Архітектура мережі GSM
Мережа GSM складається з декількох функціональних об'єктів, функції та інтерфейси яких показані на рис. 1.1.
Р
мобільні станції (MS), які переміщаються з абонентом;
підсистему базових станцій (BSS), яка управляє радіоліній зв'язку з мобільною станцією;
підсистему мережі (SSS), головна частина якої - центр комутації мобільного зв'язку (MSC) - виконує комутацію між мобільними станціями і між мобільними або стаціонарними мережевими користувачами. MSC також управляє роботою, пов'язаною з пересуванням абонента.
На малюнку 1 не показаний центр обслуговування, який спостерігає за надійним функціонуванням і змінами на мережі. Мобільна станція (MS) і підсистема базових станцій (BSS) зв'язуються по Um-інтерфейсу, також відомому як "повітряний інтерфейс" або радіолінія зв'язку. Підсистема базових станцій взаємодіє з центром комутації мобільного зв'язку по A інтерфейсу.
^
2.1 Мобільна станція
Мобільна станція (MS) складається з рухомої апаратури (термінал) і карти з інтегральною схемою, що включає мікропроцесор, яка називається модулем абонентської ідентифікації (SIM - Subscriber Identification Module). SIM-карта забезпечує при переміщенні користувача доступ до оплаченим послуг незалежно від використовуваного терміналу. Вставляючи SIM-карту в інший термінал GSM, користувач може приймати виклики, робити виклики з цього терміналу і отримувати інші послуги.
Рухома апаратура однозначно визначається за допомогою міжнародного розпізнавального коду мобільного обладнання (IMEI - International Mobile Equipment Identity). SIM-карта містить міжнародний розпізнавальний код мобільного абонента (IMSI - International Mobile Subscriber Identity), який використовується для ідентифікації абонента, секретний код для підтвердження автентичності та іншу інформацію. IMEI і IMSI незалежні - це дає можливість забезпечити найбільш ймовірне упізнання особистості при пересуванні абонента. SIM-карту можна захистити проти неправомірного використання паролем або особистим номером.
^
2.2 Підсистема базових станцій
Підсистема базових станцій містить два види обладнання: базова приемопередающая станція (BTS - Base Transceiver Station) і контролер базової станції (BSC - Base Station Controller). Вони взаємодіють через стандартизований інтерфейс Abis (рисунок 1).
На базовій приймально-передавальної станції розміщується приймач, який для однієї певної стільники реалізує протоколи радіолінії з пересувною станцією. У великому місті зазвичай розміщена велика кількість BTS. Тому основні вимоги до BTS - міцність, надійність, портативність і мінімальна вартість.
Контролер базової станції управляє радиоресурсами для одного або більше BTS: вибором і встановленням з'єднання по радіоканалу, стрибком частоти і хендовера (перемиканням), як це буде показано нижче. BSC підключається між базовою приймально-передавальної станцією (BTS) і центром комутації мобільного зв'язку (MSC).
^
2.3 Коммутационная підсистема мережі
Центр комутації мобільний зв'язку (MSC)
Географічні зони мережі GSM
Мережа GSM складена з географічних областей. Як показано на малюнку 2, ці області включають осередки, зони розташування (LA's - Location Areas), зони обслуговування MSC / VLR і мобільний наземну мережу загального користування (PLMN - Public Land Mobile Network).
Сота - область радіоохвата одного приймача однієї BTS. Мережа GSM визначає кожну соту за допомогою розпізнавального коду глобального ідентифікацію стільникової мережі (CGI - Cell Global Identity), номера, який призначається кожній соте.
Зона розташування (LA - Location Area) - група сот. Це область, в якій найімовірніше може в даний момент переміщатися абонент.
Малюнок 2 - Географічні зони системи GSM
Повторне використання частот - спосіб організації зв'язку, при якому одні і ті ж частоти багаторазово використовуються в різних зонах обслуговування. Застосування частотно-територіального планування з повторним використанням частот дозволяє збільшити пропускну здатність при обмеженій кількості частотних каналів.
Відстань повторного використання частот (Frequency reuses distance) - відстань між центрами двох віддалених сот, починаючи з якого допускається повторне використання. У загальному випадку воно визначається за формулою, де - число осередків в кластері, - радіус осередку (радіус кола, описаного навколо гексагональної комірки).
Кластер (cluster). Кластер - це група з близько розташованих сот, в межах яких неприпустимо повторне використання через небезпеку перевищення рівня взаємних перешкод.
^
3.1 Частотний план в стандарті GSM
На малюнку 3 показаний принцип утворення каналів в системі GSM.
890-915 МГц для каналу зв'язку від абонента до станції (напрямок MS до BS);
935-960 МГц для вихідного каналу від станції до абонента (напрямки BS до MS).
Смуги по 25 МГц розділені на 124 пари каналів, які працюють в дуплексному режимі з інтервалом несучої частоти по 200 кГц, використовуючи Багатостанційний доступ з частотним поділом каналів (FDMA - Frequency Division Multiple Access). Кожен радіоканал з шириною смуги 200 кГц розділений на тимчасові стільники, які створюють 8 логічних каналів. При цьому використовується методика, відома як Багатостанційний доступ з тимчасовим поділом (TDMA - TIME DEVISION MULTIPLE ACCESS). Нагадаємо: Багатостанційний доступ полягає в тому, що група користувачів має можливість використовувати одну несучу частоту в різні моменти часу.
Канал, який переносить інформацію (канал трафіку, або логічний канал), визначиться номером несучої частоти і номером одного з 8 тимчасових положень. Інформація переноситься в вигляді невеликих пакетів (burst), об'єднаних в кадри.
Багатостанційний доступ з тимчасовим поділом (TDMA - Time Division Multiple ACCESS), що містить 8 слотів і 248 фізичних напівдуплексних каналів, становить групу з 1984 напівдуплексних каналів.
Малюнок 3 - Освіта каналів в системі GSM
^
3.2 Секторізованная сота
Сота, в якому обслуговування абонентів здійснюється базовою станцією з секторної антеною, називається секторізованной сотої. При цьому зона покриття антени розділяється на сектори. Секторізація дозволяє підвищити пропускну здатність системи стільникового зв'язку без зменшення розмірів зони покриття або зниження потужності, випромінюваної базовою станцією. Ширина спрямованості секторної антени відповідає кутовому розміру сектора. У системах стільникового зв'язку зазвичай використовують антени з шириною діаграми спрямованості 120 ° (трисекторна антена). Зазвичай застосовуються кластери розмірністю 3/9, 4/12, 7/21, де перша цифра позначає число сот в кластері, а друга - число секторів. На малюнку 4-а показаний приклад застосування 3-секторної антени для кластера 3/9. У цьому прикладі розподіляються 9 груп частот і застосовуються шестісекторние антени - з шириною діаграми спрямованості 60 °. На малюнку 4-б показана розроблена корпорацією Motorola мережа з шириною одного з варіантів діаграми спрямованості 60 ° і 12 групами несучих частот. Цей кластер містить 4 елементи і 6-секторну антену (розмір кластера 4/24).
Малюнок 4 - Повторне використання частот в: а) 3-секторної соте; б) 6-секторної соте
Завдання каналів в системі GSM
У мережі GSM визначені два типи каналів трафіку: повношвидкісне мовні канали, що працюють на повній швидкості (TCH / F - Traffic Channel / Full) - 22,8 Кбіт / с, і напівшвидкісні мовні канали, що працюють на половинній швидкості (TCH / H - Traffic Channel / Half) - 11,4 Кбіт / с. Половинна швидкість дозволяє вдвічі збільшити число каналів в одному і тому ж частотному діапазоні.
В мобільного зв'язку канали трафіку доступні будь-якому абоненту. Тому в процесі встановлення з'єднання може бути обраний будь-який канал, до якого може бути підключена станція. Оскільки у вільному стані абонентська лінія не має зв'язку з каналами трафіку, вона потребує каналі управління, наприклад, для передачі сигналу "виклик", "setup", разом із дзвінком і т. П.
Тому, щоб попросити мережі на встановлення з'єднання застосовується канал, спрямований від MS до мережі. Це канал випадкового доступу (RACH - Random Control Channel).
Оскільки запит на встановлення з'єднання передається тільки на початку з'єднання і надалі виділяється канал для обміну інформацією, що управляє, цей канал є загальним для всіх станцій зони місцезнаходження.
Загальному каналу завжди потрібно процедура доступу для уникнення і вирішення конфліктів. В даному випадку найчастіше застосовується процедура випадкового многостанционного доступу з тимчасовим поділом типу ALOHA (TDMA - Time Division Multiple Access ALOHA). Принцип такого доступу заснований на тому, що всі станції використовують один канал зв'язку, контролюючи його роботу, а передача здійснюється в випадкові моменти часу, що зменшує ймовірність конфліктів.
У відповідь на сигнал виклику вибирається автономний спеціалізований канал управління (SDCCH - Stand-alone dedicated Control Channel), за яким в подальшому передається службова інформація від MS протягом встановлення виклику перш, ніж буде знайдений канал трафіку (TCH).
Для вхідного зв'язку передача сигналу "заняття" до MS реалізується за широковещательному каналу коротких повідомлень (канал виклику) (PCH - Paging Channel), загальним для всієї стільники. Це широкомовний канал коротких повідомлень, який передає сигнал "виклик" всіх станціях зони розташування (LA). Отримавши такий сигнал, станція MS визначає свій номер і відповідає на широкомовний сигнал так само, як при вихідному виклику, - сигналом запиту по каналу випадкового доступу (RACH - Random Control Channel).
Далі сигнали встановлення з'єднання проходять як і при вихідного зв'язку.
При вхідного зв'язку BTS і MS пункту призначення:
Передає широкомовний сигнал всім станціям в зоні обслуговування даного MSC. Сигнал передається по окремому каналу управління - широковещательному каналу коротких повідомлень - РСН (Paging Channel);
Після чого MS по каналу управління (канал з випадковим доступом - RACH, Random Access Channel) надсилає запит на термінове призначення індивідуального каналу управління на час обміну сигналами. Слова "довільний доступ" означають застосування методів випадкового доступу, найбільш поширеним з яких є ALOHA. Принцип роботи при такому методі полягає в тому, що всі станції працюють по одному каналу зв'язку, контролюючи його роботу, передача здійснюється в випадковий момент часу. BTS вибирає канал для обміну керуючими сигналами (SDCCH - Stand-alone dedicated Control Channel);
BTS запрошує дані аутентифікації. Проводиться аутентифікація за допомогою даних, отриманих раніше при реалізації процедури аутентифікації і захисту користувача. У відповідь на запит MS передає накопичений в SIM-карті зашифрований відгук (SRES - Signed Response), що дозволяє BTS встановити справжність MS;
Після чого BTS передає запит ключа шифрування;
І отримує відповідь ключ шифрування. Якщо ключ правильний, то далі проводиться процедура встановлення з'єднання, яка збігається з процедурою вихідного з'єднання.