Основные концепции сотовой телефонии

Huawei Technologies CO.,Ltd.

Учебный Центр

Содержание

 

1 Основные концепции сотовой телефонии........................................................ 1

2 Элементы GSM сети......................................................................................................... 7

3 Наземный интерфейс................................................................................................... 24

4 Зоны обслуживания и планы нумерации......................................................... 34

5 Каналы радиоинтерфейса......................................................................................... 47

6 Радиотехнологии.......................................................................................................... 63

7 Тенденции развиттия................................................................................................... 73

 

Введение в GSM

 

Основные концепции сотовой телефонии

 

 

Каждая сота в cотовой системе использует RF радиоканал. RF радиоканал состоит из пары радиочастот. Разные частоты используются для разных направлений передачи (передача и прием), поэтому информация может передаваться в разных направлениях одновременно. Ширина спектра, предоставляемая для систем сотовой связи ограничена. В GSM используется полоса шириной 25 MГц. Чтобы избежать интерференции, частота приема разнесена от частоты передачи на 45 МГц. Частоты, используемые на передачу (от BTS к MS) лежат в диапазоне 935-960MГц. Частоты, используемые на прием (от MS к BTS) лежат в диапазоне 890-915МГц. Ширина полосы одного канала составляет 200 кГц.

Чтобы избежать интерференции с другими системами первый канал не используется. Таким образом, используется только 124 радиоканала

 

 

В DCS1800 используется диапазон шириной 75 МГц. Для избежания интерференции частоты приема и передачи разнесены на 95 МГц. Для передачи (от BTS к MS) используется диапазон 1805-1880MГц. Для приема (от MS к BTS) используется 1710-1785MГц. Ширина полосы канала составляет 200КГц, что совпадает с GSM. Для избежания интерференции с другими системами первый канал также не используется. Таким образом, частотный диапазон DSC1800 включает в себя 374 радиоканала.

Ширина полосы DSC 1800 в три раза больше, чем ширина полосы GSM 900. Поэтому DSC 1800 больше подходит для зон с высокой плотностью абонентов, в то время, как GSM 900 удобен для покрытия больших территорий.

 

 

Шестигранник на этом рисунке изображает соту и показывает зону покрытую одной частотой. Ее форма похожа на пчелиную соту. Поэтому система называется сотовой. Большая зона обслуживания сотовая системы разделена на зоны, называемые сотами. Оборудование каждой соты позволяет коммутировать, передавать и получать звонки от абонентов находящихся в этих зонах.

Предполагается, что соты шестигранные, хотя на самом деле они не имеют определенной формы. Форма соты определяется свойствами местности, такими как холмы, высокие здания и т.д.

При использовании ненаправленых сот, каждая сота имеет свое собственное место установки оборудования называемое Всенаправленной сотой. При высокой плотности трафика соты могут быть разделены на несколько меньших, называемых “Секторами.” При использовании 120 градусных секторов, исходная сота разделена на три меньших. Оборудование этих сот установлено в одном месте, но каждая из них имеет свою собственную зону обслуживания.

 

Так как частотный диапазон который может быть использован сотовой системой имеет ограниченную ширину, очевидно, что его недостаточно для того, чтобы назначить каждой соте собственную частоту. Поэтому необходимо чтобы одни и те же частоты использовались одновременно в нескольких сотах. Повторное использование частот позволяет увеличить количество звонков.

Назначение радиочастот для каждой соты производится по стандартному образцу. Таким образом, несущие используются многократно внутри зоны покрытия сети в соответствии с образцом. На диаграмме показан образец повтора 4*3. Это означает, что каждые 4 соты используют одну и ту же группу частот и каждая сота содержит 3 сектора. Эта группа может быть использована в других 4 сотах. Чтобы избежать интерференции необходимо, чтобы соты с одинаковыми частотами находились далеко друг от друга.

Элементы GSM сети

 

 

На этой диаграмме показана упрощенная GSM сеть. GSM система включает в себя: BSS, NSS, и OMC.

Подвижная станция (MS) это та часть сети, которую может видеть абонент. BSS обозначает Подсистема базовых станций. Она отвечает за функции системы, относящиеся к использованию радиоканалов. Она включает в себя BSC (контроллер базовых станций) и BTS (базовая станция).

Аббревиатура NSS обозначает Подсистема сети. NSS состоит из MSC/VLR, HLR/AuC/EIR. NSS часть осуществляет функции комутации и управления всей сетью GSM. MSC означает Центр мобильной коммутации. HLR обозначает Домашний регистр. AuC обозначает Центр аутентификации. EIR обозначает Регистр идентификации оборудования. MSC поддерживает интерфейс между GSM и PSTN сетями.

OMC обозначает Центр эксплуатации и управления. Он используется для конфигурации и обслуживания сети. OMC подключается к BSS и NSS через LAN или WAN.

 

 

Подвижная станция состоит из двух частей, Мобильного оборудования (ME) и “интелектуальной карты” называемой SIM картой. Мобильное оборудование это устройства используемые для доступа к сети. Это может быть телефон, факс и т.д. Каждое устройство имеет свой уникальный идентификационный номер, хранимый внутри аппарата. Это позволяет GSM сети обнаруживать украденные аппараты. Этот номер называется Международный идентификатор мобильного оборудования (IMEI).

SIM карта - это карточка, включенная в мобильное оборудование. Эта карта идентифицирует мобильного абонента и предоставляет другую различную информацию. Для идентификации абонента используется номер называемый Международным идентификатором мобильного абонента (IMSI). Мобильное оборудование может быть куплено в любом магазине. SIM карта должна быть получена от оператора сети. Если SIM карта не вставлена, можно произвести только звонок на телефоны экстренных служб.

 

 

SIM карта, названая выше “интелектуальной картой”, вставляется в мобильный телефон и содержит информацию о мобильном абоненте. В SIM карте хранится следующая информация:

Международный идентификатор мобильного абонента (IMSI) – номер идентифицирующий абонента и передаваемый по радиоканалу при инициализации.

Временный идентификатор мобильного абонента (TMSI) – этот номер, который идентифицирует абонента, переодически меняется системой, чтобы избежать злоумышленного прослушивания абонента.

Идентификатор зоны (LAI) показывает текущее положение абонента.

Ключ аутентификации (Ki) – используется для аутентификации SIM карты.

Международный мобильный ISDN номер (MSISDN) – телефонный номер мобильного абонента. Он включает в себя код страны, федеральный код и абонентский номер.

Основная часть данных соджержится в SIM карте постоянно (как например Ki и IMSI). Некоторые параметры (такие как LAI) постоянно обновляются и отражают текущее состояние абонента.

SIM карта имеет высокую степень защиты и обеспечивает защиту абонентской информации от копирования. Для защиты SIM карты может быть также использован PIN код (персональный идентификационный номер). Так же как в банковских картах PIN код используется для предотвращения неавторизованного использования SIM карты. Также SIM карта активирует алгоритм аутентификации, в котором используется ключ аутентификации Ki.

BSS обеспечивает соединение мобильных станций с Центром мобильной коммутации.

BSS состоит из двух основных компонентов:

· BSC обеспечивает управление BSS и взаимодействует непосредственно с MSC. BSC может управлять одной или несколькими BTS.

· BTS включает в себя набор RF оборудования которое поддерживает радиоинтефейс в каждой соте. Эта часть оборудования сети поддерживает связь с мобильными станциями. Антенны рассматриваются как часть BTS.

Транскодер (TC) используется для сжатия сигнала с целью повышения эффективности передачи по наземным линиям. Он преобразует данные из 64 кбит/сек в16 кбит/сек.

Sub-мультиплексор используется для смешивания данных, с целью уменьшения стоимости передачи между MSC и BTS. Хотя транскодер рассматривается как часть BSS для оптимизации передачи он часто устанавливается рядом с MSC. Следующий слайд описывает, как транскодер и SM могут сэкономить линии передачи.

 

Как известно, в PSTN сети используются каналы передачи 64 кбит/сек. Если бы они передавались от MSC по радиоинтерфейсу без преобразования, это заняло бы слишком широкую полосу в радиодиапазоне. Такое использование радиодиапазона было бы не эффективным. Поэтому используются транскодеры, которые преобразуют госовой сигнал выходящий из MSC в данные, используемые в GSM стандарте. Например, ИКМ 64 кбит/сек преобразуется в голосовой трафик 13 кбит/сек или трафик данных со скоростью 3.6/6/12 кбит/сек. Ширина требуемой полосы при этом уменьшается.

Транскодеры могут быть расположены как на стороне MSC, так и на стороне BSC. Если они расположены на стороне MSC, к каналу 13 кбит/сек добавляются дополнительные биты синхронизации до 16 кбит/сек, затем четыре из них объединяются в один 64 кбит/сек канал ИКМ. Таким образом поток емкостью 2 Мбит/cек, состоящий из 30 каналов ИКМ, содержит в себе до 120 голосовых каналов используемых в GSM. Очевидно, что это позволяет оператору сэкономить.

Таким образом, транскодер установленный в MSC в общем случае уменьшает требуемое количество 2 Мбит/cек потоков.

 

Подсистема коммутации включает поддерживает функции коммутации в GSM сети. Она также содержит базу данных, необходимую для управления мобильными абонентами. Ее основная функция - управление соединением между GSM сетью и другими сетями. Она состоит из следующих частей:

1. Центра мобильной коммутации – MSC
2. Домашнего регистра - HLR
3. Гостевого регистра – VLR
4. Регистра идентификации оборудования – EIR
5. Центра аутентификации – AUC
6. Модуля межсетевого взаимодействия - IWF
7. Эхоподавителя - EC

Кроме центра мобильной коммутации, NSS включает в себя устройства регистрирующие местоположение. Это HLR, VLR, EIR. Обычно функции HLR, AuC и EIR поддерживаются одним устройством. Кроме того, MSC и VLR также могут быть включены в одно устройство. Их базы данных используются для управления абонентами, отслеживания их местоположения и передвижения внутри сети.

Функционально, модули межсетевого взаимодействия и эхоподавители, которые используются при взаимодействии с другими сетями, могут рассматриваться как часть MSC. Эхоподавитель используется для взаимодействия MSC с PSTN, а также с другими сетями.

 

Основная функция MSC – коммутация разговоров в GSM системе. Она совпадает с функцией любого телефонного коммутатора.

MSC осуществляет несколько различных функций, в зависимости от местоположения в сети. Если MSC осуществляет интерфейс к PSTN, она рассматривается как Gateway MSC (GMSC). В этом случае она осуществляет функцию переключения всех исходящих и входящих звонков на мобильные телефоны. GSM сеть, как правило, содержит несколько MSC. Каждая MSC обслуживает абонентов, находящихся в определенной зоне. Следующие функции являются функциями MSC:

1. Обработка вызова – включает в себя установление соединения, включая соединения внутри сети или с другими MSC, управление handover-ом и отслеживание передвижений абонента.

2. Управление и обслуживание сети, включая управление базами данных, измерение трафика и взаимодействие с оператором.

3. Осуществление межсетевого взаимодействия, включая поддержку интерфейсов между GSM и другими сетями.

4. Биллинг – сбор биллинговых данных и передача биллинговых записей в биллинговый центр.

 

 

 

HLR содержит базу данных по абонентам. Она содержит различные идентификационнные номера и адреса равно как аутентификационные параметры. Эта информация заносится в базу данных оператором сети при подключении абонента.

В базе данных HLR хранятся следующие параметры:

1. идентификаторы абонентов(ID)

2. номер текущего VLR абонента (текущее местонахождение)

3. дополнительные услуги абонета (например, текущий номер переадресации)

4. статус абонента (зарегистрирован/ отключен)

5. ключ аутентификации и параметры оборудования

6. Временный идентификатор абонента (TMSI)

7. Роуминговый номер абонента (MSRN)

База данных HLR содержит информацию по всем абонентам системы. MSC и VLR могут осуществлять удаленный доступ к этим данным. The HLR database contains the master database of all the subscribers in GSM system.

Одна система может содержать более одного HLR. При этом одному абоненту соответствует только одна запись только в одном HLR.

Запрос к базе данных может осуществляться как по IMSI, так и по MSISDN абонента. Запрос данных может быть осуществлен как MSC и VLR нашей сети, так и MSC и VLR других сетей, что позволяет осузествлять межсетевые звонки и международный роуминг.

 

 

VLR содержит большую часть данных хранящихся в HLR. Но это временные данные, которые храннятся только пока абонент “активен” в зоне действия данного VLR. Таким образом, VLR содержит временную базу данных по абонентам находящимся в данной зоне. Он необходим, чтобы уменьшить число и интенсивность запросов к HLR. Дополнительно в VLR хранятся следующие данные:

1. Текущее состояние абонента (занят/свободен/не отвечает и т.д.)
2. Зона расположения(LAI)
3. Временный идентификатор абонента(TMSI)
4. Роуминговый номер абонента(MSRN)

 

 

EIR содержит централизованную базу данных по мобильному оборудованию. Эта база данных содержит информацию только по оборудованию и не содержит данных об абонентах. Оборудование в ней разделено на три списка:

1 Белый список (WHITE LIST) содержит список оборудования рассматриваемого, как годное к применению.

2. Черный список (BLACK LIST) содержит IMEI номера единиц оборудования, который числятся, как украденные, или работа, с которыми запрещена по каким либо другим причинам.

3. Серый список (GREY LIST) содержит IMEI номера единиц оборудования, при работе с которым возможно возникновение проблем (например, ошибка в ПО). Используется, если причина не достаточно веская для занесения оборудования в Черный список.

 

 

Центр аутентификации (AUC) - процессорная система. Она осуществляет функцию аутентификации. Как правило, она совмещена с HLR. Обычно, аутентификация производится каждый раз, когда абонент регистрируется в системе.

При аутентификации, производятся действия над данными, хранимыми в SIM карте, после чего происводится сравнение с данными из базы данных HLR. Последовательность действий при Аутентификации:

1. AUC посылает мобильной станции случайное число.
2. В соответствии с алгоритмом аутентификации, хранимым в сим карте, производятся вычисления над случайным числом и ключом аутентификации (Ki) который хранится в SIM карте.
3. Вычисления даю два следующих результата. Один из них – ответ (SRES), который возвращается в AUC. Другой – ключ шифрования (Kc), который сохраняется в SIM карте. Он используется для шифрования данных передаваемых по радиоинтерфейсу, чтобы усилить его защиту.

Вычисления ответа (SRES) в AUC и мобильной станции производится одновременно. Затем происходит сравнение SRES, вычисленного в AUC с полученным от мобильной станции. При совпадении мобльная станция получает доступ к услугам. Ключ шифрования посылается в BTS, чтобы сделать возможным шифрование.

При первой попытке абонента сделать звонок процесс аутентификации проводится целиком. При последующих звонках аутентификация не обязательна.

 

 

 

Функция IWF - предоставление возможности GSM системе взаимодействовать с другими различными сетями передачи данных.

Следующие функции поддерживаются IWF:

1. Преобразование скорости передачи
2. Преобразование протоколов передачи

Эти функции могут быть необходимы в сети или нет. Это зависит от того, с какими сетями взаимодействует GSM система.

 

Эхоподавитель используется в голосовых каналах между MSC и PSTN. Контроль эха необходим, так как даже при малом времени на распространение сигнала к PSTN возможно возникновения сильного эха. Кроме задержки связанной с передачей, в GSM системе может возникать задержка, связанная с обработкой, шифрованием и дешифрованием данных. Полная задержка составляет приблизительно 180 мсек.

При звонке с мобильного телефона на мобильный телефон нет очевидных причин для возникновения эха. Однако, при звонке линейному абонету ситуация другая. Как известно стандартные линейные телефоны являются двухпроводными. Поэтому в PSTN используется преобразование с 2-х на 4-х проводный интерфейс. Это преобразование может быть причиной эха, которое не влияет на линейного абонента. При обычном звонке c PSTN на PSTN эхо не возникает из-за малой задержки при передачи сигнала. Так как задержка в GSM системе больше, то без эхоподавления может возникнуть сильное ехо которое не позволит мобильному абоненту различать речь.

 

 

Подсистема управления и обслуживания (OMC) позволяет удаленно управлять GSM системой. OMC объединяет функции, которые необходимы для управления всей GSM системой, включая MSC, HLR, BSC и BTS. OMC является точкой, из которой осуществляется контроль и мониторинг всех элементов сети, а также качество предоставляемых сетью услуг.

Так как технические условия на OMC не определены в GSM, оператор сам решает, какой производительности OMC он хочет иметь. Кроме того, в настоящее время каждый производитель использует свой тип OMC не совместимый с OMC других производителей. В общем OMC может управлять только определеннной частью сети. Поэтому, следует упомянуть еще один элемент Центр управления сетью – NMC. NMC отслеживает состояние всей сети и управляет всей сетью. NMC расположен на верхнем уровне иерархии в сети управления.

 

 

Существует два типа OMC:

1. OMC (R) – относящейся к подсистеме базовых станций
2. OMC (S) – относящийся к подсистеме коммутации

Таким образом, две части, которые могут быть аппаратно размещены в одном устройстве, работают независимо в соответствии с практическими потребностями.

 

 

На этом рисунке показана функциональная архитектура OMC.

В соответствии с рекомендациями ОМС должно поддерживать следующие функции:

1. Отслеживание аварий

2. Отслеживание ошибок

3. Представление данных

4. Управление конфигурацией

5. Защита данных

 

Наземный интерфейс

 

 

Каждый компонент GSM сети использует для взаимодействия с другими элементами интерфейс, определенный стандартами GSM. Это делает сеть более гибкой и позволяет производителю использовать компоненты сети от разных производителей. Например, BSS подсистема от Motorola может работать с коммутационным оборудованием HUAWEI.

Каждый интерфейс внутри GSM системы имеет специальное название. Следующая таблица показывает названия интерфейсов определенных в GSM.

 

Name	Interface
Um Abis A B C D E F G H	MS Û BTS BTS Û BSC BSC ÛMSC MSCÛVLR MSCÛHLR VLR ÛHLR MSCÛMSC MSCÛEIR VLR ÛVLR HLR ÛAUC

 

В этой части будет дан обзор наземных интерфейсов. В него включены все соединения между всеми элементами GSM системы за исключением Um и радиоинтерфейса, которые будут описаны в следующей части.

 

 

GSM интерфейсы описаны в ITU стандартах, которые широко используются во всем мире. На этом рисунке показаны интерфейсы системы, использующие 2Мбит/сек потоки. Это интерфейсы, которые используются для передачи трафика от PSTN к MSC, от MSC к MSC, от MSC к BSC и к удаленным BTS через BSC. Такие же линки используются между MSC и IWF.

 

Эта диаграмма показывает структуру потока 2 Мбит/сек.

Каждый 2.048 Мбит/сек поток поддерживает 30 каналов емкостью 64кбит/сек, которые могут быть использованы для передачи данных или голоса и 2 канала для управляющей информации.

Голосовые каналы и каналы передачи данных могут переносить данные в формате SSC7, LAPD или X.25. В основном потоки 2 Мбит/сек используются на физическом уровне протоколов взаимодействия различных элементов GSM сети.

 

 

Этот рисунок показывает интерфейсы в GSM системе, в которых используется X.25 или TCP/IP. Эти интерфейсы используются для взаимодействия OMC с другими элементами, такими как OMC, BSC и т.д.

 

 

Этот рисунок иллюстрирует использование OKC7 в GSM системе, которая используется для переноса сигнальной и контрольной информации между основными частями GSM системы и к PSTN.

Протоколы высокого уровня, которые используются для взаимодейсвия между элементами сети, являются частью CCS7.

Также показано соответствие между CCS7 и 7 уровневой OCI моделью. Схема CCS7 приведена на правой стороне рисунка.

Первый уровень - физический уровень, назывемый MTP-1. Он представляет собой потоки 2 Мбит/сек.

Второй уровень - уровень линков. Он называется MTP-2.

Третий уровень OCI модели включает в себя MTP–3 и SCCP.

Уровни с 4 по 6 не используются структуре CCS7 в GSM.

Седьмой уровень – уровень приложений, таких как TUP, ISUP, MAP, TCAP и BSSAP.

 

 

На этом рисунке приведена расшифровка сокращений, относящихся к OKC7.

MTP Message Transfer Part

TCAP Transaction Capabilities Application Part

SCCP Signaling Connection Control Part

TUP Telephone User Part

ISUP ISDN User Part

MAP Mobile Application Part

BSSAP Base Station System Application Part

BSSMAP BSS Management Application Part

DTAP Direct Transfer Application Part

Подробности описаны в курсе про SSC7.

 

На этом рисунке показаны протоколы OKC7 используемые в GSM интерфейсах.

Внешние – направленные к PSTN. TUP и ISUP используется для сигнализации к системам использующим Telephone User Part и ISDN User Part соответственно.

Между MSC и BSC используется Base Station System Management Application Part (BSSMAP). Direct Transfer Application Part (DTAP) используется для передачи сообщений между MSC и мобильными станциями. MAP используется между MSC и VLR, EIR и HLR

 

 

 

Abis – интерфейс который используется между BSC и BTS. Так как требования стандарта GSM не строгие, этот стандарт не является открытым. Он может отличаться у разных производителей. Поэтому BTS одного производителя не будут работать с BSC другого. Поэтому BSC и BTS должны поставляться одним производителем.

Abis интерфейс используется для различных типов протоколов. В GSM определено использование LAPD протокола в Abis интерфейсе.

 

 

Используемая в LAPD протоколе стандартная структура кадра показана на рисунке.

Первый и последний биты являются флагами. Между ними поля, используемые для контроля последовательности, информационные, с проверочными битами и адресной информацией.

Зоны обслуживания и планы нумерации

 

Зона обслуживания мобильных станций разделена на следующие 6 уровней:

Системная область(System area), Зона покрытия сети (PLMN service area), Зона обслуживания MSC (MSC service area), Локальная зона (Location area), Зона покрытия базовой станции (Base station area), и Сота (radio cell).

1. Системная область включает в себя одну или несколько сетей разных стран. Внутри этой зоны абоненты мобильных сетей, PSTN и ISDN могут соединяться могут быть соединены с мобильным абонентом, не зная, где он находится.

2. Зона покрытия сети – зона, обслуживаемая одним оператором. Она может обслуживаться одним или несколькими HLR. Внутри сети поддерживается единые план нумерации и маршрутизация. Зона может включать в себя одну или несколько зон обслуживания MSC.

3. Зона обслуживания MSC представляет собой зону, обслуживаемую одним коммутатором. Это может быть часть города или области. Зона обслуживания MSC может состоять из одного или нескольких Локальных зон.

4. Локальные зоны определяет оператор исходя из данных по плотности абонентов, их мобильности, и плотности трафика. Она состоит из одной или нескольких зон покрытия базовой станции.

5. Зона покрытия базовой станции – территория, обслуживаемая одной базовой станцией. Она состоит из одной или нескольких сот, в зависимости от того какие соты и антенны используются.

6. Сота - наименьшая единица, на которую делится зона обслуживания. Это зона, в которой используется один радиоканал для всех радиосоединений.

 

B GSM системе для целей идентификации оборудованию, мобильным абонентам, мобильным аппаратам и сотам присваиваются номера.

MSC/VLR номера используются для идентификации MSC/VLR. Номер имеет следующий формат CC+NDC+LSP.

СС – Country Code. Например для Китая это 86.

NDC - National Destination Code. Например для сети Chaina Mobile NDC может быть 139, 138, 137, 136, 135.

LSP - Locally Significant Part. Эта часть номера определяется оператором.

В качестве примера можно привести следующий номер MSC/VLR 86-139-00311. Так как MSC и VLR обычно находятся в одном физическом устройстве, MSC и VLR имеют один и тот же номер.

 

 

Для идентификации HLR используется номер HLR.

Он имеет следующий формат ：CC+NDC+H0 H1 H2 H3 0000.

CC Country Code. Например "86" для Китая.

NDC National Destination Code. Например для China Mobile это 139,138,137,136,135.

H0H1H2H3 определяется оператором.

Пример номера HLR 86-139-0666-0000.

 

IMSI – International Mobile Subscriber Identification - уникальный международный номер мобильного абонента внутри системной области GSM. Он не известен мобильному абоненту. IMSI хранится в SIM карте. Его соответствие с MSISDN хранится в HLR и VLR. Его структура показана на рисунке.

 

MCC - Mobile Country Code состоит из 3 знаков. Например: MCC для Китая "460".

MNC - Mobile Network Code состоит из 2 знаков. Например: MNC Для China Mobile "00".

MSIN - Mobile Subscriber Identification Number. Имеет формат H1H2H3 S ABCDEF. Первые три знака H1H2H3 теже что и в номере HLR.

NMSI - National Mobile Subscriber Identification. MNC и MSIN вместе составляют NMSI.

Пример IMSI: 460-00 –666-9777001

Обратите внимание на то, что IMSI не может быть длиннее 15 знаков.

 

MSISDN используется в следующих случаях:

1. Звонящим абонентом для установления содинения

2. MSC/Gateway MSC для обращения к HLR при запросе положения мобильного абонента.

MSISDN хранится, как полупостоянные данные в HLR и VLR. Он передается по MAP интерфейсу. Структура MSISDN показана на рисунке.

CC - Country Code. (Для Китая "86").

NDC - National Destination Code. (139, 138, 137, 136, 135 для China Telecom).

SN - Subscriber Number (Номер абонента). Его формат H0 H1 H2 H3 ABCD

Пример: MSISDN: 86-139-0666-1234

 

IMEI - International Mobile Station Equipment Identification. Уникальный номер мобильного оборудования. Следует обратить внимание на разницу между IMSI и IMEI. IMSI – идентификатор мобильного абонента, IMEI – идентификатор оборудования.

Структура IMEI показана на рисунке.

TAC - Type approval code. Этот код выдается централизованно.

FAC - Final assembly code. Эта часть кода показывает производителя.

SNR - Serial number. Присваивается производителем каждой MS.

SP - Не используется.

 

TMSI расшифровывается как Temporary Mobile Subscriber Identification.

1. TMSI назначается после успешной аутентификации.

2. VLR управляет присваиванием TMSI и уведомляет об этом HLR.

3. TMSI используется для того, чтобы сохранять в секрете настоящие идентификаторы абонента. TMSI часто обновляется; что затрудняет злоумышленное прослеживание действий абонента.

4. TMSI состоит из 4 байтов (8 16-ричных чисел) и определяется оператором.

 

MSRN означает Mobile Subscriber Roaming Number

HON расшифровывается как Hand-over Number

MSRN это не настоящий номер абонента. По запросу из HLR VLR назначает MSRN. Затем MSRN передается в HLR. HLR передает MSRN в MSC из которого производится звонок. MSRN используется для маршрутизации к тому MSC, в зоне действия которого сейчас находится мобильная станция. После установления соединения MSRN освобождается для использования в установлении других соединений.

В течении Handover, например, при переходе MS из зоны обслуживания одной MSC в зону обслуживания другой, принимающая MSC запросит у VLR передающей MSC HON (handoff number), который будет использован при установлении соединения.

Как правило, MSRN и HON используют один план нумерации.

MSRN/HON имеют следующий формат CC+NDC+индивидуальный номер. CC и NDC те же что и в MSISDN. Отдельные номера берутся из диапазона номеро выделенного специально под MSRN/HON. На самом деле MSRN/HON включает в себя номер MSC несколько дополнительных знаков.

 

LAI – Location Area Identification - означает идентификатор локальной зоны. LAI - международный код локальной зоны.

Каждый VLR контролирует несколько LAI и когда мобильная станция переходит из одной LAI к другой, происходиит обновление номера LAI в базе данных VLR. Когда абонент переходит из зоны конторлируемой одим VLR в зону другого VLR обновляется адресная информация в HLR.

Формат LAI показан на этом рисунке.

MCC - Mobile Country Code, состоящий из 3-х знаков.

Например: MCC Китая "460"

MNC - Mobile Network Code, состоит из 2-х знаков.

Например: MNC для China Mobile будет"00"

LAC - Location Area Code. Состоит из 2-х байтов BCD кода (hex).

Значения 0000 и FFFF не используются.

Пример: LAI: 460-00-0011

 

CGI расшифровывается как Cell Global Identification (Глобальный идентификатор соты). CGI уникальный международный идентификатор соты.

Он имеет формат LAI+CI, где

LAI - Location Area Identification

CI - Cell Identity (идентификатор соты). Этот код использует 2 байта BCD кода (hex) для идентификации соты внутри LAI.

Пример CGI: 460-00-0011-0001

 

RSZI расшифровывается как Regional Subscription Zone Identity – Идентификатор региональной зоны. Используется оператором для ограничения мобильности абонента при роуминге.

На рисунке показан формат RSZI.

CC и NDC те же что и в MSISDN.

ZC (Zone Code): вводятся оператором и хранятся в VLR.

 

BSIC расшифровывается как Base Station Identification Color Code (Идентиффикационный цветовой код базовой станции).

Структура BSIC показана на рисунке.

NCC----PLMN цветовой код сети. Он состоит из 3 бит и позволяет различать различные PLMN.

BCC----BTS color code (цветовой код BTS). Состоит из 3 бит. Позволяет различать каналы соседних сот работающе на разных радиочастотах.

Каналы радиоинтерфейса

 

 

В радиоинтерфейсе используются каналы двух типов: физические и логические. Физические каналы это среда, внутри которой распространяется сигнал. В наземном интерфейсе это может быть кабель. Логическим каналом называется информация, передаваемая по физическому каналу.

Сначала будут описаны физические каналы.

Одна радиочастота в GSM может одновременно обслуживать до 8 абонентов. На рисунке показано как это достигается. Каждый канал занимает частоту одну восьмую всего времени. Эта технология называется Множественный Доступ с Временным Разделением каналов (Time Division Multiple Access - TDMA). Время разделено на дискретные промежутки называемые тайм слотами. Тайм слоты упорядочены по времени и имеют номера с 0 по 7. Каждый повтор такой последовательности называется кадром TDMA.

Каждый мобильный телефон занимает один таймслот (0-7) внутри кадра до момента окончания разговора или перехода на другой канал. TDMA кадр встроен в структуру более высокого порядка, в соответствии с типом канала. Позднее будет описано, как передаваемая информация структурирована внутри кадра и мультикадра.

Информация, передаваемая внутри таймслота называется пакетом. Каждый пакет занимает предназначенный ему таймслот и организует единичный GSM физический канал.

 

 

 

Существует две основные группы логических каналов – каналы трафика и каналы управления.

Каналы трафика переносят голос или данные. Полноскоростной канал TCH/F имеет полную скорость передачи данных 22.8 кбит/сек. Приблизительная скорость передачи данных внутри TCH 13 кбит/сек, 9.6 кбит/сек, 4.8 кбит/сек, 2.4 кбит/сек.

Полускоростной канал TCH/H имеет скорость передачи инфорации 11.4 кбит/сек. Передача данных по этому каналу осуществляетсясос скоростью 4.8 и 2.4 кбит/сек.

Ниже перечислены различные типы каналов трафика:

TCH/FS Полноскоростной канал

TCH/HS Полускоростной канал

TCH/F9.6 Канал со скоростью передачи 9.6K кбит/сек

TCH/F4.8 Канал со скоростью передачи 4.8 кбит/сек

TCH/F2.4 Канал со скоростью передачи 2.4 кбит/сек

TCH/H4.8 Канал со скоростью передачи 4.8 кбит/сек

TCH/H2.4 Канал со скоростью передачи 2.4 кбит/сек

 

 

На рисунке приведены четыре основные группы контрольных каналов:

1. Broadcast Control Channel – BCCH (широковещательный канал)
2. Common Control Channel – CCCH (обобщенный канал управления)
3. Dedicated Control Channel - DCCH (выделенный канал управлеия)
4. Associated Control Channel – ACCH (совмещенный канал управления)

Совмещенные каналы управления используются для передачи сигнальной информации в процессе разговора.

 

 

BCCH передается BTS постоянно. Частота, используемая для передачи BCCH называется BCCH несущей. Информация передаваемая BCCH периодически просматривается (приблизительно раз в 30 секунд) просматривается мобильной станцией если она не выключена и не находится в процессе разговора. BCCH переносит следующую информацию:

1. Location Area identity (LAI)

2. Список соседних сот которые должны мониторится мобильной станцией

3. Список частот используемых в соте

4. Идентификатор соты

5. Индикатор контроля мощности

6. Поддержка DTX

7. Контроль доступа (Вызов спецслужб, call barring)

BCCH передается с постоянной мощностью которая измеряется мобильными станциями которые могут ее искать.

Frequency Correction Channel (FCCH) передается переодически, и может быть легче обнаружен мобильной станцией, чем SCH. Когда FCCH обнаружен, мобильный телефон подстраивает частоту. После этого она может обнаружить SCH канал, который содержит точную информацию по синхронизации.

Synchronization Channel (SCH) содержит информацию, позволяющую мобильной станции синхронизироваться с кадровой структурой TDMA. Так же в нем содержится следующая информация:

1. Номер кадра

2. Base Site Identity Code (BSIC)

Мобильная станция следит за информацией BCCH каналов соседних сот и сохраняет информацию о 6 сотах с наиболее сильным сигналом. Информация SCH каналов этих сот также отслеживается, что позволяет мобильной станции быстро перестроится при переходе в другую соту.

 

CCCH отвечает за передачу управляющей информации между мобильными станциями и BTS. Он используется во время установления соединения при исходящем вызове и при пейджинге.

Он состоит из следующих каналов:

· Random Access Control Channel (RACH) передается мобильной станцией, когда она пытается получить доступ к системе. Это происходит, когда мобильная станция инициирует звонок или при ответе на пейджинг.

· Paging Channel (PCH) передается BTS, когда она выходит на связь с мобильной станцией.

· Access Granted Control Channel (AGCH) – передается BTS. AGCH используется для назначениия ресурсов мобильной станции таких как Standalone Dedicated Control Channel (SDCCH).

· Cell Broadcast Channel (CBCH) – используется для передачи сообщений на все станции внутри соты. CBCH занимает время SDCCH.

Активный мобильный аппарат отслеживает BCCH и CCCH. CCCH будет передаваться на частоте BCCH.

 

Dedicated control channels (DCCH) назначается конкреному соединению для установления вызова, измерения или для handoff:

· Standalone Dedicated Control Channel (SDCCH) – поддержиивает передачу данных от мобильного аппарата втечение установления соединения. Также переносит информацию для call forwarding и короткие сообщения.

· Associated Control Channels – ACCH

Эти каналы могут быть совмещены как с SDCCH так и TCH.

 

Slow Associated Control Channel (SACCH) – передает информацию контроля мощности и синхронизации к подвижной станции и получает индикатор мощности (RSSI) и сообщение о качестве канала в направлении BTS.

Fast Associated Control Channel (FACCH) – передается вместо TCH. FACCH вытесняет TCH пакеты и вставляет вместо них свои. FACCH используется при аутентификации и при handover.

 

Описанные выше логические каналы различных типов группируются в так называемые комбинации каналов. Следующие четыре комбинации используются наиболее широко:

1. Full Rate Traffic Channel Combination - TCH8/FACCH + SACCH

2. Broadcast Channel Combination - BCCH + CCCH

3. Dedicated Channel Combination - SDCCH8 + SACCH8

4. Combined Channel Combination - BCCH + CCCH + SDCCH4 + SACCH4

Комбинация, используемая для полускоростных каналов здесь отсутствует и будет приведена позднее.

 

Сейчас будет описано соответствие между Комбинацией каналов и Таймслотами.

Комбинация каналов посылается по радиоинтерфейсу в выбранном таймслоте. Для некоторых комбинаций каналов могут использоваться любые таймслоты. Для других - строго определенные. Следующая таблица показывает соответствие между комбинациями каналов и таймслотами.

Комбинация каналов	Таймслоты
Traffic	Any time slot
Broadcast	0,2,4,6(0 must be used first)
Dedicated	Any time slot
Combined	0 only

 

На рисунке приведен пример.

В сотах малой емкости нулевой таймслот используется под комбинацию каналов, в то время как остальные каналы используются под трафик.

 

Этот рисунок показывает, как эти комбинации каналов могут быть расположены с TDMA структуре. Несколько логических каналов используют один таймслот по очереди. Последовательность устанавливается в соответствии соструктурой мультикадра.

На рисунке показано соответствие между таймслотами, TDMA кадрами и мультикадрами для каналов трафика. Каналы трафика используют структуру из 26 кадров в мультикадре.

 

Мультикадровая структура, используемая для каналов управления отличается от структуры используемой в каналах трафика. Соответствие между таймслотами, TDMA кадрами и мультикадрами для контрольных каналов показано на рисунке.

 

 

На этом рисунке показана структура, содержащая 26 кадров в мультикадре, которая используется для передачи комбинации каналов трафика (TCH / SACCH / FACCH). Обратите внимание на то, что FACCH не показан на рисунке так как он не имеет собственного таймслота.

FACCH использует время TCH, когда это необходимо.

13-тый кадр используется SACCH (Slow Associated Control Channel), который переносит кинтрольную информацию как к, так и от мобильной станции. Также следует обратить внимание на то, что 26 кадр не задействован и используется только в случае применения полускоростных каналов.

 

Структура из 51 кадра, которая используется для контрольных каналов, сложнее чем структура из 26 кадров используемая для каналов трафика. Она может иметь несколько форм в зависимости от типа контрольных каналов и требований оператора.

На рисунке приведен пример.

В нисходящем направлении (от BSS к MS) таймслот используется совместно логическими каналами нескольких типов. Некоторые из этих каналов используются часто (как, например, SCH и FCCH), в то время как другие редко (например, BCCH).

В восходящем направлении (от MS к BSS), все таймслоты заняты RACH потому, что RACH единственный контрольный канал в BCCH/CCCH группе, который используется в этом направлении.

 

На рисунке показана структура с 51 кадром с 8 SDCCH. Так как при этом осуществляется повторение мультифрейма, то более логично говорить о 102 кадровой структуре. Эта структура может передаваться в любом таймслоте.

Обратите внимание на то, что 8 SACCH соответствует 8 SDCCH. Следует помнить, что каждому SDCCH соответствует SACCH, как и канал трафика.

 

На рисунке показано как из 51 кадра канала управления формируется мультикадр. В этой конфигурации BCCH и SDCCH используют один таймслот, это означает, что каждый логический канал занимает меньше времени, чем это было бы в случае, если бы использовалась другая конфигурация. При этом может поддерживаться меньше абонентов. Поэтому такая комбинация каналов используется в зонах с низкой плотностью трафика.

Так же как в SDCCH мультикадре производится два повторения мультифрейма состоящего из 51 кадра. Это дает нам 102 кадровую структуру.

 

В конце этой части представим описание Суперфрейма и Гиперфрейма.

Из предыдущего рисунка мы знаем, что мультикадр канала управления не является прямой комбинацией мультикадра трафика. Это не случайно. Из рисунка можно видеть, что каждый присвоенный кадру номер появляется одновременно только в обеих мультикадрах каждые 1326 TDMA кадров (26х51). Этот номер TDMA кадра называется "суперкадр", и его продолжительность 6.12 сек. Это определение означает, что нумерация мультикадра трафика находится в зависимости с нумерацией мультикадра каналов управления. Это позволяет мобильной станции "слушать" информацию BCCH каналов соседних сот.

Если два мультикадра были бы однотипными, таймслоты контрольных каналов постоянно скрывались бы таймслотами активных каналов трафика.

Гиперкадр состоит из 2048 суперкадров, он используются в связи с шифрованием и frequency hopping. Продолжительность гиперкадра составляет более 3 часов, после чего алгоритм шифрования и frequency hopping перезапускается.

Радиотехнологии

 

 

Ÿ

 

Известно, что существует три способа модуляции сигнала при передаче по радиоканалу:

1. Амплитудная модуляция (AM)

2. Частотная модуляция (FM)

3. Фазовая модуляция (PM)

Модуляция приводит к сдвигу частоты, амплитуды или фазы несущей пропорциональному величине передаваемого сигнала.

В GSM используется цифровой радиоинтерфейс. Это означает, что по радиоканалу передается цифровой сигнал. Для его передачи можно использовать любой способ модуляции, но при использовании фазовой модуляции достигается наилучшее отношение сигнала к шуму.

Так как использование фазовой модуляции не приводит к каким-либо трудностям, именно этот метод используется в GSM радиоинтерфейсе.

Фазовая модуляция в применении к передаче цифрового сигнала называется Phase Shift Keying.

 

Фазовая модуляция обеспечивает высокую помехоустойчивость. Однако, при ее использование возникают некоторые технические сложности. При резкой смене фазы сигнала возникают высокочастотные компоненты. Поэтому для передачи сигнала будет требоваться широкая спектральная полоса. Как было указано выше, под GSM выделена ограниченная полоса спектра, поэтому необходимо использовать имеющийся диапазон с максимальной эффективностью. По этой причине в радиоинтерфейсе GSM используются Гаусовая модуляция с минимальным сдвигом фазы Gaussian Shift Keying(GMSK). При использовании этого типа модуляции изменение фазы происходит не мгновенно. Это происходит втечение некоторого времени, благодаря чему высокочастотные компоненты подавляются. При использовании GMSK исходный цифровой сигнал пропускается через фильтр. Этот фильтр приводит к изменению формы сигнала, делая форму более сглаженной. Измененный сигнал используется для управления фазовым сдвигом.

 

 

 

Основным фактором, ограничивающим размер мобильного аппарата в GSM системе, является батарея. Батарея должна быть достаточно большой, чтобы поддерживать работу аппарата достаточное количество времени без перезарядки. Поэтому с ужесточением требований к аппаратам батареи должны также становиться меньше и легче.

Следующие особенности GSM влияют на время работы батареи.

1. Котроль излучаемой мощности.

2. Детектор голосовой активности - VAD

3. Непрерывная передача - DTX

4. Непрерывный прием - DRX

 

Контроль мощности - это особенность GSM радиоинтерфейса, которая позволяет не только компенсировать временную задержку связанную с распространением сигнала, но и так же регулировать излучаемую мощность мобильной станции и BTS. Это позволяет продлить время действия батареи и уменьшить межканальную интерференцию.

Восходящий и нисходящий линки контролируются отдельно и независимо.

Начальная мощность устанавливается по Broadcast Control Channel (BCCH) в конкретной соте.

BSS управляет мощностью передачи как мобильной станции так и BTS. Получаемая от мобильной станции мощность измеряется BSS. Мощность сигнала от BTS измеряется мобильной станцией и передается на BSS. В соответствии с результатми этих измерений регулируется мощность излучения мобильной станции и BTS.

 

Детектор голосовой активности - VAD механизм в соответствии с которым передатчик определяет отсутствие или наличие голоса.

При отсутствии голоса VAD приложение генерирует и передает шумоподобный сигнал на скорости 500 бит/cек что отличается от голосового сигнала на скорости 13 Кбит/сек. В результате в паузах на приемник поступает сигнал, который будет преобразован в “комфортный” шум.

Непрерывная передача - DTX повышает еффективность системы путем уменьшения уровня радиоинтерференции. Повышение эффективности происходит за счет того, что мобильная станция не передает избыточную информацию. DTX всегда используется во время разговора, но связанный с ней эффект наиболее заметен при звонке с мобильного телефона на мобильный. Использование DTX также приводит к экономии заряда батареи. Это происходит за счет того, что во время паузы мощность излучния уменьшается.

Для разных типов каналов могут использоваться DTX различных типов по выбору оператора.

 

Непрерывный прием (DRX) позволяет мобильной станнции эффективно отключаться на время, когда прием кажется необязательнным. При включении мобильной станции, она настраивается на частоту BCCH и прослушивает каналы BCCH, FCCH и SCH для того чтобы синхронизироваться. После этого мобильная станция включает приемник только в те моменты времени в которые передается предназначенная ей информация (BCCH, CCCH). Это позволяет сэкономить заряд батареи.

 

 

Многолучевое замирание связано с тем, что сигнал между приемником и передатчиком распространяется по нескольким путям одновременно. Это связано с отражением сигнала от объектов, взаимодейсвием сигнала с неоднородностями атмосферы (например, слоями атмосферы с разной температурой или влажностью).

Сигналы от разных лучей придут на вход приемника в разные моменты времени с и разными фазами. Если антенна приемника перемещается, фаза каждого луча также изменяется, в результате чего изменяется результирующий сигнал на входе приемника. В GSM используются различные механизмы, позволяющие бороться с замираниями. Ниже будут описаны механизмы, имеющие название Diversity и Frequency Hopping.

Сигналы приходят на антенну по разным путям. Поэтому они имеют на входе разную фазу, величину, и сдвинуты друг относительно друга по времени. Сложение сигнала от разных лучей может привести как к усилению, так и к ослаблению результирующего сигнала.

При использовании механизма Diversity приемник использует две антенны. Они расположены на расстоянии в несколько длин волн, чтобы сигналы, снимаемые с них не были коррелированы. Сигнал с этих антенн комбинируется таким образом, чтобы увеличить мощность результирующего сигнала.

.

 

Если используется Frequency hopping (Скачки частоты), то BTS и мобильная станция меняют частоту при передаче каждого нового кадра. Этот механизм повышает степень защиты в GSM системе, кроме того уменьшает эффект, связанный с многолучевым распространенем.

При Frequency hopping используется определенная заранее последовательность частот, которая хранится в таблице 'frequency hopping table'.

Необходимо обратить внимание на то, что BCCH работает на одной частоте и не участвует в Frequency hopping, в противном случае мобильная станция не сможет его обнаружить. Существует два метода Frequency hopping, называемые Synthesizer Hopping и Baseband Hopping. Оба метода используют технологию медленных скачков частоты. Частота изменяется при каждой передаче нового кадра.

При Synthesizer Hopping передатчик изменяет частоту передачи между посылками таймслотьов. При использовании Baseband Hopping переключаются посылаемые данные между передатчиками, которые работают на постоянной частоте. При этом количество используемых в hopping частот ограничивается имеющимся количеством передатчиков.

Тенденции развиттия

 

 

 

В настоящее время рынок мобильных коммуникаций быстро расширяется. GSM является лидером на этом рынке. Постоянно увеличивается как количество абонетов GSM, так и процентная доля абонентов GSM среди всех мобильных абонентов.

По всем прогнозам GSM останется лидером рынка в ближайшие несколько лет.

На этом рисунке можно увидеть рост абонентской базы GSM в мире. В 2000 году количество абонентов превысило 200 млн. В 2001 оно достигло 300 млн.

 

 

Очевидно, что направления развития технологий связаны с требованиями рынка. Раньше услуги передачи голоса и стандартные услуги удовлетворяли потребности большинства клиентов. В настоящее время большинству клиентов требуются более разнообразные услуги. Как пример, можно привести быстрый рост спроса на услугу передачи данных. Интернет появился достаточно давно, однако сейчас ежедневный доступ в интернет становится для людей необходимостью. Рисунок, приведенный выше, иллюстрирует тенденции развития потребностей абонентов.

 

 

Рост спроса на услуги передачи данных происходит не только в сетях фиксированной связи. Он также касается мобильных сетей. Все большее и большее число абонентов использует мобильные аппараты для доступа в интернет. Пока число таких абонентов растет медленнее, чем в фиксированных сетях. Однако это показывает направление развития мобильных коммуникаций. Удовлетворить возникающие потребности – задача производителей мобильного оборудования и операторов.

 

 

 

Потребности рынка привели к появлению систем третьего поколения. GSM и DCS 1800 принадлежат ко второму поколению сотовых систем. В результате усовершенствований проведенных над системами второго поколения появилась технология GPRS, называемая поколением 2.5. Она обеспечивает пакетную передачу данных на скорости до 115 Кбит/сек.

Разрабатываемое третье поколение (3G) должно поддерживать широкий диапазон телекоммуникационных услуг и обеспечивать высокую скорость передачи данных.

Третье поколение будет базироваться на GSM. Максимальная скорость передачи данных будет достигать 2Мбит/сек.

 

Заключение:

Содержание этого курса состоит из семи частей:

 

Часть 1 описывает принципы построения сотовых сетей. Здесь обсуждаются понятия соты и спектрального диапазона используемые в сотовых системах.

 

Часть 2 дает детальное описание компонентов сети GSM и их функций.

 

Часть 3 описывает зоны обслуживания и планы нумерации в сетях GSM.

 

Часть 4 посвящена наземным интерфейсам, используемым в GSM.

 

Часть 5 дает детальное описание каналов и радиоинтерфейса.

 

Часть 6 описывает радиоинтерфейс. Здесь основные концепции и радиотехнологии.

 

Часть 7 коротко описывает тенденции развития мобильных коммуникаций.

 

Спасибо за внимание!