут связаться с абонентами других подсистем в рамках одной транспортной сети. Все это требует перехода на цифровые системы и средства радиосвязи и интеграции подсистем связи в единой системе технологической связи.

Программа развития цифровых сетей радиосвязи направлена на информационное и технологическое перевооружение железнодорожного транспорта, повышение безопасности движения поездов, снижение эксплуатационных расходов, создание корпоративной сети радиотелефонной связи развитие сферы услуг, предоставляемым пассажирам и клиентам железнодорожного транспорта, создание экономически эффективных средств передачи данных и телеуправления.

Сейчас ведутся всесторонние исследования, направленные на выявление возможности использования для систем управления движением поездов цифровых сетей радиосвязи стандартов ТЕТRA, DECT, широкополосного радиодоступа Wi-Fi, WiMAX, а также спутниковой подвижной радиосвязи. Их функциональные характеристики различны, а целесообразность применения зависит от конкретных условий эксплуатации, поставленных технологических задач, размеров станций и множества других факторов. Для решения задач управления движением локомотивов на станциях необходимо задействовать дополнительные ресурсы каналов передачи данных на основе систем TETRA, Wi-Fi, DECT, WiMAX. В отличие от применяемых в настоящее время средств радиосвязи система ТЕТRА обеспечивает решение проблемы ЭМС на крупных железнодорожных узлах, возможность закрепления канала передачи данных за каждым управляемым локомотивом и реализацию дуплексного режима взаимодействия "центр управления - маневровый локомотив", что эквивалентно увеличению скорости передачи данных на каждый локомотив в несколько раз.

Среди стандартов, потенциально пригодных для использования в качестве цифровой системы радиосвязи железнодорожного транспорта, целесообразно рассматривать GSM-R, CDМА-450, ТЕТRА.

Технология GSM-R позволяет перевести поездную и маневровую радиосвязь на новую мощную унифицированную цифровую системную платформу. Она обеспечивает оптимальное покрытие обслуживаемой зоны, высокие эксплуатационную готовность и надежность, реализует интегрированные алгоритмы для обмена информацией с высокоскоростными поездами. Результатом ее внедрения на железной дороге станет повышение эффективности железнодорожных перевозок. Система GSM-R строится на основе стандарта сотовой системы радиосвязи GSM. Преимуществами системы являются совместимость с радиосредствами, эксплуатируемыми в странах Западной Европы, что существенно в приграничных районах . Преимущества GSM-R обусловлены прежде всего использованием в данной технологии инфраструктурных компонентов мобильных сетей общего пользования (антенных мачт, базовых станций, систем электропитания и т. д.). Это гарантирует высокую надежность системы, поскольку в ней предусмотрены избыточность аппаратных средств и обработка отказов с помощью программного обеспечения. Кроме того, компоненты для сетей GSM-R широко распространены и используют хорошо отработанные механизмы.Недостатки связаны с принципами организации сотовых сетей связи: длительное время организации радиоканала; сложности организации высокоскоростного канала передачи данных для систем управления движением, отсутствие режима прямого взаимодействия (DMO) и др. Повышение скорости передачи данных и оперативности управления обеспечивается в режиме GPRS. Сложность реализации GSM-R на железных дорогах (кроме перечисленных недостатков самой системы) связана прежде всего с выделением необходимого частотного ресурса в диапазоне 900 МГц.

Одно из перспективных направлений работы в области радиосвязи направлено на решение задач применения систем широкополосного радиодоступа (систем 3-го поколения) на железнодорожном транспорте для комплексного решения проблем организации всех видов радиотелефонной связи и видеонаблюдения, организации каналов передачи данных для систем железнодорожной автоматики и автоматизированных систем управления различного назначения. Применение систем широкополосного радиодоступа, преимущественно работающих в диапазоне свыше 2,5 ГГц, позволит обеспечить скорости передачи данных от нескольких сотен Кбит/с до десятков Мбит/с, и интегрировать сети радиосвязи с широкополосными мультисервисными цифровыми сетями связи с пакетной передачей информации.

Железнодорожный транспорт и далее будет оставаться ведущим видом транспорта страны, однако темпы его развития могут быть меньшими, чем автомобильного, трубопроводного и воздушного, ввиду их недостаточного развития в нашей стране. Кроме того, следует учитывать усиливающуюся конкуренцию на транспортном рынке, технический прогресс и некоторые недостатки железных дорог. К таким недостаткам следует отнести, прежде всего, капиталоемкость сооружения железных дорог и относительно медленную отдачу авансируемого капитала.

В сторону какой технологии железнодорожной радиосвязи склонится окончательный выбор, пока неясно, но для успешного взаимодействия с европейскими и азиатскими соседями и создания транспортных коридоров отечественным железнодорожникам, вероятно, рано или поздно придется задуматься над тем или иным вариантом реализации GSM-R. Да и для высокоскоростных магистралей лучшей технологии пока не придумали.



1. ПРИНЦИП ОРГАНИЗАЦИИ СИСТЕМ ЦИФРОВОЙ ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ

1.1 Выбор и обоснование структуры сети GSM-R

Технология GSM-R позволяет перевести поездную и маневровую радиосвязь на новую мощную унифицированную цифровую системную платформу. Она обеспечивает оптимальное покрытие обслуживаемой зоны, высокие эксплуатационную готовность и надежность, реализует интегрированные алгоритмы для обмена информацией с высокоскоростными поездами. Результатом ее внедрения на железной дороге станет повышение эффективности железнодорожных перевозок. Новая цифровая сеть радиосвязи обладает рядом преимуществ, которые позволяют упростить обмен информацией, повысить качество обслуживания абонентов и уровень безопасности. Сеть реализует интеллектуальные функции и поддерживает большой набор услуг телефонной связи и передачи данных. Например, поддерживается групповой и широковещательный вызов, приоритеты вызовов, прерывание разговора при поступлении срочного вызова с высоким приоритетом (например, в случае чрезвычайной ситуации), что способствует усилению безопасности на железнодорожном транспорте. Кроме того, поддерживается функциональная адресация, причем функциональные единицы (например, машинист локомотива или проводник) могут быть вызваны независимо от их конкретного абонентского номера. Кроме того, GSM-R позволяет отказаться от нескольких параллельных сетей радиосвязи. GSM-R интегрирует разные службы и делает ненужной сложную структуру, характерную для аналоговых сетей. Кроме того, технология GSM-R позволяет обеспечить беспрерывную связь машиниста с диспетчером при скорости подвижного состава до 350км/ч за счет использования нового высокоскоростного эквалайзера. А в лабораторных условиях связь обеспечивалась и при скорости 500км/ч!!! Таким образом, данная технология позволяет снять один из основных барьеров на пути создания сверхвысокоскоростных поездов. Потенциал GSM-R не ограничивается телефонной связью. Технология GSM-R, как и GSM, интегрируется с GPRS для предоставления услуг на основе пакетной коммутации. Благодаря этому возможно в режиме реального времени получать телеметрическую информацию с любого локомотива, любой станции или перегона дороги. Информация о местоположении и скорости поезда будет передаваться по сети GSM-R в центр управления, что позволит полностью автоматизировать процесс регулирования движения поездов. Применение такой системы в пассажирском комплексе многократно повысит безопасность пассажирских перевозок. Появляется также возможность во время движения поезда передавать в соответствующие пункты управления разнообразную поездную информацию, например об износе тормозов и температуре в рефрижераторных и топливных вагонах, о состоянии сцепления вагонов. Это позволит существенно сократить затраты времени на техническое обслуживание и маневровую работу.

В системе GSM-R будут реализованы новые свойства общедоступных сетей сотовой связи. К их числу относится пакетная передача данных GPRS, введенная в стандарт GSM версии 2.5 и позволяющая обращаться к базам данных и ресурсам сети Интернет с более эффективным использованием частотного диапазона. С появлением приложений, предоставляющих соответствующую информацию, можно будет говорить о воплощении концепции «мобильного офиса на рельсах». Работники железнодорожного транспорта получат возможность обращаться к информации, рассредоточенной вдоль линии, что приведет к повышению эффективности их работы и конкурентоспособности железных дорог.

К числу таких приложений относятся:

- управление ресурсами;

- доступ к базам данных через Интернет;

- доступ к данным о расписании движения и тарифам;

- автоматическое резервирование мест в пассажирских поездах;

- оплата проезда;

- управление грузовыми перевозками.

Преимущества GSM-R обусловлены прежде всего использованием в данной технологии инфраструктурных компонентов мобильных сетей общего пользования (антенных мачт, базовых станций, систем электропитания и т. д.). Это гарантирует высокую надежность системы, поскольку в ней предусмотрены избыточность аппаратных средств и обработка отказов с помощью программного обеспечения. Кроме того, компоненты для сетей GSM-R широко распространены и используют хорошо отработанные механизмы.

При использовании развитой инфраструктуры публичных сетей GSM железнодорожники могут значительно снизить затраты на создание и эксплуатацию собственной сети. Добавим к этому перспективы, связанные с развитием услуг на базе технологии GPRS, применение которых позволит организовать высококачественную голосовую связь, передачу данных и существенно упростит интеграцию мобильных служб с любыми корпоративными приложениями.

От обычного GSM система GSM-R отличается поддержкой некоторых специальных функций, разработанных специально по заказу железнодорожников. Поскольку сети GSM-R - это закрытые сети, для них могут разрабатываться всевозможные приложения, отвечающие современным потребностям заказчиков в той или иной стране.

Зона обслуживания системы GSM разделена на фрагменты (рис.1.1), каждый из которых обслуживает центр коммутации подвижной связи (англ. Mobile Switching Center - MSC). MSC представляет собой специализированный центр электронной коммутации, к которому добавлены функциональные блоки, решающие задачи, характерные для системы сотовой подвижной связи. Каждый центр MSC соединен с соответствующим визитным регистром местоположения (англ. Visitor's Location Register - VLR). Этот регистр содержит необходимую информацию о подвижных станциях, временно расположенных в области обслу-живания местного MSC.

Помимо VLR система GSM каждого оператора оборудована тремя другими регистрами:

- HLR (англ. Home Location Register) - домашний регистр местоположения - база данных подвижных станций, постоянно зарегистрированных в системе конкретного оператора.

- AUC (англ. Authentication Center) - центр аутентификации - база данных, позволяющая определить - разрешен ли допуск к услугам системы абоненту, имеющему данный модуль подлинности - SIM-карту.

- EIR (англ. Equipment Identification Register) - регистр идентификации оборудования - база данных серийных номеров подвижных станций, используемых в системе. Номера украденных или потерянных телефонов помещаются в черный список, что позволяет предотвратить дальнейшее использование в системе этих телефонов.

Рис. 1.1. Обобщенная структура системы GSМ

Регистр HLR представляет собой центральную базу данных, в которой хранятся постоянные параметры пользователей и сведения об их текущем местоположении. В больших системах может быть более одного HLR, однако информация о каждом абоненте хранится только в одном из них.

В HLR хранится вся информация о постоянно прописанных в сети GSM пользователях, которая позволяет системе установить соединение с ними, даже если в этот момент они временно зарегистрированы в другой сети GSM - например, в другой стране. Тогда запись о пользователе в HLR содержит его статус, временный идентификационный номер подвижного абонента (англ. Temporary Mobile Identification Number - TMSI) и адрес регистра VLR, соответствующего текущему местоположению пользователя. Запись о каждом пользователе содержит также перечень дополнительно используемых им услуг и ключи шифрования для цифровой передачи данных и идентификации пользователя.

Как уже упоминалось, регистр VLR - это база данных, содержащая информацию о пользователях, зарегистрированных в текущий момент в зоне обслуживания конкретного MSC. HLR и VLR обмениваются данными об абонентах, расположенных в данный момент в зоне обслуживания данного VLR. Такое взаимодействие позволяет определить текущее местоположение вызываемого пользователя по информации из его родного HLR и установить соединение с тем MSC, который работает совместно с регистром VLR, в настоящий момент содержащим информацию об абоненте. VLR также содержит информацию, необходимую для осуществления вызова с подвижной станции.

Центры коммутации подвижной связи (MSC) соединены друг с другом. Один или более MSC, называемые транзитными центрами коммутации подвижной связи (англ. Gateway Mobile Switching Center - GMSC), играют роль шлюзов во внешние сети, такие, как PSTN (ТфОП - телефонные сети общего пользования). ISDN (ЦСИС - цифровые сети с интеграцией служб) и сети с коммутацией пакетов. Каждый MSC контролирует, по крайней мере, одну подсистему базовых станций (англ. Base Station System), которая состоит из контроллера базовых станций (англ. Base Station Controller - BSC) и некоторого количества базовых приемопередающих станций (англ. Base Transceiver Station - BTS или просто Base Station - BS). Базовая станция состоит из подсистемы, выполняющей основные функции передачи и приема сигналов, а также блока, реализующего простые функции контроля и управления. В базовой станции выполняются также процедуры GSM- кодирования/декодирования речи и производится адаптация скорости передачи данных. Базовые станции обычно располагаются в центрах сот, покрывающих всю область обслуживания системы. В таких сотах функционирует определенное количество подвижных станций (англ. Mobile Stations, MS), имеющих возможность динамически изменять свое местоположение. Они осуществляют информационный обмен с ближайшей (или с сильнейшей) базовой станцией.

Основная задача MSC заключается в координации установления соединения

между двумя мобильными абонентами системы GSM или между одним пользователем системы GSM и абонентом внешней сети, например, PSTN, ISDN или PSDN (сеть с коммутацией пакетов данных, англ. Packet Switched Data Network). Эта задача решается выполнением следующих функций:

- установление и поддержание входящих и исходящих соединений абонентов;

- динамическое управление ресурсами в зоне обслуживания данного MSC;

- перемаршрутизация соединения в новую соту, обслуживаемую другим контроллером базовых станций (хэндовер);

- обеспечение взаимодействия с другими сетями (в случае GMSC);

- шифрование двоичного потока данных пользователя;

- изменение выделенных BTS несущих частот, обусловленное перераспределением ресурсов системы в зависимости от конкретной нагрузки на данную часть сети.

Информационный обмен между MSC и BTS стандартизуется при помощи так называемого А-интерфейса. тогда как Аbts-иитерфейс стандартизует обмен данных между контроллером базовых станций и приемопередатчиками (BTS).

A-интерфейс связан с сетевыми и коммутационными аспектами работы системы, например, с функциями коммутатора MSC и регистров HLR и VLR, а также: с управлением постоянными соединениями и сетью, с контролем и шифрованием информации пользователя и данных сигнализации, с обновлением данных местоположения MS и аутентификацией подвижных станций; кроме того, с управлением вызовами.

Abts-интерфейс предназначен для информационного обмена, относящеюся к радиопередаче. Он связан с вопросами распределения радиоканалов, контроля соединений, организации очередей сообщений перед их отправкой, контроля скачкообразной перестройки несущей частоты (англ. Frequency Hopping - FH) в случае ее применения, канального кодирования и декодирования, кодирования и декодирования речевых сигналов, шифрования сообщений, а также управления мощностью излучения базовой станции.

Интерфейс Um , определяет правила информационного обмена между BTS и MS.

Центр эксплуатации и технического обслуживания (англ. Operation and Maintenance Center -- ОМС) обеспечивает работу отдельных элементов ССПС GSM. Он соединен со всеми элементами коммутационной сети ССПС и выполняет функции администрирования, такие, как тарификация и мониторинг трафика, а также принимает необходимые меры в случае отказа отдельных элементов сети. Одна из наиболее важных задач ОМС - это управление регистром HLR. В больших сетях имеется более одного ОМС, и тогда всей сетью управляет центр управления сетью (англ. Network Management Center - NMC). ОМС соединяется с другими компонентами ССПС специальной сетью управления, реализованной по выделенным телефонным линиям или с помощью других сетей фиксированной связи. Передача сообщений выполняется с использованием протоколов сигнализации SS7 или Х.25 (для интерфейсов A и Abts). На рис. 1.2 изображены эти и

некоторые другие интерфейсы, обозначенные буквами С, D и Е. Они описаны стандартами ETSI/GSM и определяют правила обмена сообщениями между отдельными элементами сети сигнализации SP(пунктами сигнализации).

Рис. 1.2. Уровни передачи и сигнализации сети GSM, а также интерфейсы между элементами сети (SP - пункт сигнализации)

1.2 Организация процедуры установления соединения

Чтобы активизировать подвижную станцию (MS), необходимо включить ее питание, после чего подвижная станция выполняет последовательные действия, необходимые для того, чтобы «найти себя» в сети GSM. Вначале MS ищет несущую, на которой передается канал вещания в данной соте. Для этого подвижная станция измеряет принимаемую мощность всех 124 несущих, используемых в системе GSM. Несущая, содержащая канал вещания, имеет самый высокий уровень мощности в данной соте. MS составляет список измеренных несущих в порядке уменьшения их мощности. На следующем этапе MS последовательно сканирует несущие частоты из списка в поисках канала коррекции частоты (FCCH). Обнаружение этого канала равнозначно нахождению нулевого временного слота вещательной несущей. Генератор несущей частоты MS настраивается на эту частоту. В нулевых слотах следующего кадра MS находит остальные важные каналы управления в соответствии со структурой каналов вещания и управления. В нулевом слоте последующего кадра MS находит канал синхронизации (SCH) и декодирует содержащуюся в нём информацию, а именно код идентификации базовой станции (англ. Base Station Identity Code - BSIC) и приведенный номер кадра (англ. Reduced Frame Number - RFN). Затем обрабатывается передаваемая в вещательном канале управления (ВССН) информация.

На этом пассивная часть активизации MS в сети заканчивается. Для того, чтобы подвижную станцию можно было вызвать, или для того, чтобы она могла инициировать установление соединения, она должна быть зарегистрирована в сети. Регистрация - это одна из причин обновления в системе информации о местоположении MS. Регистрация производится, если идентификатор области местоположения (англ. Location Area Identity - LAI), переданный на MS с базовой станции, отличается от хранимого в памяти MS. Обновление информации о местоположении производится периодически, что позволяет отслеживать перемещение MS и ее текущее состояние.

После проведения полной синхронизации MS с сетью и завершения процедуры регистрации становится возможной инициация установления соединения. Подвижная станция сканирует общий канал управления (СССН) для того, чтобы найти предназначенный ей канал вызова (РСН).

В случае вызова с подвижной станции выполняются следующие действия:

- подвижная станция посылает на базовую станцию пакет случайного доступа, тем самым реализуя логический канал RACH;

- в ответ подвижная станция должна получить три пакета, образующих канал разрешенного доступа (AGCH), реализованного в рамках канала СССН. Канал AGCH содержит номер канала SDCCH, выделенного подвижной станции на время установления соединения;

- по вещательному каналу управления (ВССН) принимаются два параметра: периода рандомизации TX-INTEGER и максимального количества по-вторных передач MAX-RETRANS. Это позволяет при возникновении коллизии с другими подвижными станциями во время передачи канала RACH произвести повторную передачу RACH не более фиксированного количества раз через псевдослучайный промежуток времени.

После получения AGCH подвижной станции на время установления соединения выделяется канал SDCCH. По этому каналу MS отправляет сообщение, содержащее TMSI-номер пользователя, через базовую станцию на контроллер базовых станций (BSC), информируя его о запросе на установление соединения. BSC передает это сообщение в центр коммутации MSC, добавляя к нему идентификационный код соты, в которой подвижная станция расположена в текущий момент. После этого MSC информирует связанный с ней VRL о запросе подвижной станции на установление соединения. VLR инициирует процедуру идентификации подвижной станции , для осуществления которой снова используется канал SDCCH между подвижной и базовой станциями. После положительной идентификации следует переключение в режим шифрованной передачи данных. Затем подвижной станции передается ее новый TMSI-номер. Подвижная станция подтверждает его получение. Следующее сообщение, посылаемое подвижной станцией, содержит номер вызываемого пользователя и тип запрашиваемой услуги. Это сообщение попадает в MSC и VRL. Если запрашиваемая услуга присутствует в хранимом VLR списке услуг, на которые подписан вызывающий абонент, сеть посылает вызывающей подвижной станции сообщение о начале установления соединения. Коммутатор MSC выделяет этому соединению фиксированную (проводную) линию, а подвижной станции - канал трафика. В результате такой процедуры подвижная станция получает среди прочей следующую информацию:

- номер выделенного временного слота;

- код одной из восьми возможных обучающих последовательностей, используемых в нормальном пакете для идентификации канала;

- абсолютный номер радиочастотного канала (англ. Absolute Radio Frequency Channel Number - ARFN) - номер, определяющий конкретную несущую, которая будет использована для передачи данных;

- значение временного сдвига (англ. Timing Advance -ТА) - число, определяющее необходимый временной сдвиг начала передаваемого пакета относительно системных часов, обеспечивающий правильное временное расположение пакета во временном слоте при его приеме базовой станцией;

- параметры процедуры скачкообразной перестройки частоты (англ. Frequency Hopping - FH), если она применяется.

Затем подвижная станция подтверждает получение канала. Эта информация попадает в MSC.

После установления соединения через MSC, транзитный MSC GSM-системы (GMSC) и коммутатор телефонной сети общего пользования, производится вызов требуемого абонента . При его ответе подвижная станция получает сообщение с подтверждением успешного соединения с вызываемым пользователем. Начиная с этого момента становится возможным передача голоса или данных обоими пользователями при помощи выделенного временного слота на закрепленной несущей частоте в соответствии со структурой мультикадра. Помимо канала передачи данных, данному соединению выделяется низкоскоростной совмещенный канал управления (SACCH). По этому каналу подвижная станция передает на базовую станцию следующую информацию:

- мощность принимаемого сигнала и оценка качества передачи обслуживающей соты;

- мощность шести сильнейших несущих, передающих канал ВССН в соседних сотах;

- мощность принимаемого сигнала в пустом слоте в течение периода измерения;

- временной сдвиг, применяемый подвижной станцией в течение периода измерения.

В свою очередь, базовая станция передает по каналу SACCH на подвижную станцию следующую информацию: описание соседних сот, идентификатор соты, идентификатор местоположения и сигналы управления уровнем мощности подвижной станции.

Рассмотрим упрощенную процедуру осуществления звонка на подвижную станцию. Последовательные этапы установления соединения изображены на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Упрощенная процедура установления соединения с подвижной станцией со стороны фиксированной сети связи

На первом этапе абонент фиксированной сети набирает номер GSM-абонента. Коммутатор телефонной сети общего пользования, ISDN или другой сети передачи данных посылает запрос на установление соединения на транзитный MSC GSM (GMSC). Чтобы установить соединение, необходимо определить текущее местоположение вызываемой подвижной станции. Для этого GMSC посылает запрос в регистр HLR, который в ответ информирует GMSC о местонахождении подвижной станции и VLR, в котором подвижная станция зарегистрирована в текущий момент. На свой запрос HLR регистр получает от VLR роуминговъй номер мобильного абонента (англ. Mobile Subscriber Roaming Number -MSRN) -временный номер подвижной станции, который передается в GMSC. GMSC начинает установление соединения с соответствующим MSC. Этот MSC проверяет в регистре VLR, доступна ли запрашиваемая услуга данному абоненту, а также запрашивает в VLR текущее местоположение подвижной станции. В действительности MSC получает из VLR такие параметры вызываемой MS, как код области местоположения (англ. Location Area Code -LAC) и TMSI.

После определения области местоположения и выяснения в VLR, что подвижная станция находится, по крайней мере, в режиме ожидания, MSC посылает запрос на все контроллеры базовых станций (BSC), работающих в данной области. Это реализуется отправкой логического канала вызова на вещательных несущих всех сот, обслуживаемых этими BSC. Фактически, подвижная станция ищется одновременно в нескольких сотах. Когда подвижная станция получает предназначенный ей канал вызова, она отвечает на него отправкой канала RACH на ближайшую базовую станцию. Это позволяет локализовать подвижную станцию в конкретной соте области местоположения. BSC выделяет вызываемой подвижной станции канал SDCCH и информирует об этом MSC. С этого момента подвижная станция будет отвечать центру MSC по выделенному каналу SDCCH. Затем контроллер базовых станций посылает в MSC запрос на обслуживание. Этот запрос содержит идентификатор соты и временный идентификационный номер подвижного абонента. MSC информирует свой VRL об ответе подвижной станции на направленный ей вызов. VRL инициирует процедуру идентификации подвижной станции, в которую вовлечены MSC, BSC и MS. По завершении этой процедуры VRL выдает MSC команду начать шифрование данных. Последний передает эту команду базовой и подвижной станциям. После инициации шифрования данных в подвижной станции ей назначается новый TMSI-номер на время соединения. MS подтверждает получение нового номера эта информация попадает в VRL и MSC начинает устанавливать соединение с данной подвижной станцией, посылая ей соответствующее сообщение. MS подтверждает получение этого сообщения. Затем MSC выделяет фиксированную линию связи между собой и контроллером базовой станции и требует, чтобы BSC выделил свободный канал трафика. Таким образом, соединению выделяется номер несущей частоты, номер временного слота и обучающая последовательность. Подвижная станция посылает подтверждение приема указанных параметров, которые затем передаются в MSC. Одновременно MS начинает подавать звонковый сигнал и информирует об этом MSC. Последний начинает передавать вызывающему абоненту сигнал звонка. После того как мобильный пользователь примет вызов («поднимет трубку»), начинается сам разговор.

Одна из наиболее интересных особенностей систем GSM - это возможность устанавливать соединение с подвижной станцией, которая находится в другой стране в области обслуживания другого GSM-оператора. Если между местным и зарубежным оператором заключено формальное соглашение, то становится возможным установление соединения и прием звонка в GSM-сети другого государства. Эта услуга называется роуминг.

1.3 Организация передачи данных в системе GSM

Сеть GSM можно рассматривать в качестве сети доступа к другим телекоммуникационным сетям, таким, как телефонная коммутируемая сеть общего пользования (ТфОП, англ. Public Switched Telephone Networks - PSTN), сеть передачи данных общего пользования с коммутацией каналов (англ. Circuit-Switched Public Data Network - CSPDN) или сеть передачи данных общего пользования с коммутацией пакетов (англ. Packet-Switched Public Data Network -PSPDN). Специфика цифровой передачи в сети GSM обуславливает необходимость стыка (интерфейса), который адаптирует генерируемый в сети GSM поток данных к особенностям других сетей. Поэтому центр коммутации подвижной связи (MSC) оборудован модулем сопряжения, реализующим функцию межсетевого взаимодействия (англ. InterWorking Function - IWF), который предназначен для конвертирования протоколов обмена данными между системой GSM и другими сетями. Основные задачи IWF-модуля - адаптация скорости передачи данных, выполнение процедур ARQ и реализация функций акустического модема.

На другом конце линии связи, как источником, так и приемником потока данных может быть компьютер или измерительное устройство, присоединенные к подвижной станции GSM. С точки зрения обмена данными подвижные станции подразделяются на три типа, которые отличаются друг от друга расположением блока, реализующего функции терминального адаптера (англ. Terminal Adaptation Function - TAF), сопрягающего подвижную станцию и внешний терминал. Существуют следующие типы подвижных станций:

- MT0 (Mobile Termination type 0) - полностью интегрированная подвижная станция, не имеющая интерфейса с внешними устройствами. К этому типу относятся как простейшие подвижные станции, которые совсем не поддерживают передачу данных, так и чрезвычайно сложные коммуникационные устройства, объединяющие в себе терминал данных, факс, а также служит для передачи речи;

- МТ2 - подвижная станция с последовательным интерфейсом V.24/RS-232, т.е. TAF-блок интегрирован с подвижной станцией;

МТ1 - подвижная станция, оборудованная ISDN 64-кбит/с 5-интерфей-сом. Для того чтобы соединить стандартный терминал с интерфейсом модема (V.24), требуется специальный терминальный адаптер.

Рис. 1.4. Расположение блоков TAF и IWF в цепи передачи данных системы CSM

Предлагаемые системой GSM услуги можно разделить на два класса:

- телеуслуги (англ. Teleservices) - система GSM предоставляет полный спектр услуг в рамках сети; абонент может воспользоваться этими услугами без дополнительных внешних устройств. В число телеуслуг входит передача речи, SMS (англ. Short Message Service - служба коротких сообщений) и факсимильная передача;

- услуги передачи данных (англ. Bearer Services) - система GSM обеспечивает поддержку услуг нижнего уровня, т.е. реализует транспортный механизм между точками доступа. Для того чтобы воспользоваться этими услугами, на обоих концах соединения должен находиться портативный компьютер, карманный компьютер или сервер. Услуги передачи данных имеют свои собственные протоколы верхнего уровня. Система GSM осуществляет только перенос данных, не вдаваясь в подробности о конкретном типе предоставляемой услуги.

Передача данных относится ко второму типу услуг. Услуги передачи данных предъявляют различные требования к сети, которые зависят от вида конкретной услуги. Данные могут передаваться с различной скоростью, как в синхронном, так и в асинхронном режиме. Перенос информации может быть реализован в виде передачи цифровой информации без ограничений (англ. Unrestricted Digital Information - UDI) или при помощи сигналов акустического модема с шириной полосы 3,1 кГц. По первому варианту выполняется обмен данными между абонентом сети GSM и абонентом ISDN или сети с коммутацией пакетов. По второму - при установлении соединения между абонентом сети GSM и абонентом сети PSTN или в том случае, когда сеть PSTN выступает в качестве промежуточной сети, к которой подключена сеть GSM. Канал передачи информации может соединять два индивидуальных терминала (режим передачи «точка-точка» - англ. Роint-to-Point - РТР), или же обеспечивать передачу данных с одного терминала на несколько терминалов (режим передачи «точка-многоточка» - англ. Point-to-Multipoint -- РТМ). Для обмена данными между двумя терминалами может быть реализован физический канал, предназначенный только для данного соединения (передача с коммутацией каналов) или же пакеты данных, дополненные адресами отправителя и получателя, пересылаются по сети между соседними узлами до достижения ими пункта назначения (передача с коммутацией пакетов). В стандартной системе GSM реализуется режим передачи «точка-точка» с коммутацией каналов.

Передача данных может быть прозрачной или непрозрачной. Мы полагаем, что передача является прозрачной (англ. transparent - Т), если при соединении между терминальным оборудованием, подвижной станцией и IWF-блоком на другом конце системы GSM не выполняются никакие процедуры автоматического повтора передачи ошибочных, либо потерянных кадров или пакетов. В результате скорость передачи данных и задержка передачи остаются постоянными, а количество ошибок может меняться. Помимо этого, в сотовых системах скорость передачи данных, а, следовательно, и число ошибок, существенно возрастает во время хэндовера. Поэтому необходимо наличие защиты от ошибок на верхних уровнях передачи.

Передача считается непрозрачной (англ. non-transparent-NT), если при соединении между абонентским терминалом и IWF-блоком используется протокол с защитой от ошибок. В системе GSM терминал, подвижная станция или TAF-блок реализуют так называемый Radio Link Protocol (RLP - протокол радиоканала). В основе этого протокола лежит технология ARQ. Он позволяет достичь высокой надежности передачи данных, однако скорость потока данных и задержка становятся переменными. Скорость передачи данных существенно снижается во время передачи соединения в другую соту из-за необходимости повторять кадры, которые были потеряны при смене обслуживающей базовой станции.

В обоих используемых в системе GSM типах передачи данных применяется кодирование с коррекцией и детектированием ошибок на физическом уровне.

1.4 Cтруктура радиоинтерфейса TDMA/FDMA

Системе GSM выделено два диапазона, каждый шириной 25 МГц. Частотный диапазон от 876 до 880 МГц используется для передачи данных от подвижных станций к базовым (восходящая линия связи, англ. uplink), а диапазон от 921 до 925 МГц - для передачи данных от базовых станций к подвижным (нисходящая линия связи, англ. downlink). Как видим, дуплексная передача данных осуществляется в режиме FDD (дуплексная передача с частотным разделением, англ. Frequency Division Duplex). Оба диапазона разделены на 124 частотных полосы по 200 кГц каждая, причем несущие частоты расположены в центрах этих полос. На каждой несущей с использованием TDMA передается 8 каналов. Таким образом, многостанционный доступ заключается в выделении для каждого соединения отдельной несущей частоты (или их последовательности в случае применения скачкообразной перестройки частоты FH) и конкретного временного интервала. Поэтому система GSM считается системой многостанционного доступа с частотно-временным разделением каналов TDMA/FDMA. Согласно этой схеме физическим каналом называется последовательность временных слотов (обозначаемых номером слота), которые передаются на выбранной несущей частоте. Физические каналы организованы в пары. В каждую пару входит по одному физическому каналу для передачи данных в каждом направлении (восходящая и нисходящая линии связи). Они помечены одним и тем же номером временного слота, а их несущие частоты различаются на 45 МГц.

По плану распределения частот каждой соте или сектору в соте выделяется подгруппа несущих частот в соответствии с общими правилами. На рис. 1.4. изображено распределение частот и временных слотов в системе GSM. Отметим, что нумерация временных интервалов при передаче по нисходящей линии связи смещена на три позиции относительно нумерации слотов восходящей линии связи. Благодаря этому смещению подвижная станция, которой выделен определенный слот для соединения с базовой станцией, не может одновременно передавать и принимать сигнал (как это происходит в аналоговых системах первого поколения). Это позволяет избежать электромагнитного взаимодействия между передатчиком и приемником подвижной станции и смягчить требования, предъявляемые при разработке радиочастотного блока и блока цифровой обработки сигналов. Таким образом, высвободившиеся вычислительные ресурсы можно распределить между передатчиком и приемником.

Рис. 1.4. Частотная и временная структура каналов сети CSM

Не предусматривается выделения несущих частот и временных слотов для какого-либо исключительного применения. Это означает, что все несущие частоты и временные интервалы могут использоваться для выполнения различных функций.

Выделенный соединению физический канал используется для передачи пакетов данных. Они имеют различную временную структуру и назначение. С их помощью реализуются конкретные логические каналы, предназначенные для организации информационного обмена.

Разделение на восемь временных слотов отнюдь не полностью описывает временную структуру системы GSM. Наименьший временной элемент системы GSM - одиночный двоичный импульс (бит), длящийся 3,69 мкс. Таким образом,

скорость передачи данных в системе GSM составляет 270,833 кбит/с. В каждом временном слоте передается пакет из 148 битов. Единственное исключение составляет 88-битовый пакет данных, используемый для реализации канала случайного доступа (RACH). Длительность стандартного временного слота составляет 0,577 мс, что эквивалентно времени передачи 156,25 битов. Разница между эффективной длиной пакета данных и фактической длиной слота называется защитным интервалом. Его существование обусловлено необходимостью резервирования времени для включения/выключения усилителя мощности передатчика

в начале и в конце передачи каждого пакета данных. Кроме того, защитный интервал необходим для обеспечения точного размещения пакета данных внутри временного слота. Время распространения пакета пропорционально расстоянию между подвижной и базовой станциями и не является пренебрежимо малым по отношению к размерам соты.

Рис. 1.5. Временная структура в системе GSM

Восемь слотов составляют кадр. В каналах трафика и в ассоциированных с ними каналах управления 26 кадров образуют мультикадр. В свою очередь, 51 мультикадр составляет суперкадр длительностью 6,12 с. В случае каналов вещания и расположенных в тех же слотах каналов управления, мультикадр состоит из 51 последовательного кадра, а суперкадр состоит из 26 мультикадров. В обоих случаях 2048 суперкадров образуют высший уровень временной иерархии системы GSM - гиперкадр (рис. 1.5.). Он длится 3 ч 28 мин. 53 с и 760 мс. По истечении этого времени системные часы возвращаются к своему исходному состоянию. Длительность периода системных часов GSM обусловлена, в основном, применением алгоритма шифрования данных, использующего номер текущего кадра для генерирования ключа шифрования. Применение большого периода системных часов позволяет предотвратить несанкционированную расшифровку пользовательской информации и увеличивает уровень безопасности и конфиденциальности разговора.

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

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.

В стандарте GSM достигается высокая степень безопасности передачи сообщений; осуществляется шифрование сообщений по алгоритму шифрования с открытым ключом (RSA).



2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ

2.1 Оценка потерь с использованием моделей распространения сигнала

При определении параметров используем технические данные радиооборудования, в частности, чувствительности приемников абонентских радиостанций, высоты их антенн, и коэффициенты усиления антенных устройств базовых станций.

Параметры определяем в направлении передачи .

Определим максимальную дальность связи.

Дальность связи определяем по модели и уравнениям Хата:

,

Высота антенны базовой станции принимается 40 м, высота антенны абонентских радиостанций, установленных на зданиях постов ЭЦ и на локомотивах примем равной 5 м.

Определим мощность передачи.



где Р/прдBS - мощность передатчика базовой станции.

Р/прдBS - 40 Вт.

где Р/прдMS - мощность передатчика абонентской радиостанции.

Р/прд - 8 Вт.

Определим излучаемую мощность.

где фидBS - потери в фидере передатчика базовой станции;

фидBS - 2,2 дБ;

комбBS - потери в комбайнере базовой станции;

комбBS - 3,5 дБ;

коплBS - потери в коплере базовой станции;

коплBS - 3 дБ;

G0uBS - максимальный коэффициент усиления антенны передатчика базовой станции;

G0uBS - 16,5 дБи

где фидMS - потери в фидере антенны передатчика абонентской радиостанции;

комбMS - потери в комбайнере абонентской радиостанции;

комплMS - потери в коплере абонентской радиостанции;

G0uMS - максимальный коэффициент усиления антенны передатчика абонентской радиостанции.

Все вышеуказанные параметры равны нулю. Следовательно, излучаемая мощность в направлении передачи от абонентской радиостанции к базовой равна мощности передачи - 39 дБм.

Определим необходимую мощность полезного сигнала.

где РпрмMS - чувствительность приемника абонентской радиостанции;

РпрмMS = -104 дБм;

hфпрмMS - потери в фидере антенны приемника абонентской радиостанции;

G0п - максимальный коэффициент усиления приемника абонентской

радиостанции.

Потери в фидере и максимальный коэффициент усиления приемника равны нулю. Отсюда необходимая мощность полезного сигнала равна -104 дБм.

где РпрмBS - чувствительность приемника базовой станции;

РпрмBS = -108 дБм;

hфпрмBS - потери в фидере антенны приемника базовой станции;

hфпрмBS - 2,2 дБ;

G0nBS - максимальный коэффициент усиления антенны приемника базовой станции;

G0nBS - 16,5 дБи.

Определим необходимую напряженность поля полезного сигнала.

Определим необходимую мощность полезного сигнала на границе зоны обслуживания.

где - параметр логнормального распределения уровней сигнала по местоположению; - 0,68;

- среднеквадратическое отклонение флуктуаций сигнала;

- 4 дБ.

...