Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АГЕНТСТВО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

КАРШИНСКИЙ ФИЛИАЛ ТАШКЕНТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Выпускная квалификационная работа

Тема: «Архитектура сотовых сетей связи и сети абонентского доступа »

Студентки факультета информационных технологий

Ниязова Муштари Шухрат Кизи

Направление обучения бакалавриата

«5522200 - телекоммуникация»

Руководитель: Т. Ашуров

Консультант: доц. О. М. Тургунов

Выполнила: М. Ш. Ниязова

Карши 2012 г

Содержание работы

Введение

Глава 1. История сотовой связи

1.1 Стандарт GSM

1.2 CDMA (Code Division Multiple Access)

1.3 Сравнительная таблица СDМА и GSM стандартов

Глава 2. Сети абонентского доступа

2.1 Узбекский рынок телекоммуникационных услуг

2.2 Основные технологии, входящие в семейство DSL

2.3 Принципы организации широкополосного абонентского доступа

Глава 3. О влиянии сотовой связи на организм человека

Заключения

Введение

сотовый связь абонентский широкополосный

Цель работы. В данной выпускной квалификационной работе (ВКР) рассмотрены вопросы планирования и взаимодействия сетей сотовой связи. Это будет проиллюстрировано на примерах: построение сетей архитектуры будет рассмотрено на примере стандартов GSM и CDMA; сетей абонентского доступа.

Также будут рассмотрены сети широкополосного абонентского доступа.

Характерная черта современного мира -- широкое использование подвижной связи. В настоящее время в большинстве стран количество абонентов подвижной связи начинает превосходить количество абонентов стационарной сети. Пока же она имеет некоторые преимущества по надежности и качеству услуг, в основном в части широкополосной сети и возможностей мультимедиа.

В Узбекистане быстрыми темпами продолжается внедрение новейших телекоммуникационных технологий, что способствует укреплению экономики, стимулирует бизнес и позволяет совершенствовать информационную базу общества. Развитие телекоммуникационной отрасли в сравнении с другими происходит опережающими темпами, причем особенно заметно это происходит в сотовой связи.
Подвижная сотовая связь является наиболее динамично развивающейся подотраслью связи. Количество подвижных абонентов в мире на начало 2004 года достигло 1.3 млрд. Такое бурное развитие было достигнуто благодаря внедрению цифровых сотовых систем так называемого «второго поколения» (2G) и практически только за счет речевых услуг. К концу прошлого столетия во многих европейских странах и наиболее развитых странах Азиатско-Тихоокеанского региона проникновение подвижной сотовой связи приблизилось к порогу насыщения и МСЭ-Р был разработан и выпущен стандарт системы сухопутной подвижной связи общего пользования третьего поколения (IMT-2000). Таким образом, были заложены основы для перехода к качественно новым системам третьего поколения (3G), которые смогут предоставить подвижным пользователям не только услуги связи, но и высокоскоростной доступ в Интернет.

В целом, развитию информационно-коммуникационных технологий, в нашей стране уделяется огромное внимание. Под руководством президента республики Узбекистан Ислама Абдуганиевича Каримова были приняты ряд указов и постановлений, таких как: «О дальнейшем развитии компьютеризации и внедрении информационно-коммуникационных технологий» (30.05.2002 г. N УП-3080), «О связи» (13.01.1992 г. N 512-XII); «О телекоммуникациях» (20.08.1999 г. N 822-I).

Таким образом, можно сказать, что сотовая связь Узбекистана вступила в новый этап своего развития и становится актуальным дальнейшее внедрение новейших технологий.

Данная дипломная работа рассматривает принятые в настоящее время направления технологий реализации сетей и систем сотовой связи, а также сетей абонентского доступа. В ней представлены основные системы и, следовательно, основные направления реализации. Это оборудование, протоколы и процессы цифровых систем на базе стандартов GSM, набора стандартов, связанных с технологией CDMA.

GSM, которая рассматривается в части 1 главы 1, пока является самой распространенной системой в Европе. В США имеется модификация этой системы. Ее сторонники подчеркивают хорошее качество речи, наличие службы коротких сообщений (SMS), работу в сложных метеоусловиях, в условиях многолучевого распространения и минимального отношения сигнал-помеха.

Конкурентом GSM в борьбе за потребителя является система с кодовым разделением каналов (CDMA), о которой говорится в части 2 главы 1. Эта система построена на очень интересных принципах, отличающихся от традиционных теоретических.

Сторонники этой технологии приводят следующие преимущества: максимальное использование частотного диапазона, экономный расход мощности батареи терминала и, следовательно, более долгий срок службы, максимальная для подвижных систем конфиденциальность и скрытность информации, устойчивость к многолучевым замираниям и индустриальным помехам. К недостаткам системы относится необходимость сложного и точного механизма регулирования мощности.

Технологии xDSL, рассмотренные во 2-й главе, выходят на первый план, которые позволяют не думать пока о создании новой инфраструктуры, а вполне успешно использовать старую. DSL позволяет перейти на новый технологический уровень использования медных линий, который обеспечивает достаточную пропускную способность для любого из предлагаемых пользователю приложений.

В третьей части второй главы рассмотрены сети широкополосного абонентского доступа, включающие в себя как абонентские линии, так и подключенные к ним и вынесенные за рамки транспортных сетей мультиплексоры абонентских сигналов и терминальное оборудование, обеспечивающее работу всего комплекса абонентских устройств.

В третьей главе описано влияние сотовой связи на организм человека.

Глава 1. История сотовой связи

Историю сотовой связи необходимо рассматривать в неразрывной связи с историей радиосвязи в целом. Наиболее значимым событием, в этом контексте, является конечно же проведенная первая в мире радиопередача. Ее осуществил Александр Степанович Попов 23 апреля (7 мая по новому стилю) 1895г. Именно в эту дату все, кто в той или иной мере связан с сотовой связью, и отмечают свой профессиональный праздник.

Сотовая связь в наши дни проникла практически во все уголки повседневной жизни. Она дает нам главное свойство в сегодняшнем стремительном мире - мобильность. Сотовая связь - это наиболее современная и быстро развивающаяся область телекоммуникаций. Сотовой она называется потому, что территория, на которой обеспечивается связь, разбивается на отдельные ячейки или соты. Как правило, в каждой соте абонент получает одинаковый набор услуг и в определенных территориальных границах получает эти услуги по равной цене. Таким образом, перемещаясь от одной соты к другой абонент не чувствует территориальной привязанности и может свободно пользоваться услугами связи. Также важным моментом является непрерывность соединения. Перемещаясь, соединение, установленное абонентом (голосовой звонок, пакетная передача данных) не должны прерываться. Это обеспечивается благодаря так называемому хэндоверу (Handover). Соединение установленное абонентом как бы подхватывается соседними сотами по эстафете, а абонент продолжает не подозревая разговаривать или путешествовать по просторам сети Интернет. Стандарты 2G на протяжении многих лет были основными при построении систем мобильной связи. Именно GSM дал большой толчок к появлению сетей сотовой связи по всему миру. Однако со временем набор услуг, которые могли предложить стандарты 2G оказался недостаточным. Кроме того, применяющиеся в данном стандарте технологии передачи данных перестали удовлетворять пользователей сети по скорости. Эти факторы привели к появлению систем третьего поколения (3G), которые позволяют осуществлять связь, обмен информацией и предоставлять различные развлекательные услуги, ориентированные на беспроводное оконечное устройство (терминал). Развитие подобных услуг началось уже для систем 2G, но для поддержки этих услуг система должна располагать высокой емкостью и пропускной способностью радиоканалов, а также совместимостью между системами, для того, чтобы предоставлять прозрачный доступ по всему миру. Итак, рассмотрим, из чего же состоит сеть сотовой связи. Вся сеть делиться на две подсистемы: подсистема базовых станций и подсистема коммутации. Основными элементами подсистемы базовых станций (как не трудно догадаться) являются сами базовые станции (BTS). Они то как раз и создают те соты, о которых говорилось в начале. Каждая базовая станция, как правило, обслуживает три соты. Радиосигнал от базовой станции излучается через 3 секторные антенны, каждая из которых направлена на свою соту. Иногда можно встретить ситуацию, когда на одну соту направлены сразу несколько антенн одной базовой станции. Это связано с тем, что сеть сотовой связи работает в нескольких диапазонах (900 и 1800). Кроме того, на данной базовой станции может присутствовать оборудование сразу нескольких поколений связи (2G и 3G). Наиболее привычным местом размещения базовой станции является башня или мачта, построенная специально для нее. Однако, в условиях городской местности трудно найти место под размещение массивного сооружения. Поэтому в крупных городах базовые станции размещаются на зданиях. Кроме того, в последнее время появляются мобильные варианты базовых станций, размещенных на грузовиках. Их очень удобно использовать во время стихийных бедствий или во местах массового собрания людей (футбольные стадионы, центральные площади) на время праздников, концертов, футбольных матчей. Но, к сожалению, из-за проблем в законодательстве широкого применения они пока не нашли.

Рис. 1.1. Антенны на высотке

Рис. 1.2. Базовая станция на крыше здания



Рис. 1.3. Мобильная базовая станция

Как это ни странно, но сотовые операторы часто разрешают своим конкурентам использовать свои башенные сооружения для размещения антенн (Естественно на взаимовыгодных условиях). Это вызвано тем, что строительство башни или мачты - это дорогое удовольствие, и такой обмен позволяет сэкономить не мало средств! От подсистемы базовых станций сигнал передается в сторону подсистемы коммутации, где и происходит установление соединения с нужным абоненту направлением. В подсистеме коммутации есть ряд баз данных, в которых хранятся сведения об абонентах. Кроме того эта подсистема отвечает за безопасность. Таким образом, менее чем за 30 лет технологии сотовой связи совершили головокружительный скачок. Теперь абонент уже не ощущает географической привязанности и может пользоваться высококачественными телекоммуникационными услугами, где бы он ни находился.

Этапы развития радиоэлектроники:

Этапы	Дата разработки	Разработчик	Что было создано?
1	7 мая 1895 г	А.С. Попов	Радио (прибор для обнаружения и регистрации электрических колебаний)
2	1904 г	Д.А.Флеминг	Первый электровакуумный прибор с термокатодом - диод
3	1906-1907 г	Д. Форест	триод
4	1919 г	В. Шотки	четырехэлектродный вакуумный прибор - тетрод
5	1924-1929 гг	И. Ленгмюра	пентода
6	1945-1946 гг	Джон Моучли и Преспер Эккерт	Первый действующий ЭВМ (ENIAC)
7	1950-1955 гг	Н.Д. Папалекси, М.А. Бонч-Бруевич	Электровакуумные приборы, способные работать на частотах вплоть до миллиметрового диапазона волн (лампы типа желудь, лампы бегущей и обратной волн и др.)
8	1965 г.	фирма Digital Equipment	первый мини-компьютер PDP-8
9	1968 г	Горохов А.А.	программирующий прибор
10	1969 г	США	интегральные схемы

1.1 Стандарт GSM

GSM (от названия группы Groupe Spйcial Mobile, позже переименован в Global System for Mobile Communications) (русск. СПС-900) -- глобальный цифровой стандарт для мобильной сотовой связи, с разделением частотного канала по принципу TDMA и средней степенью безопасности. Разработан под эгидой Европейского института стандартизации электросвязи (ETSI) в конце 80-х годов. Разработка нового общеевропейского стандарта цифровой сотовой связи началась в 1985 году. К настоящему времени система GSM развилась в глобальный стандарт второго поколения, занимающий лидирующие позиции в мире, как по площади покрытия, так и по числу абонентов (1G -- аналоговая сотовая связь, 2G -- цифровая сотовая связь, 3G -- широкополосная цифровая сотовая связь, коммутируемая многоцелевыми компьютерными сетями, в том числе Интернет). Стандарты сотовой связи второго поколения нашли широкое распространение. Около 80% сетей сотовой связи по всему миру построены по этому стандарту. Сети GSM используются 3 миллиардами людей более чем в 212 странах мира. Такое широкое распространение позволяет использовать международный роуминг между операторами сотовой связи, что дает возможность использовать абоненту свой телефон практически в любом уголке Земли. Причем именно возможность роуминга (в том числе и международного) является главной отличительной чертой стандарта GSM от стандартов первого поколения.

Сети стандарта GSM позволяют предоставлять широкий перечень услуг:

· Голосовые соединения

· Услуги передачи данных (до 384 кбит/сек благодаря технологии EDGE)

· Передача коротких текстовых сообщений (SMS)

· Передача факсов

· Голосовая почта

· Конференцсвязь и мн. др.

Благодаря этому GSM завоевал прочные позиции на рынке сотовой связи. Причем, можно с уверенность сказать, что на ближайшие несколько лет этот стандарт будет лидирующим.

Итак, рассмотрим основные элементы, входящие в состав системы GSM:



Рис. 1.1.1 Структура (архитектура) системы сотовой связи стандарта GSM.

Сеть GSM делится на 2 системы. Каждая из этих систем включает в себя ряд функциональных устройств, которые, в свою очередь являются компонентами сети мобильной радиосвязи.

Данными системами являются:

· Система коммутации - Network Switching System (NSS)

· Система базовых станций - Base Station System (BSS)

Система NSS выполняет функции обслуживания вызовов и установления соединений, а также отвечает за реализацию всех назначенных абоненту услуг. NSSвключает в себя следующие функциональные устройства:

· Центр коммутации мобильной связи (MSC)

· Домашний регистр местоположения (HLR)

· Визитный регистр местоположения (VLR)

· Центр аутентификации (AUC)

· Регистр идентификация абонентского оборудования (EIR).

Система ВSS отвечает за все функции, относящиеся к радиоинтерфейсу. Эта система включает в себя следующие функциональные блоки:

· Контроллер базовых станций (BSC)

· Базовую станцию (BTS)

MS (т.е. телефон абонента) не принадлежит ни к одной из этих систем, но рассматривается как элемент сети.

Центр коммутации мобильной связи (MSC)

MSC является главным элементом системы GSM, он осуществляет контроль за BTS и BSC, расположенные в его зоне обслуживания. Основная функция MSC заключается в установлении соединения между абонентами сети. Через него также осуществляется выход на другие сети связи: стационарную телефонную сеть, сети междугородной связи, другие сотовые сети.

Домашний регистр местоположения (HLR)

HLR содержит информацию об абонентах, которые приписаны к данному MSC. В нем хранится информация о подключенных услугах, о его состоянии (включен, выключен, активное соединение), местоположении абонента и некоторая другая информация. Информация о каждом абоненте храниться лишь в одном HLR.

Визитный регистр местоположения (VLR)

В VLR хранится информация об активных абонентах, которые находятся в зоне обслуживания данного MSC. В него занесены данные и о домашних абонентах, приписанных к данному MSC и о так называемых роумерах - абонентах, для которых данный MSC гостевой. Это могут быть абоненты других операторов связи, либо абоненты того же оператора, но из других регионов. В VLR информация поступает из HLR.

Центр аутентификации (AUC)

AUC предназначен для аутентификации абонентов. Эта процедура предназначена для предотвращения несанкционированного доступа в сеть. Каждый раз, когда абонент включает свой телефон, совершает голосовой вызов, отправляет SMS и т.п. сеть предлагает пройти процедуру аутентификации. Ее осуществляет MSC на основании данных полученных из AUC и от MS.

Регистр идентификации абонентского оборудования (EIR)

EIR - это база данных, содержащая информацию о идентификационных номерах мобильных телефонов GSM. Данная информация необходима для осуществления блокировки краденых трубок. EIR не является обязательным элементом сети. В мире существует лишь несколько операторов, которые внедрили его в своей сети.

Состав системы базовых станций BSS

Контроллер базовых станций (BSC)

BSC управляет всеми функциями, относящимися к работе радиоканалов в сети GSМ. Это коммутатор большой емкости, который обеспечивает такие функции, как хэндовер MS, назначение радиоканалов и сбор данных о конфигурации сот. Каждый MSC может управлять несколькими BSC.

Базовая станция (BTS)

BTS управляет радиоинтерфейсом с MS. BTS включает в себя такое радиооборудование, как трансиверы (приемо-передатчики) и антенны, которые необходимы для обслуживания каждой соты в сети.

Элементы сети относящиеся к пакетной передаче данных

Узел обслуживания абонентов GPRS (SGSN)

Пакетные данные в отличие от голосового трафика передаются от подсистемы базовых станций не в сторону MSC, а в сторону SGSN. Этот элемент представляет собой маршрутизатор с расширенными функциями. На него возложены функции установления сессии пакетной передачи данных, маршрутизации пакетов, начисления платы за предоставленные услуги.

Шлюзовой узел GPRS (GGSN)

GGSN представляет собой шлюз сети. Если пакеты маршрутизируются за пределы сети оператора, то они попадают именно в GGSN. Этот элемент часто конструктивно объединяется вместе с SGSN в одном устройстве.

Преимущества стандарта GSM:

§ Меньшие по сравнению с аналоговыми стандартами (NMT-450, AMPS-800) размеры и вес телефонных аппаратов при большем времени работы без подзарядки аккумулятора. Это достигается в основном за счёт аппаратуры базовой станции, которая постоянно анализирует уровень сигнала, принимаемого от аппарата абонента. В тех случаях, когда он выше требуемого, на сотовый телефон автоматически подаётся команда снизить излучаемую мощность.

§ Хорошее качество связи при достаточной плотности размещения базовых станций.

§ Большая ёмкость сети, возможность большого числа одновременных соединений.

§ Низкий уровень индустриальных помех в данных частотных диапазонах.

§ Улучшенная (по сравнению с аналоговыми системами) защита от подслушивания и нелегального использования, что достигается путём применения алгоритмов шифрования с разделяемым ключом.

§ Эффективное кодирование (сжатие) речи. EFR-технология была разработана фирмой Nokia и впоследствии стала промышленным стандартом кодирования/декодирования для технологии GSM (см. GSM-FR, GSM-HR и GSM-EFR)

§ Широкое распространение, особенно в Европе, большой выбор оборудования. На сегодняшний день стандарт GSM поддерживают 228 операторов, официально зарегистрированных в Ассоциации операторов GSM из 110 стран.

§ Возможность роуминга. Это означает, что абонент одной из сетей GSM может пользоваться сотовым телефонным номером не только у себя «дома», но и перемещаться по всему миру переходя из одной сети в другую не расставаясь со своим абонентским номером. Процесс перехода из сети в сеть происходит автоматически, и пользователю телефона GSM нет необходимости заранее уведомлять оператора (в сетях некоторых операторов, могут действовать ограничения на предоставление роуминга своим абонентам, более детальную информацию можно получить обратившись непосредственно к своему GSM оператору).

Недостатки стандарта GSM:

§ Искажение речи при цифровой обработке и передаче.

§ Связь возможна на расстоянии не более 120 км^[2][3] от ближайшей базовой станции даже при использовании усилителей и направленных антенн. Поэтому для покрытия определённой площади необходимо большее количество передатчиков, чем вNMT-450 и AMPS.

В стандарте GSM определены 4 диапазона работы (ещё есть пятый):

900/1800 МГц (используется в Европе, Азии)

Характеристики	GSM-900	GSM-1800
Частоты передачи MS и приёма BTS, МГц	890 -- 915	1710 -- 1785
Частоты приёма MS и передачи BTS, МГц	935 -- 960	1805 -- 1880
Дуплексный разнос частот приёма и передачи, МГц	45	95
Количество частотных каналов связи с шириной 1 канала связи в 200 кГц	124	374
Ширина полосы канала связи, кГц	200	200

GSM-900

Цифровой стандарт мобильной связи в диапазоне частот от 890 до 915 МГц (от телефона к базовой станции) и от 935 до 960 МГц (от базовой станции к телефону). Количество реальных каналов связи гораздо больше чем написано выше в таблице, т.к присутствует еще и временное разделение каналов TDMA, т.е на одной и той же частоте могут работать несколько абонентов с разделением во времени.

В некоторых странах диапазон частот GSM-900 был расширен до 880--915 МГц (MS -> BTS) и 925--960 МГц (MS <- BTS), благодаря чему максимальное количество каналов связи увеличилось на 50. Такая модификация была названа E-GSM(extended GSM).

GSM-1800

Модификация стандарта GSM-900, цифровой стандарт мобильной связи в диапазоне частот от 1710 до 1880 МГц.

Особенности:

§ Максимальная излучаемая мощность мобильных телефонов стандарта GSM-1800 -- 1Вт, для сравнения у GSM-900 -- 2Вт. Большее время непрерывной работы без подзарядки аккумулятора и снижение уровня радиоизлучения.

§ Высокая ёмкость сети, что важно для крупных городов.

§ Возможность использования телефонных аппаратов, работающих в стандартах GSM-900 и GSM-1800 одновременно. Такой аппарат функционирует в сети GSM-900, но, попадая в зону GSM-1800, переключается -- вручную или автоматически. Это позволяет оператору рациональнее использовать частотный ресурс, а клиентам -- экономить деньги за счёт низких тарифов. В обеих сетях абонент пользуется одним номером. Но использование аппарата в двух сетях возможно только в тех случаях, когда эти сети принадлежат одной компании, или между компаниями, работающими в разных диапазонах, заключено соглашение о роуминге.

Сеть GSM 900-1800 -- это единая сеть,с общей структурой, логикой и мониторингом в которой телефон никуда не переключается. Вручную можно только запретить использовать один из диапазонов в тестовых или очень старых аппаратах.

Проблема состоит в том, что зона охвата для каждой базовой станции значительно меньше, чем в стандартах GSM-900,AMPS/DAMPS-800, NMT-450. Необходимо большее число базовых станций. Чем выше частота излучения, тем больше проникающая способность (характеризуется т. н. глубиной скинслоя) радиоволн и тем меньше способность отражаться и огибать преграды.

Дальность связи в GSM лимитирована задержкой сигнала Timing advance и составляет до 35 км. При использовании режима extended cell возрастает до 75 км. Практически достижимо только в море, пустыне и горах.

850/1900 МГц (используется в США, Канаде, отдельных странах Латинской Америки и Африки)

Характеристики	GSM-850	GSM-1900
Частоты передачи MS и приёма BTS, МГц	824 -- 849	1850 -- 1910
Частоты приёма и передачи BTS, МГц	869 -- 894	1930 -- 1990
Дуплексный разнос частот приёма и передачи, МГц	45	80

Система GSM состоит из трёх основных подсистем:

§ подсистема базовых станций (BSS -- Base Station Subsystem),

§ подсистема коммутации (NSS -- Network Switching Subsystem),

§ центр технического обслуживания (OMC -- Operation and Maintenance Centre).

В отдельный класс оборудования GSM выделены терминальные устройства -- подвижные станции (MS -- Mobile Station), также известные как мобильные (сотовые) телефоны.



Рис. 1.1.2 Антенны трех базовых станций на мачте

BSS состоит из собственно базовых станций (BTS -- Base Transceiver Station) и контроллеров базовых станций (BSC -- Base Station Controller). Область, накрываемая сетью GSM, разбита на соты шестиугольной формы. Диаметр каждой шестиугольной ячейки может быть разным -- от 400 м до 50 км. Максимальный теоретический радиус ячейки составляет 120 км, что обусловлено ограниченной возможностью системы синхронизации к компенсации времени задержки сигнала. Каждая ячейка покрывается одной BTS, при этом ячейки частично перекрывают друг друга, тем самым сохраняется возможность передачи обслуживания MS при перемещении её из одной соты в другую без разрыва соединения (Операция передачи обслуживания мобильного телефона (MS) от одной базовой станции (BTS) к другой в момент перехода мобильного телефона границы досягаемости текущей базовой станции во время разговора, или GPRS-сессии называется техническим термином «Handover»). Естественно, что на самом деле сигнал от каждой станции распространяется, покрывая площадь в виде круга, но при пересечении получаются правильные шестиугольники. Каждая база имеет шесть соседних в связи с тем, что в задачи планирования размещения станций входила такая, как минимизация зон перекрывания сигнала от каждой станции. Большее число соседних станций, чем 6 -- особых выгод не несёт. Рассматривая границы покрытия сигнала от каждой станции уже в зоне перекрытия, как раз получаем -- шестиугольники.

Базовая станция (BTS) обеспечивает приём/передачу сигнала между MS и контроллером базовых станций. BTS является автономной и строится по модульному принципу. Направленные антенны базовых станций могут располагаться на вышках, крышах зданий и т. д.

Контроллер базовых станций (BSC) контролирует соединения между BTS и подсистемой коммутации. В его полномочия также входит управление очерёдностью соединений, скоростью передачи данных, распределение радиоканалов, сбор статистики, контроль различных радиоизмерений, назначение и управление процедурой Handover.

С самого начала разработчики GSM хотели гарантировать совместимость ее с цифровой сетью интегрального обслуживания ISDN в части услуг и передачи сигналов управления. Однако ограничения радиопередачи по пропускной способности и стоимости не позволяли достигнуть стандартной для ISDN скорости передачи информации в битах B-канала 64 Кбит/c.

В соответствии с определением ITU-T (Международного союза электросвязи), телекоммуникационные услуги могут быть разделены на основные и дополнительные услуги. Основная услуга, поддерживаемая GSM, -- телефонная связь. Речь закодирована в цифровой форме и передается через сеть GSM как цифровой поток. Существуют также экстренные службы, где можно получить связь с ближайшим пунктом этой службы.

GSM предоставляет следующие услуги:

1. телефонная связь (совмещается со службой сигнализации: охрана квартир, сигналы бедствия и пр.);

2. передача коротких сообщений;

3. доступ к службам "Видеотекст", "Телетекст";

4. служба "Телефакс".

Пользователи GSM могут обмениваться данными со скоростью свыше 9600 битов в сек.:

· с пользователями обычной телефонной сети (POTS -- Plain Ordinary Service);

· с пользователями цифровой сети интегрального обслуживания (ISDN);

· с пользователями сети передачи данных общего пользования с пакетной коммутацией (PSPDN -- Packet Switched Public Data Networks);

· с пользователями сети передачи данных общего пользования c коммутацией каналов (CSPDN -- Circuit Switched Public Data Networks).

Стандарт GSM предусматривает передачу данных:

· асинхронно в дуплексном режиме со скоростями 300, 600, 1200, 2400, 4800 и 9600 бит/с через телефонные сети общего пользования;

· синхронно в дуплексном режиме со скоростями 1200, 2400, 4800 и 9600 бит/с через телефонные сети общего пользования, коммутируемые сети передачи данных общего пользования (CSPDN) и ISDN;

· в режиме доступа с помощью адаптера к пакетной асинхронной передаче данных со стандартными скоростями 300-9600 бит/с через коммутируемые сети пакетной передачи данных общего пользования (PSPDN);

· в режиме синхронного дуплексного доступа к сети пакетной передачи данных со стандартными скоростями 2400-9600 бит/с.

При передаче данных со скоростью 9,6 Кбит/с всегда задействуется канал связи с полной скоростью передачи. В случае передачи на скоростях ниже 9,6 Кбит/с могут использоваться полускоростные каналы связи.

Архитектура сети GSM

Сеть GSM состоит из нескольких функциональных объектов, функции и интерфейсы которых показаны на 1.1.3



Рис. 1.1.3 Архитектура сети и интерфейсы GSM

Сеть GSM включает три основные части:

· мобильные станции (MS), которые перемещаются с абонентом;

· подсистему базовых станций (BSS), которая управляет радиолинией связи с мобильной станцией;

· подсистему сети (NSS), главная часть которой -- центр коммутации мобильной связи (MSC) -- выполняет коммутацию между мобильными станциями и между мобильными или стационарными сетевыми пользователями. MSC также управляет работой, связанной с передвижением абонента.

На рис. 1.1.3 не показан центр обслуживания, который наблюдает за надежным функционированием и изменениями на сети. Мобильная станция (MS) и подсистема базовых станций (BSS) связываются по Um-интерфейсу, также известному как "воздушный интерфейс" или радиолиния связи. Подсистема базовых станций взаимодействует с центром коммутации мобильной связи по A интерфейсу.

Мобильная станция

Мобильная станция (MS) состоит из подвижной аппаратуры (терминал) и карты с интегральной схемой, включающей микропроцессор, которая называется модулем абонентской идентификации (SIM -- Subscriber Identification Module). SIM-карта обеспечивает при перемещении пользователя доступ к оплаченным услугам независимо от используемого терминала. Вставляя SIM-карту в другой терминал GSM, пользователь может принимать вызовы, делать вызовы с этого терминала и получать другие услуги.

Подвижная аппаратура однозначно определяется с помощью международного опознавательного кода мобильного оборудования (IMEI -- International Mobile Equipment Identity). SIM-карта содержит международный опознавательный код мобильного абонента (IMSI -- International Mobile Subscriber Identity), используемый для идентификации абонента, секретный код для удостоверения подлинности и другую информацию. IMEI и IMSI независимы -- это дает возможность обеспечить наиболее вероятное опознавание личности при передвижении абонента. SIM-карта может быть защищена против неправомочного использования паролем или личным номером.

Применяются три типа оконечного оборудования подвижной станции:

· МТ0 (Mobile Termination 0) -- многофункциональная подвижная станция, в состав которой входит терминал данных с возможностью передачи и приема данных и речи;

· МТ1 (Mobile Termination 1) -- подвижная станция с возможностью связи через терминал с ISDN;

· МТ2 (Mobile Termination 2) -- подвижная станция с возможностью подключения терминала для связи по протоколу МККТТ V-или Х-серий.

Терминальное оборудование может состоять из оборудования одного или нескольких типов, такого как телефонная трубка с номеронабирателем, аппаратура передачи данных (DTE), телекс и т. д.

Различают следующие типы терминалов: ТЕ1 (Terminal Equipment 1) -- терминальное оборудование, обеспечивающее связь с ISDN; ТЕ2 (Terminal Equipment 2) -- терминальное оборудование, обеспечивающее связь с любым оборудованием через протоколы МККТТ V- или Х-серий (связь с ISDN не обеспечивает). Терминал ТЕ2 может быть подключен как нагрузка к МТ1 (подвижной станции с возможностью связи с ISDN) через адаптер ТА.

Подсистема базовых станций

Подсистема базовых станций содержит два вида оборудования: базовая приемопередающая станция (BTS -- Base Transceiver Station) и контроллер базовой станции (BSC -- Base Station Controller). Они взаимодействуют через стандартизированный интерфейс A_bis.

На базовой приемопередающей станции размещается приемопередатчик, который для одной определенной соты реализует протоколы радиолинии с передвижной станцией. В большом городе обычно размещено большое количество BTS. Поэтому основные требования к BTS -- прочность, надежность, портативность и минимальная стоимость.

Контроллер базовой станции управляет радиоресурсами для одного или более BTS: выбором и установлением соединения по радиоканалу, скачком частоты и хэндовером (переключением), как это будет показано ниже. BSC подключается между базовой приемопередающей станцией (BTS) и центром коммутации мобильной связи (MSC).

Регистры защиты и аутентификации

Для защиты и аутентификации используются два устройства: регистр идентификации оборудования (EIR -- Equipment Identity Register) и центр аутентификации (AUC -- Authentication Center). Регистр идентификации оборудования -- база данных, которая содержит список всей допустимой к обслуживанию подвижной аппаратуры на сети, где каждая мобильная станция идентифицирована ее международным опознавательным кодом мобильного оборудования (IMEI). IMEI может быть маркирован как запрещенный к обслуживанию, если станция украдена или такого типа, который не обслуживается. Центр аутентификации -- защищенная база данных, которая накапливает копии ключей засекречивания, хранящихся в SIM-карте каждого абонента, и используется для аутентификации абонента и его оборудования, а также и шифрования для передачи по радиоканалу.

Каждый подвижный абонент имеет стандартный модуль подлинности абонента (SIM), который содержит: международный идентификационный номер (IMSI), свой индивидуальный ключ аутентификации (Ki), алгоритм аутентификации (A3).

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

EIR -- регистр идентификации оборудования, содержит централизованную базу данных для подтверждения подлинности международного идентификационного номера оборудования подвижной станции (IMEI). Эта база данных относится исключительно к оборудованию подвижной станции. Она состоит из списков номеров IMEI, организованных следующим образом.

БЕЛЫЙ СПИСОК содержит номера IMEI, о которых есть сведения, что они закреплены за санкционированными подвижными станциями. Терминалу позволяют соединиться с сетью.

ЧЕРНЫЙ СПИСОК содержит номера IMEI подвижных станций, которые украдены, имеют некорректный тип мобильной станции для сети GSM или им отказано в обслуживании по другой причине. Терминалу не позволяют соединиться с сетью.

СЕРЫЙ СПИСОК содержит номера IMEI подвижных станций, у которых существуют проблемы, выявленные по данным программного обеспечения, но не являющиеся основанием для внесения в "черный список". Терминал находится под наблюдением сети ввиду возможных проблем.

К базе данных EIR получают дистанционный доступ MSC данной сети, а также MSC других подвижных сетей.

Как и в случае с HLR, сеть может иметь более одного EIR, при этом каждый EIR управляет определенной группой оборудования, имеющей свой идентификационный номер IМЕI. В состав MSC входит транслятор, который при получении номера IМЕI выбирает адрес EIR -- он содержит данные о части оборудования, имеющей этот номер.

Оборудование эксплуатации и технического обслуживания

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

NMC (Network Management Center) -- центр управления сетью, дает возможность рационального иерархического управления сетью GSM. Он обеспечивает эксплуатацию и техническое обслуживание на уровне всей сети, поддерживаемой центрами ОМС, которые отвечают за управление региональными сетями. NMC отвечает за управление трафиком во всей сети и обеспечивает диспетчерское управление сетью при сложных аварийных ситуациях, как, например, выход из строя или перегрузка узлов. Кроме того, он контролирует состояние устройств автоматического управления, задействованных в оборудовании сети, и отражает на дисплее состояние сети для операторов NMC. Это позволяет операторам контролировать региональные проблемы и при необходимости оказывать помощь ОМС, обслуживающему конкретный регион. Таким образом, персонал NMC знает состояние всей сети и может дать указание персоналу ОМС изменить стратегию решения региональной проблемы.

NMC следит за состоянием маршрутов сигнализации и соединений между узлами, чтобы не допускать условий для возникновения перегрузки в сети. Контролируются также маршруты соединений между сетью GSM и PSTN во избежание распространения условий перегрузки между сетями. При этом персонал NMC координирует вопросы управления сетью с персоналом других NMC. NMC обеспечивает также возможность управления трафиком для сетевого оборудования подсистемы базовых станций (BSS). Операторы NMC в экстремальных ситуациях могут задействовать такие процедуры управления, как "приоритетный доступ", когда только абоненты с высоким приоритетом (экстренные службы) могут получить доступ к системе.

NMC может брать на себя ответственность в каком-либо регионе, когда местный ОМС не способен обслуживать нагрузку, при этом ОМС действует в качестве транзитного пункта между NMC и оборудованием сети. NMC обеспечивает операторов функциями, аналогичными функциям ОМС.

ADC (Administration Center) -- административный центр -- сетевая служба, ответственная за организацию связи, административное управление сетью и соблюдение установленных правил доступа.

ТСЕ (Transcoder Equipment) -- транскодер, обеспечивает преобразование выходных сигналов передачи речи и данных MSC (64 Кбит/с ИКМ) к виду, соответствующему рекомендациям GSM по радиоинтерфейсу. В соответствии с этими требованиями скорость передачи речи, представленной в цифровой форме, составляет 13 Кбит/с. Этот канал передачи цифровых речевых сигналов называется "полноскоростным". Стандартом предусматривается в перспективе использование полускоростного речевого канала (скорость передачи 6,5 Кбит/с).

Снижение скорости передачи обеспечивается применением специального речепреобразующего устройства, использующего кодирование с линейным предсказанием (LPC -- Linear Predictive Coding), долговременное предсказание (LTP -- Long Term Predicting), возбуждение регулярной импульсной последовательностью (RPE -- иногда называется RELP).

Транскодер обычно располагается вместе с MSC. Передача цифровых сообщений по направлению к контроллеру базовых станций (BSC) ведется с добавлением к потоку со скоростью передачи 13 Кбит/с дополнительных битов (stuffing). Таким образом, скорость передачи данных становится 16 Кбит/с. Затем осуществляется уплотнение с кратностью 4 в стандартный канал 64 Кбит/с. Так формируется определенная рекомендациями GSM.

1.2 CDMA (Code Division Multiple Access)

CDMA (англ. Code Division Multiple Access -- множественный доступ с кодовым разделением) -- технология связи, обычно радиосвязи, при которой каналы передачи имеют общую полосу частот, но разную кодовую модуляцию. Наибольшую известность на бытовом уровне получила после появления сетей сотовой мобильной связи, ее использующих, из-за чего часто ошибочно исключительно с ней (сотовой мобильной связью) и отождествляется.

Этот метод отличается от двух других наиболее распространенных методов разделения каналов FDMA (Frequency Division Multiple Access) и TDMA (Time Division Multiple Access) тем, что коды в отличие от времени и частоты не являются явным ресурсом канала связи. Несмотря на сложность реализации данный метод используется в радиосвязи уже довольно давно, т.к. обладает очень заманчивыми преимуществами, которых не имеют другие методы множественного доступа.

Рис. 1.2.1 Принцип организации CDMA

Принцип CDMA заключается в том, что каждому источнику информации назначается индивидуальный код, при помощи которого он кодирует передаваемое сообщение. Приемник информации также знает этот код и его задача в том, чтобы выделить закодированное сообщение нужного отправителя из всего потока других сообщений. В этом и заключается вся сложность, т.к. коды должны быть как можно меньше похожи друг на друга, даже при временном смещении сообщений. На математическом языке свойство "похожести" называется корреляцией. Таким образом, закодированные сообщения должны обладать как можно меньшей корреляцией. Этим свойством обладают ортогональные коды, взаимное скалярное произведение которых равно 0. На практике удается получить не полностью ортогональные коды, а почти ортогональные. Это означает, что ортогональное произведение стремится к 0, но не достигает его, чего вполне достаточно для устойчивой работы системы, но, в свою очередь, накладывает определенные ограничения. В теории если бы можно было сгенерировать бесконечное число полностью ортогональных кодов, то в одном канале связи смогут одновременно работать бесконечное число абонентов. Из-за неполной ортогональности кодов сигналы различных источников могут создавать помехи друг на друга. Причем чем выше мощности сигналов, тем ощутимее может оказаться влияние. Поэтому число одновременно работающих абонентов и максимально возможная передаваемая мощность в системе с CDMA ограничены.

Метод CDMA используется в основном в системах радиодоступа, т.к. в проводных системах его нецелесообразно использовать из-за высокой сложности и стоимости приемо-передающих устройств. В сотовой связи принцип CDMA нашел применение в стандартах 2G и 3G. В частности стандарт CDMA 2000 включает этот метод множественного доступа на участке между базовой станцией (BTS) и мобильным оборудованием (MS). В UMTS используется модифицированный метод - WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access - широкополосный метод множественного доступа с кодовым разделением), главное отличие которого от CDMA заключается в ом, что сигнал перед передачей в радиоэфир дополнительно расширяется. Это в свою очередь, позволяет добиться лучшей помехустойчивости, безопасности и снижения потребляемой мощности.

Технология CDMA - особенности и преимущества

В выборе технологии сотовой телефонии на рубеже третьего тысячелетия по-видимому появилась определённость. К концу 1999 года в мире, по данным CDG (CDMA development group), технологию CDMA (Code Division Multiple Access) выбрали 50 млн. абонентов (рис. 1.2.2). В том числе, 28 млн. в Азии, 16,5 млн. в Северной Америке и 5 млн. в Латинской Америке. В Европе, Ближнем Востоке и Африке насчитывается полмиллиона абонентов.

Рис. 1.2.2 Рост числа абонентов CDMA в мире

Такое стремительное развитие технологии доступа с кодовым разделением объясняется ожидаемым увеличением плотности абонентов, устойчивостью к помехам, высокой степенью защищённости передаваемых данных от несанкционированного доступа и лучшими энерго-экономическими показателями. Упрощённое моделирование показывает, что ёмкость базовых станций с технологией CDMA в несколько раз больше по сравнению с существующими стандартами сотовой телефонии, в которых используется частотное разделение каналов (NMT, AMPS, TACS). Реальность, конечно, значительно сложнее, чем идеализированные модели.

Коротко, преимущества CDMA перед другими системами следующие:

· ёмкость базовых станций увеличивается в 8-10 раз по сравнению с AMPS и в 4-5 раз - по сравнению с GSM;

· улучшенное качество звука по сравнению с AMPS;

· отсутствие частотного планирования благодаря использованию тех же самых частот в смежных секторах каждой соты;

· улучшенная защищённость передаваемых данных;

· улучшенные характеристики покрытия, позволяющие использовать меньшее количество сот;

· большее время работы батарей до разрядки;

· возможность выделения требуемой полосы частот - по потребности.

Технические особенности технологии CDMA

Чтобы сопоставить возможности технологии CDMA, надо привести описание существующих стандартов.

Advanced Mobile Phone Service (AMPS). В этом стандарте предусмотрено частотное разделение доступа абонентов к базовой станции (FDMA - frequency division multiple access). Каждому каналу выделяется узкая полоса частот (30 кГц), и этот канал назначается одному абоненту. Существует также узкополосный AMPS (NAMPS), в этом стандарте на один канал выделяется только 10 кГц. В системе TACS (Total Access Communi-cations System) полоса частот, отводимых под один канал, составляет 25 кГц.

В Северной Америке один оператор владеет в среднем 416 каналами AMPS и занимает полосу 30 кГц Ч 416 > 12,5 МГц. Очевидно, что те же самые частоты не могут использоваться в прилегающих сотах, поэтому семь сот, образующих "ромашку" используют один частотный план. Таким образом, для AMPS количество абонентов на одну соту составляет примерно 416/7 = 59. На рис.1.2.3 повторное использование тех же частот показано одинаковыми оттенками.

Рис. 1.2.3 "Ромашка" частотного плана AMPS

Следует отметить, что коэффициент повторного использования частот K = 7 выбран скорее из практических натурных измерений, чем из закона затухания радиоволн в вакууме на свободной поверхности, и учитывает реальное окружение: дома, рельеф и др. На свободной поверхности этот коэффициент был бы несколько больше.

В Европе широкое распространение получили технологии с временным разделением каналов. В GSM (IS-54) используется 10 частотных каналов и 8 временных слотов, занимающих частотный ствол шириной 200 кГц. Таким образом, в системе GSM в той же полосе частот 12,5 МГц могут быть размещены 12,5/0,2 = 62 ствола по 200 кГц каждый. Учитывая, что каждый частотный канал делится на 8 временных слотов, ёмкость соты составляет 80 абонентов, против 59 в AMPS.

Технология с кодовым разделением каналов предлагает дальнейшие пути увеличения ёмкости базовых станций. Ключевой момент - использование шумоподобных сигналов. Вместо разделения спектра или временных слотов каждому пользователю назначается фрагмент шумоподобной несущей. Поскольку её фрагменты являются квазиортогональными, возникает возможность отвести всю ширину выделенного канала для каждого пользователя. Благодаря решению проблемы ближней-дальней зоны и динамическому управлению мощностью, распределение частот выглядит, как показано на рис. 3, то есть вся полоса частот 1,25 МГц используется каждым пользователем и она же вновь используется в смежной соте. Емкость на одну соту определяется балансом между требуемым отношением сигнал/шум для каждого пользователя и фактором сжатия кодовой последовательности.

Рис. 1.2.4 Частотный план CDMA

Емкость соты

Емкость изолированной AMPS-ячейки даже больше. На самом деле, ничто не мешает использовать все частотные стволы (по 1,25 МГц) внутри одной соты. Таким образом, если мы проведём приближенное сопоставление, то для AMPS ёмкость "ромашки" из семи сот равна произведению числа абонентов на соту (59) на 7, то есть 413. Аналогичная ёмкость для CDMA равна произведению числа абонентов на соту (32) на число частотных стволов (10) и на число сот (7), то есть 2240. Отношение ёмкости CDMA к AMPS составляет 5,4. Однако, если учесть интерференцию с соседними сотами в выражении (3), то это отношение уменьшится до 4,4. Помимо возможности одновременного использования всех десяти частотных стволов, в CDMA применяется секторизация сот. Это усовершенствование позволяет увеличить сравнительное отношение ёмкости CDMA и AMPS до 13 раз.

Кодирование речи

Важным моментом для уменьшения взаимной интерференции каналов от различных абонентов является кодирование речи. Кодирование позволяет существенно уменьшить среднюю мощность передатчика.

Известно, что человеческая речь - это прерывистый источник сигнала. Из измерений фирмы Bell Laboratories следует, что активность речи составляет 35-40% от общего ресурса времени. Если использовать этот фактор, то можно ещё в два или более раз увеличить ёмкость сети. На практике этот коэффициент активности составляет 50% благодаря тому, что в период молчания подвижные и базовая станции должны поддерживать физический канал связи, и мощность не может быть сведена до нуля. Таким образом, преимущество CDMA перед AMPS может достигать 26 раз.

Особенности построения сети CDMA

Одним из основоположников технологии CDMA является американская фирма QUALCOMM. В США цифровая сотовая система CDMA была стандартизована TIA (Telecom-munication Industry Association) и описана в стандарте IS-95. Наподобие IS-54, стандарт IS-95 предусматривает совместимость с существующей системой сотовой телефонии AMPS. Для систем, работающих по стандарту IS-95, выделена та же самая полоса частот, что и для AMPS. Другими словами, CDMA работает "поверх" существующей AMPS.

...