Московский Государственный Университет Связи и Информатики лекции

Вид материала

Лекции

Содержание Передача цифровых данных возможна только с использованием модема, который преобразует их в аналоговую форму! 1. Полоса частот, мГц -от мобильных станций (исходящий поток) 825,0 – 845,0 453,0 – 457,5 3. Скорость передачи, кбит/с 10,0 - упр. сигнал 1,2 1,2 - данные Edge (gsm/edge) Code Division Multiple Access

Подобный материал:

• 16-19 марта 2011 г в Минске состоялся Европейский семинар по устойчивому развитию, 13.55kb.
• Методология формирования и реализации аппарата анализа и планирования рыночного потенциала, 598.83kb.
• Министерство Образования Российской Федерации Московский Государственный Университете, 1997.23kb.
• Федеральное агентство связи Сибирский государственный университет телекоммуникаций, 622.46kb.
• Московский государственный университет имени, 111.06kb.
• Министерство образования и науки, 38.9kb.
• Примерная программа 10. 00-11. 00 Регистрация, 36.7kb.
• II. Логика и язык, 5497.75kb.
• Курса, 405.14kb.
• Управление компетенциями в самообучающейся организации, 72.07kb.

Управляющую информацию можно передавать по речевым каналам одновременно с разговором. При этом мобильная станция MS или базовая станция BTS могут вставлять пакеты данных (служебной информации), прекращая передачу речи на 100,0мс и, заменяя его частотно манипулированным (FSK -Frequency-Shift Keying) срочным сообщением (например, связанным с резким изменением уровня мощности или переключением канала при перемещении пользователя из одной зоны, ячейки в другую).

Аналоговые системы сотовой связи спроектированы, прежде всего, для передачи речевых сообщений по беспроводным информационным каналам с частотной модуляцией (ЧМ - FM - Frequency Modulation).

^

Передача цифровых данных возможна только с использованием модема, который преобразует их в аналоговую форму!

В аналоговых сотовых сетях связи первого поколения 1G каждый канал в одной и той же ячейке на момент передачи информационного (речевого, данных) сигнала может быть предоставлен только одному пользователю.

Основные характеристики аналоговых систем первого поколения - 1G. Наименование характеристик AMPS NMT 450

^

1. Полоса частот, мГц

-от мобильных станций

(исходящий поток) 825,0 – 845,0 453,0 – 457,5

-от базовой станции

(нисходящий поток) 870,0 – 890,0 463,0 – 467,5

2. Радиус ячейки, км 2,0 – 20,0 1,0 – 40,0

^

3. Скорость передачи, кбит/с 10,0 - упр. сигнал 1,2

1,2 - данные

Цифровые системы сетей сотовой связи второго поколения 2G

Переход к цифровым системам сотовой связи стимулировался широким внедрением цифровой техники в телекоммуникации, разработкой сверхминиатюрных (на основе нанотехнологий) интегральных схем для цифровой обработки сигналов.

В США и Канаде аналоговые системы беспроводной связи стандарта AMPS получили столь широкое распространение, что прямая замена его цифровыми системами оказалась практически невозможной. Выход был найден в разработке двухрежимной аналого-цифровой системы, позволяющей совмещать функционирование аналоговой и цифровой систем в одном и том же диапазоне. Работа над соответствующим стандартом закончена в 1992 г. и стандарт получил наименование D-AMPS, или IS-54 (IS - сокращение от Intermediate Standard - промежуточный стандарт, или Intermediate Svstem - промежуточная система, в контексте телекоммуникаций - служебный элемент - In-Service - обладает полной функциональностью). Его практическое использование началось в 1993г. В Европе ситуация осложнялась наличием множества несовместимых аналоговых систем. Выходом из проблемы стала разработка единого общеевропейского стандарта GSM: GSM 900 - диапазон 900,0мГц.

GSM 900 использует 124 полнодуплексных канала, обеспечивает полный международный роуминг, автоматическое определение местонахождения, контроль доступа, кодирование в беспроводных каналах связи, эффективное взаимодействие с системами цифровых сетей с интеграцией услуг - ISDN и хорошее качество звука.

Практическое применение стандарта GSM 900 началось в 1991г.


Еще один вариант цифрового стандарта, по техническим характеристикам аналогичный D-AMPS, был разработан в Японии в 1993 г.; первоначально он назывался JDC, а с 1994 г. - PDC - Personal Digital Cellular - буквально "персональная цифровая сотовая связь".

Стандарт D-AMPS дополнительно усовершенствовался за счет введения нового типа каналов управления (сигнализации). Цифровая версия AMPS: D-AMPS сохранила структуру каналов управления аналогового AMPS, что ограничивает возможности системы.

Новые чисто цифровые каналы управления введены в версии ^ EDGE (GSM/EDGE), или промежуточный стандарт IS-136, которая начала внедряться с 1996г. При этом была сохранена совместимость IS-136 с AMPS и D-AMPS (IS-54), расширены функциональные возможности системы.

Стандарт GSM 1800 с новым частотным диапазоном 1800,0мГц получил название: системы персональной связи.

Отличие GSM 1800 от исходной системы GSM 900 не столько техническое, сколько маркетинговое при технической поддержке:

• более широкая рабочая полоса частот в сочетании с меньшими размерами ячеек (сот) позволяет строить сотовые сети связи значительно большей емкости, при этом расчет был на систему мобильной связи с компактными, удобными и не дорогими мобильными станциями MS.
  

Новая система сначала получила название DCS 1800 - Digital Cellular System - цифровая сотовая система. Первоначально использовалось также наименование PCN - Personal Communications Network, что в переводе означает "сеть персональной связи". Система PCN внедрена в 1993 г., а в 1996 г. переименована в GSM 1800.

В США диапазон 1800,0мГц оказался занят другими пользователями, но была найдена возможность выделить полосу частот в диапазоне 1900,0мГц, которая получила в Америке название диапазона систем персональной связи - PCS - Personal Communications Systems, в отличие от диапазона 1800,0мГц, за которым сохранено название сотового (cellular).

Освоение диапозона стандарта PCS версии IS-136 началось в США в 1995г.

Работа в этом диапазоне была предусмотрена стандартом D-AMPS (IS-136). Аналогового стандарта AMPS в диапазоне 1900,0мГц нет.


Состав оборудования мобильной станции MS:

Самая простая часть функциональной схемы мобильной станции MS состоит:

• МЕ - Mobile Equipment - мобильное устройство (оборудование).
  
• Модуля (смарт-карты) - SIM - Subscriber Identity Module - модуль идентификации абонента (подписчика), получаемой при заключении договора с Оператором сети сотовой связи.
  
• Как автомобиль имеет уникальным номер кузова, так и сотовый телефон имеет собственный номер - IMEI - International Mobile Equipment Identity - международный идентификатор мобильного устройства, который может передаваться сети по ее запросу.
  
• SIM, в свою очередь, содержит IMSI - International Mobile Subscriber Identity - международный идентификационный номер (идентификатор) абонента (подписчика).
  

Разница между идентификаторов IMEI и IMSI:
- IMEI - соответствует конкретной мобильной станции MS (оборудованию).

• IMSI - соответствует конкретному абоненту (номер абонента).
  

"Центральной системой" сети GSM является - NSS - Network and Switching Subsystem - подсистема сети и коммутации.

Элемент сети, выполняющий функции "мозга", называется MSC - Mobile services Switching Center - центр коммутации мобильных служб. MSC иногда называют коммутатором.

Центров мобильной коммутации MSC в сети GSM может быть несколько.

MSC занимается маршрутизацией вызовов, формированием данных для биллинга (расчетов), управляет многими процедурами и т.д.

Следующими по важности элементами сети, также входящими в NSS:

• HLR - Home Location Register - регистр собственных абонентов.
  
• VLR - Visitor Location Register - регистр визитеров (гостей).
  

Регистр HLR содержит базу данных всех "собственных" абонентов, заключивших с Оператором данной сети сотовой связи договор. В базе данных хранится информация об идентификаторе IMSI пользователей, идентификаторе MS ISDN - Mobile Subscriber ISDN - мобильный телефон цифровой сети с интеграцией услуг, перечень доступных MS услуг и др.

В отличие от регистра HLR, который в системе один, регистров VLR может быть несколько и каждый из них контролирует свою часть сети.

В регистре VLR содержатся данные обо всех мобильных станциях MS, которые находятся на его территории (причем обслуживаются не только свои абоненты, но и зарегистрированные в сети гости, или роумеры).

Как только пользователь покидает зону действия одного VLR, информация о нем копируется в новый регистр VLR, а из старого информация удаляется.

Принципиальное отличие регистров HLR от VLR:

• в HLR расположена информация обо всех абонентах сети, независимо от их местоположения,
  
• в VLR данные только о тех абонентах, которые находятся на подведомственной этому регистру VLR территории. В регистре HLR для каждого абонента постоянно присутствует ссылка на тот регистр VLR, который с этим абонентом сейчас работает. При этом сам регистр VLR может принадлежать сети другого Оператора связи, расположенной, например, на другом конце Земли.
  

Исполнительной частью сотовой сети, является BSS - Base Station Subsystem - подсистема базовых станций. BSS состоит из нескольких BSC - Base Station Controller - контроллер базовых станций, а также нескольких BTS - Base Transceiver Station - базовая трансиверная станция.

Каждый контроллер BSC контролирует целую группу базовых трансиверных станций BTS и отвечает за управление и распределение каналов, уровень мощности базовых станций и т.д. Обычно BSC в сети не один, а целое множество (базовых станций - сотни).

Управляется и координируется работа сети с помощью OMC -Operation and
Meintenance Centre - центр эксплуатации и обслуживания.


Регистрация в сети сотовой связи.

При каждом включении мобильной станции MS после выбора сети начинается процедура регистрации.

Наиболее общий случай - регистрация не в "домашней", а в "гостевой", сети и услуга роуминга абоненту разрешена.

Мобильная станция MS передает идентификационный номер IMSI абонента в VLR гостевой сети.
Идентификатор IMSI начинается с кода страны (первые три цифры), далее следуют две или три цифры, определяющие домашнюю сеть, а затем - уникальный номер конкретного абонента. По номеру IMSI регистр VLR гостевой сети определяет домашнюю сеть и связывается с ее регистрами HLR. Из регистра HLR передается информация об абоненте в регистр VLR, который делает запрос, а у себя размещает ссылку на этот регистр VLR, чтобы в случае необходимости знать, "где искать" абонента.


Процесс определения подлинности абонента:

При регистрации центр аутентификации AuC домашней сети генерирует

128-битовое случайное число - RAND - Random number - случайное число, пересылаемое в мобильную станцию MS пользователя. Внутри SIM с помощью ключа Ki (ключ идентификации, который содержится в SIM) и алгоритма идентификации вычисляется 32-битовый ответ - SRES - Signed RESult по формуле:

SRES = Ki · RAND

Точно такие же вычисления проделываются одновременно и в центре аутентиикации AuC (по выбранному из регистра HLR ключу Ki пользователя).

Если SRES мобильной станции пользователя совпадет со SRES, рассчитанным ценром аутентификации AuC, процесс авторизации считается успешным.

Абоненту присваивается TMSI - Temporary Mobile Subscriber Identity - врéменная идентификация (идентификатор) мобильного абонента (подписчика).

Временная идентификация мобильного абонента TMSI служит исключительно для повышения безопасности взаимодействия абонента с сетью.

TMSI может периодически меняться (в том числе, смена регистра VLR при переходе MS в другую локальную зону местонахождения - LA).

Теоретически, при регистрации должен передаваться и идентификационный номер MS - оборудования мобильной станции - IMEI, но российские Операторы связи практически не обеспечивают отслеживание идентификатора IMEI мобильных станций.
При получении идентификатора IMEI сетью, он направляется в регистр EIR, где сравнивается с так называемыми "списками" номеров:

• "Белый" список содержит номера санкционированных к использованию мобильных телефонов.
  
• "Черный" список состоит из идентификаторов IMEI, украденных или по какой-либо иной причине не допущенных к эксплуатации мобильных станций MS.
  
• "Серый" список - "MS с "проблемами", работа которых разрешается системой, но за которыми ведется постоянное наблюдение.
  

После процедуры идентификации и взаимодействия гостевого регистра VLR с домашним регистром HLR запускается счетчик времени, задающий момент перерегистрации в случае отсутствия каких-либо сеансов связи.

Обычно период обязательной регистрации составляет несколько часов. Перерегистрация необходима для того, чтобы сеть получила подтверждение, что телефон по-прежнему находится в зоне ее действия.

В режиме ожидания мобильная станция MS только отслеживает сигналы, передаваемые сетью, но сама ничего не излучает - процесс передачи начинается только в случае установления соединения, а также при значительных перемещениях относительно сети - в таких случаях таймер, отсчитывающий время до следующей перерегистрации, запускается заново. Поэтому при "выходе" MS из сети (например, был отключен аккумулятор, или владелец аппарата зашел в метро, не выключив телефон) система об этом не узнает.

Все пользователи случайным образом разбиваются на 10 равноправных классов доступа (с номерами от 0 до 9). Кроме того, существует несколько специальных классов с номерами с 11 по 15 (разного рода аварийные и экстренные службы, служебный персонал сети и др.).

Информация о классе доступа хранится в SIM.

Особый, 10 класс доступа, позволяет совершать экстренные звонки (по номеру "112"), если пользователь не принадлежит к какому-либо разрешенному классу, или вообще не имеет идентификатор IMSI (а, следовательно, SIM-карту).

В случае чрезвычайных ситуаций или перегрузки сети некоторым классам может быть на время закрыт доступ в сеть.
Территориальное деление сети и handover (переключение каналов).

Сеть состоит из множества BTS - базовых трансиверных станций (одна BTS - одна "сота", ячейка).

Для упрощения функционирования системы и снижения служебного трафика BTS объединяют в группы - домены, получившие название LA - Location Area -зона местонахождения.

Каждой зоне мостонахождения LA соответствует свой идентификатор LAI - Location Area Identity - идентификация зоны местонахождения.

Один регистр VLR может контролировать несколько зон местонахождения LA.

Идентификатор зон местонахождения LAI размещается в VLR для задания местоположения мобильной станции MS.

В случае необходимости именно в соответствующей зоне местонахождения LA, а не в отдельной соте, производится поиск мобильной станции MS пользователя.

При перемещении MS из одной соты в другую в пределах одной зоны LA перерегистрация и изменение записей в VLR / HLR не производится, но стоит мобильной станции MS перейти на территорию другой зоны LA, начнется взаимодействие мобильной станции MS с сетью.

Каждому пользователю приходилось слышать периодические помехи в музыкальной системе своего автомобиля от находящегося в режиме ожидания мобильного телефона - часто это является следствием проводимой перерегистрации при пересечении границ зон местонахождения LA. При смене зоны местоположения LA идентификатор прежней зоны стирается из регистра VLR и заменяется новым идентификатором LAI, если же следующий LA контролируется другим регистром VLR, произойдет смена регистра VLR и обновление записи в регистре HLR.


Разбиение сети на зоны местонахождения LA довольно сложная инженерная задача, решаемая при построении каждой сети индивидуально.

Очень малые зоны LA приведут к частым перерегистрациям мобильных станций MS и, как следствие, к возрастанию трафика служебных сигналов и более быстрой разрядке батарей мобильных телефонов.

Если сделать зоны местонахождения LA большими, то, в случае необходимости установления соединения с мобильной станцией пользователя, сигнал вызова придется направлять всем базовым трансиверным станциям во все соты, входящие в зону расположения LA, что также ведет к неоправданному росту передачи служебной информации и перегрузке служебных каналов сети.


Алгоритм "handover" - переключение используемого канала на канал, находящийся в другой зоне местонахождения LA в процессе соединения.
Во время разговора по мобильному телефону вследствие ряда причин (удаление
MS от базовой станции BTS, многолучевая интерференция, перемещение MS в зону так называемой "тени" и т.п.) мощность (и, следовательно, качество) сигнала может ухудшиться. В этом случае произойдет переключение соединение на другой канал с лучшим качеством сигнала без прерывания текущего соединения (ни сам абонент, ни его собеседник, как правило, не замечают произошедшего handover).


Handover разделяют на четыре типа:

• смена каналов в пределах одной базовой трансиверной станции BTS;
  
• смена канала одной базовой станции на канал другой базовой станции, но находящейся под контролем того же контроллера BSC;
  
• переключение каналов между базовыми станциями, контролируемыми разными подсистемами базовых станций - BSC, но одним центр коммутации мобильной связи MSC;
  
• переключение каналов между базовыми станциями, за которые отвечают не только разные BSC, но и разные MSC.
  

В общем случае, проведение переключение каналов - handover - задача MSC. Но в двух первых случаях, называемых внутренними handover, чтобы снизить нагрузку на MSC и служебные линии связи, процессом смены каналов управляет BSC, а MSC лишь информирует о происшедшем. Во время разговора мобильная станция MS постоянно контролирует уровень сигнала от соседних BTS (список каналов - до 16), за которыми необходимо вести наблюдение и измерение мощности излучения.

На основании этих измерений выбираются шесть лучших каналов, данные о которых постоянно (не реже раза в секунду) передаются в контроллер BSC и центр коммутации мобильных связей MSC для организации возможного переключения.

Существуют две основные схемы переключения каналов - handover:
- "Режим наименьших переключений" - Minimum acceptable performance.

В этом случае, при ухудшении качества связи мобильный телефон повышает мощность своего передатчика до тех пор, пока это возможно. Если, несмотря на повышение уровня сигнала, связь не улучшается (или мощность достигла максимума), то происходит переключение каналов - handover.
- "Энергосберегающий режим" - Power budget. При этом мощность передатчика мобильного телефона остается неизменной, а в случае ухудшения качества меняется канал связи (режим handover).
Инициировать смену каналов может не только мобильная станция MS, но и центр коммцтации мобильных служб MSC, например, для лучшего распределения трафика.


Маршрутизация вызовов в сетях сотовой связи

При поступлении запроса на установление соединения, например, от телефонной сети общего пользования (ТфОП) или другой сотовой сети связи в MSC - центр коммутации мобильной связи (мобильных служб) домашней сети, каторый "находит" нужный MSC по идентификатору мобильной станции IMEI, содержащий код страны и код сети.

Взаимодействие основных элементов сети при поступлении входящего вызова.
MSC передает в регистр HLR номер (мобильной станции MS цифровой сети с интеграцией услуг - ISDN) пользователя. Регистр HLR, в свою очередь, обращается с запросом к регистру VLR гостевой сети, в которой находится этот пользователь.

VLR выделяет один из имеющихся в его распоряжении MSRN - Mobile Station Roaming Number - номер роуминга мобильной станции.

Идеология назначения кода роуминга мобильной станции MSRN аналогична динамическому присвоению адресов IP при коммутируемом доступе в Интернет через модем.

Регистр HLR "домашней" сети получает от регистра VLR присвоенный мобильной станции номер роуминга MSRN и, сопроводив его адресом IMSI пользователя, передает в центр коммутации MSC домашней сети.

Заключительной стадией установления соединения является направление вызова, сопровождаемого идентификационными номерами (идентификаторами) IMSI и MSRN, в центр коммутации MSC гостевой сети.


MSC формирует специальный сигнал, передаваемый по PAGCH - PAGer CHannel - канал вызова - по всей зоне местонахождения LA, где находится мобильная станция MS вызываемого пользователя.

Рассмотренные выше сотовые системы GSM имеют ограниченное число каналов, что создает проблемы в мегаполисах: часто приходится ждать уменьшения нагрузки системы. Малая скорость передачи данных (9,6кбит/с) не позволяет передавать большие файлы данных и предоставлять широкополосные услуги (видео).

Возможности роуминга также не безграничны, т.к. США и Япония развивают свои, несовместимые с GSM, цифровые системы беспроводной связи в тех же частотных диапозонах, что и GSM (1800мГц). Но дни GSM не сочтены, и появление систем беспроводной связи третьего поколения 3G, олицетворяющих начало новой эры в развитии сетей сотовой связи и лишенных перечисленных недостатков.


Технологоя CDMA - Code Division Multiplie Access - множественный доступ с кодовым разделением (каналов) - поколение 2,5G


Группа стандартов CDMA коренным образом отличается от других стандартов сотовой связи, и эти стандарты считаются стандартами 2.5 поколения - 2,5G.

Если системы множественного доступа с частотным разделением (каналов) FDMA

(в аналоговых системах: NMT, AMPS и др.) и их продолжение - системы множественного доступа с временным разделением (каналов) TDMA (в цифровых системах: GSM, D-AMPS) используют набор частотных диапазонов с разделением каждого канала на временные интервалы для множественного доступа к услугам сети сотовой связи, то в системах множественного доступа с кодовым разделением (каналов) CDMA всё по-другому.

CDMA (^ Code Division Multiple Access) — множественный доступ с кодовым разделением.

Каналы трафика при таком способе разделения среды создаются присвоением каждому пользователю отдельного числового кода, который распространяется по всей ширине полосы. Нет временного разделения каналов, все абоненты постоянно используют всю ширину канала. Полосы частот канала очень широкие, накладываются друг на друга но, поскольку их коды отличаются, они могут быть идентифицированы.

Технология множественного доступа с кодовым разделением каналов известна давно. В СССР первая работа, посвящённая этой теме, была опубликована ещё в 1935 году её автором Агеевым Д.В..

После войны в течение долгого времени технология CDMA использовалась в военных системах связи, как в СССР так и в США. Во второй половине 80-х годов военное ведомство США рассекретило данную технологию и с 1995г. началось её коммерческое использование в гражданских средствах связи.

Технология CDMA применяется в сотовой связи и в спутниковой навигации GPS.

Системы CDMA использует технологию DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum - спектр, расширенный методом (прямой) последовательности.

Основа DSSS - использование шумоподобной несущей, и гораздо более широкой полосы, чем необходимо для обычных способов модуляции.

Эволюция систем сотовой связи, использующих технологию CDMA

Технология кодового разделения каналов CDMA, благодаря высокой спектральной эффективности, является радикальным решением дальнейшей эволюции сотовых систем связи.

CDMA2000 является стандартом 3G в эволюционном развитии сетей cdmaOne (основанных на версии IS-95). При сохранении основных принципов, заложенных версией IS-95A, технология стандарта CDMA непрерывно развивается и совершенствуется.

Последующее развитие технологии CDMA происходит в рамках технологии CDMA2000. При построении системы мобильной связи на основе технологии CDMA2000 1Х, первая фаза обеспечивает передачу данных со скоростью до

153,0кбит/с, что позволяет предоставлять услуги голосовой связи, передачу коротких сообщений, работу с электронной почтой, интернетом, базами данных, передачу данных и неподвижных изображений. Переход к следующей технологии - CDMA2000 1xEV-DO происходит при использовании той же полосы частот 1,23мГц, скорости передачи — до 2,4мбит/с в прямом канале и до 153,0кбит/с в обратном.

Это делает эту систему связи отвечающей требованиям 3G и даёт возможность предоставлять самый широкий спектр услуг, вплоть до передачи видео в режиме реального времени. Следующей фазой развития стандарта является 1ХEV-DO Rev A, что позволяет увеличить сетевую ёмкость и скорость передачи данных. На данном этапе обеспечивается передача данных со скоростью до 3,1мбит/с по направлению к MS (мобильной станции) и до 1,8мбит/с по направлению от MS. Операторы смогут предоставлять те же услуги, что и на базе Rev 0, а, кроме того, передавать голос, данные и осуществлять широковещание по IP сетям. В мире уже есть несколько таких действующих сетей. Поскольку прогресс не стоит на месте, разработчики оборудования уже работают над реализацией следующей фазы — 1ХEV-DO Rev B, — что позволит достигнуть следующих скоростей на одном частотном канале: 4,9мбит/с к MS и 2,4мбит/с от MS. К тому же будет обеспечиваться возможность объединения нескольких частотных каналов для увеличения скорости. Например, объединение 15-ти частотных каналов (максимально возможное количество) позволит достигать скоростей 73,5мбит/с к MS и 27,0мбит/с от MS.

Применение CDMA сетей - улучшенная работа чувствительных к временным задержкам приложений типа VoIP, Push to Talk, видеотелефония, параллельное использование голоса, сетевые игры и др.

Основными компонентами коммерческого успеха системы CDMA2000 являются: более широкая зона обслуживания, высокое качество речи (практически эквивалентное проводным системам), гибкость и дешевизна внедрения новых услуг. Данная технология обеспечивает высокую помехозащищённость, устойчивость канала связи от перехвата и прослушивания, что делает его привлекательным в использовании для всех категорий абонентов.

Также немаловажную роль играет низкая излучаемая мощность радиопередатчиков абонентских устройств. Так, для систем CDMA2000 максимальная излучаемая мощность составляет 250,0мВт, в то время как для систем GSM-900 этот показатель равен 2,0Вт (в импульсе), а для GSM-1800 1,0 Вт (в импульсе).