Что такое GSM в телефоне и что это значит?

Как вы знаете, информация, передаваемая в цифровом виде, должна обязательно соответствовать определенному стандарту для того, чтобы процессорное оборудование, составляющее беспроводную сеть, могло ее принимать и передавать, не искажая смысл.

Одним из таких стандартов является GSM – наиболее распространенная в мире система представления сигнала для мобильных телефонов. Это сетевой стандарт уровня 2G – второго поколения беспроводной связи. Первое поколение в основном состояло из аналоговых мобильных телефонов, которые достаточно быстро были вытеснены цифровым стандартом GSM.

Что такое GSM?

Цифровой стандарт GSM был разработан в Европе в 80-х годах для того, чтобы унифицировать системы связи всех европейских стран. До этого каждое государство создавало свою отдельную систему, которая не сопрягалась по своим параметрам даже с системами соседей.

В итоге потребитель не мог с одним и тем же телефоном свободно путешествовать, оставаясь на связи, а рынок мобильных телефонов не мог развиваться, так как каждая компания была ограничена территорией своего государства.

Поэтому в 80-х годах были разработаны основные принципы и параметры единой беспроводной сети, которая получила название GSM – Groupe Special Mobile, позже переименованной в Global System for Mobile Communications.

В соответствии с нею все мобильные телефоны могут поддерживать четыре рабочих частоты: 850, 900, 1800 и 1900 МГц – по отдельности или вместе. Подавляющее большинство современных телефонов, работающих на территории России, являются двухдиапазонными – работают на частотах 900 и 1800 МГц, принятых на территории Европы, Азии и Африки.

Трех- и четырехдиапазонные аппараты позволяют без смены телефона путешествовать в Австралию и обе Америки. Но все они работают в цифровом стандарте GSM.

Преимущества стандарта GSM

В 90-х годах телефонные сети стандарта GSM конкурировали с рядом других цифровых и аналоговых стандартов, однако в конце концов практически все они были вытеснены с рынка, на котором техника GSM занимает сегодня господствующее положение. Это случилось благодаря тому, что:

— цифровая техника в стандарте GSM позволяет изготавливать телефонные аппараты небольшого и даже миниатюрного размера, легкие и удобные в пользовании, тогда как большинство других стандартов, основанных на использовании аналогового представления информации, не допускали существенного уменьшения размеров телефонов;

— благодаря небольшим размерам телефоны стандарта GSM могли предложить широкий набор дополнительных функций, от фонарика и калькулятора до видеокамеры, mp3-проигрывателя, диктофона и т.д.;

— связь в стандарте GSM отличается низким уровнем помех и превосходным качеством звука;

— меньшее по сравнению с другими стандартами количество базовых станций на единицу площади, большее количество одновременных соединений, т.е. более дешевая и доступная связь;

— разговоры и смс сообщения мобильного стандарта GSM защищены от прослушивания благодаря системе кодирования с разделяемыми ключами, затрудняющей дешифрацию;

— компании, работающие в GSM стандарте, смогли быстро предложить потребителям широкую зону покрытия, а также надежный и качественный роуминг при переходе из зоны действия одной сети в другую.

Все это послужило причинами успеха стандарта GSM, который начал действовать в Европе с 1991 года, а затем распространился и по всему миру.

Сегодня GSM поддерживают более 110 государств мира на всех континентах планеты. Если вы покупаете телефон, в характеристиках которого написано «поддержка GSM 900/1800», это значит, что он будет работать на территории всей России и всей Европы, Африки и Азии.

2G. GSM — Global System for Mobile Communications

Стандарты сотовой связи второго поколения нашли широкое распространение не только на территории России, но и в других странах. Самым известным стандартом 2G является GSM (Global System for Mobile Communications — Глобальная система мобильной связи). 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.

Разработка стандарта GSM началась еще в 1982 году организацией по стандартизации CEPT (European Conference of Postal and Telecommunications Administrations) . В 1991 году в Финляндии была введена в эксплуатацию первая в мире сеть GSM. Уже к концу 1993 года число абонентов, использующих этот стандарт, перевалило за миллион. К этому времени сети GSM были развернуты в 73 странах мира.

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:

    Структура 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. NSS включает 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.

    Теперь рассмотрим перечисленные элементы более подробно:

    Состав системы коммутации NSS

    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.

    Элементы сети относящиеся к пакетной передаче данных

    Узел обслуживания абонентов GPRS (SGSN)

    Пакетные данные в отличии от голосового трафика передаются от подсистемы базовых станций не в сторону MSC, а в сторону SGSN. Этот элемент представляет собой маршрутизатор с раширенными 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.

    Термин WCDMA preferred можно расшифровать как Wideband Code Division Multiple Access, в переводе – множественный широкополосный доступ с разделением по коду. Прежде всего этот стандарт был создан в качестве надстройки для GSM сетей, которая работает в другом диапазоне частот (1900 – 2100 MHz, вместо 800 – 1900 MHz).

    WCDMA базируется на технологии DS-CDMA, которая является прямой наследницей TDMA используемой в GSM. Среди преимуществ новой технологии – лучшая устойчивость к помехам и увеличенная пропускная способность. Смартфоны, работающие в среде WCMDA с легкостью выполняют те же задачи, что и в GSM, но скоростные и качественные показатели становятся намного выше.

    Одновременно с этим технология была оптимизирована под обеспечение доступа к интернету на высокой скорости (от 384 Килобит до 2 Мегабит в секунду). Данной скорости достаточно для просмотра видеороликов, организации видеосвязи и комфортной работы в интернете. Именно этот стандарт и используется большинством телекоммуникационных операторов для предоставления услуг 3G-интернета.

    Главным недостатком WCDMA в телефоне является высокое энергопотребление. Связано это, в большинстве случаев с тем, что устройствам приходится искать вышки с 3G-антеннами и выбирать среди них лучшие варианты, чтобы обеспечивать высокую скорость соединения и бесперебойную связь.

    Что такое GSM

    GSM – это сотовая связь второго поколения (2G). Однако, это совсем не значит, что она устарела. Groupe Spécial Mobile является основой основ, именно по таким сетям звонили еще 10, даже 15 лет назад. Работает этот стандарт в четырех основных частотах, которые поддерживаются большинством современных моделей смартфонов: 850, 900, 1800 и 1900 MHz.

    Такая сеть лучше всего оптимизирована на получение и отправку голосовых звонков и сообщений. Для передачи данных была создана особая надстройка, называемая GPRS – самый первый протокол, позволяющий использовать интернет на мобильном телефоне. Максимально достижимая скорость соединения с использованием этого вида подключения – 171 Кбит/с. Не так давно был введен улучшенный вид надстройки – EDGE, в котором удалось достичь скорости в 474 Килобит в секунду.

    Несмотря на то, что скорость соединения не является его сильной стороной, у него есть явный плюс. При использовании GSM снижается энергопотребление смартфона. Это очень помогает в случаях, когда нет возможности заряжать устройство на протяжении долгого времени.

    Что выбрать

    Оба стандарта предоставляют доступ к сети интернет, но происходит это на очень различной скорости. При выборе стоит обращать внимание на следующее:

    1. Поддержка частот (850, 900, 1800 и 1900 MHz) на используемом устройстве.
    2. Определить оператора, который имеет наибольшее покрытие WCDMA, во избежание частых потерь соединения.
    3. Сделать выбор между стандартами в зависимости от ежедневных потребностей. Если на устройстве не будет использоваться высокоскоростной интернет – рекомендуется использовать режим сети GSM. Если часто используются видео-звонки – соответственно следует использовать WCDMA.
    4. В конце концов, никто не запретит использовать попеременно оба стандарта. Современные смартфоны обладают возможностью смены типа сети. Найти такую функцию можно в настройках мобильной сети или в инженерном меню, в зависимости от производителя устройства. В смартфонах можно встретить настройки WCDMA only или GSM only. Это означает, что телефон будет использовать только заданную сеть и не будет автоматически переключаться.

    >10. Система сотовой связи стандарта GSM

    Мобильные системы связи

    Спектр частот

    Спектр частот представлен на рисунке 6.10.

    Основные характеристики стандарта GSM:

    • частоты передачи мобильной (МС) и приема базовой станции (БС) 890-915 МГц;
    • частоты приема мобильной и передачи БС 935-960 МГц;
    • ширина полосы одного канала Dfk=200 кГц;
    • ширина полосы системы 50 МГц;
    • максимальное количество радиоканалов – 124;
    • максимальное количество радиоканалов в БС — 16-20;
    • количество речевых каналов на несущей — 8;
    • алгоритм преобразований речи – RPE-LTP;
    • скорость преобразования речи – 13 Кбит/с;
    • скорость передачи информации – 270 Кбит/с;
    • вид модуляции – 0,3 GMSK;
    • радиус соты –5-35 км;
    • мощность передачи: БС — 44 Вт (13 дБ*Вт), МС – 1 Вт (3 дБ*Вт).

    Рисунок 6.10. Дуплексный разнос частот передачи и приема

    Обработка речи в данном стандарте осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи DTX (Discontinuous Transmission), которая обеспечивает включение передатчика только тогда, когда пользователь начинает разговор и отключает его в паузах и в конце разговора. Система DTX управляет детектором активности речи VAD (Voice Activity Detector), который обеспечивает обнаружение и выделение интервалов речи с шумом и без шума речи даже в тех случаях, когда уровень шума соизмерим с уровнем речи.

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

    Для борьбы с интерференционными замираниями принимаемых сигналов, вызванные многолучевым распространением радиоволн в условиях города, в аппаратуре связи используется эквалайзеры, обеспечивающие выравнивание импульсных сигналов со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16 мкс. Система синхронизации оборудования рассчитана на компенсацию (до 233 мкс) абсолютного времени задержки. Это соответствует максимальной дальности связи 35 км (максимальный радиус соты).

    Для модуляции радиосигнала применяется спектрально-эффективная гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом. Формирование GMSK-радиосигнала происходит таким образом, что на интервале, соответствующем одному биту, фаза несущей изменяется на 90º. Это наименьшее изменение фазы, которое может быть обнаружено при данном типе манипуляции.

    Виды интерфейсов

    В переводной литературе приняты следующие обозначения: MS — подвижная станция; BTS — базовая станция; BSC — контроллер базовой станции; TCE — транскодер; ВSS — оборудование базовой станции (BSC+TCE+BTS); MSC — центр коммутации подвижной связи; HLR — регистр положения; VLR — регистр перемещения; AUC — центр аутентификации; EIR— регистр идентификации оборудования; OMC — центр управления и обслуживания; NMC — центр управления сетью; ADC — административный центр; PSTN — телефонная сеть общего пользования; PDN— сети пакетной передачи; ISDN — цифровые сети с интеграцией служб.

    Интерфейсы обеспечивают функциональное сопряжение элементов системы:

    а) с внешними сетями:

    • соединение с PSTN –осуществляется по линиям связи 2 Мб/с;
    • соединение с ISDN-предусматривает 4 линии связи 2 Мб/с;
    • соединение с сетью NMT-450 через 4 линии связи 2 Мб/с;

    б) Внутренние интерфейсы:

    • интерфейс между BSC и BTS (A-lis интерфейс с 64 Кб/с);
    • между MSC и BSS (A-интерфейс);
    • между MSC и HLR совмещен с VLR (B-интерфейс);
    • между MSC и HLR (C-интерфейс);
    • между HLR и VLR (D-интерфейс);
    • между MSC (E-интерфейс);
    • между BSC и OMC (O- интерфейс);
    • между MS и BTS (Um-радиоинтерфейс);

    Физические и логические каналы

    На одной несущей организуется 8 физических каналов, размещенных в 8 временных окнах, в пределах TDMA-кадра каждый физический канал использует одно и тоже временное окно в каждом временном TDMA- кадре и в нем содержится 114 бит.

    Сообщение и данные группируются в логические каналы до формирования физического канала.

    Логические каналы бывают 2-х типов:

    • каналы связи для передачи речи и данных в цифровой форме TCH.
    • каналы управления для передачи сигналов управления и синхронизации (CCH-каналы, таблица 6.7).

    В GSM различают каналы для передачи речи и данных:

    • TCH/F — канал передачи сообщений с полной скоростью 22,8 Кбит/с;
    • TCH/H – полускоростной канал передачи сообщений со скоростью 11,4 Кбит/с.

    Таблица 6.7. Каналы управления и синхронизации


    BCCH

    CCCH

    SDCCH

    ACCH

    Канал для передачи сигналов управления

    Общие каналы управления

    Индивидуальный канал управления

    Совмещенный канал управления

    FSSH – канал подстройки несущей частоты fBS

    MSCCH — канал временной синхронизации и опознавания BS.

    BCCH – канал управления передачей BS — MS.

    PSH — канал вызова BS — MS

    RACH — канал параллельного доступа BS — MS (для запроса о назначении индивидуального канала управления).

    AGSH — канал разрушенного доступа BS- MS (для прямого доступа к каналу)

    SDCCH/4

    SDCCH/8

    Состоит из 4 (8) подканалов. По ним идет запрос от MS о требуемом виде обслуживания BS- MS.

    FACCH — быстрый совмещенный канал используется для передачи команд при хендовере

    SACCH – медленный – используется в прямом канале для передачи команды на установку выходного уровня мощности передатчика MS

    Процесс преобразования сигналов в мобильной станции

    Преобразование речи

    Формирование сигналов начинается с процесса преобразования речевого сигнала в цифровую форму.

    Процедура преобразования происходит в речевом кодере. Для стандарта GSM выбран речевой кодер RPE-LTP (кодер с регулярным импульсным возбуждением и линейным кодированием с предсказанием) с долговременным прогнозирующим устройством от MPE-LTP кодером, что позволило снизить скорость передачи до 13 Кбит/с (с 14,77 Кбит/с).

    Уменьшение скорости до 13 Кбит/с достигается тремя этапами:

    • линейным кодированием с предсказанием;
    • долговременным предсказанием;
    • регулярным импульсным возбуждением.

    Диапазон входных амплитуд разбивается на сегменты. Затем в процессе анализа вычисляются 8 коэффициентов r(i), которые представляются как уровни. Затем в процессе долговременного предсказания каждый сегмент выравнивается до уровня следующих друг за другом сегментов речи.

    Кодеры с линейным предсказанием извлекают существенные для восприятия характеристики речи непосредственно из временной формы сигнала. Такой кодер анализирует речевой сигнал для получения меняющейся во времени модели возбуждения речи образующего тракта.

    Восемь коэффициентов r(i) кодируются и передаются со скоростью 3,6 Кбит/с, периодическая последовательность фрагментов передается со скоростью 9,4 Кбит/с. Общая скорость передачи составляет 3,6 + 9,4 Кбит/с. Таким образом, обработка речи производится по кадрам длительностью 20 мс. За время кадра при анализе вычисляются 93 значения параметров, которые передаются каждые 20 мс цифровым потоком со скоростью 13 Кбит/с.

    Кодер распознает при анализе речи различные звуки речи и передает с генератора синусоидальный сигнал во всем диапазоне речевых частот.

    В речевом декодере сигнал восстанавливается по откликам последовательности регулярного импульсного возбуждения.

    Система DTX управляет детектором активности речи VAD (Voice Activity Detector), который обеспечивает обнаружение и выделение интервалов речи с шумом и шума без речи, даже в тех случаях, когда уровень шума соизмерим с уровнем речи, рисунок 6.11.

    декодер

    Рисунок 6.11. Структурная схема процессов обработки речи в стандарте GSM.

    Канальное кодирование

    Речевой кодер передает каждые 260 бит информационной последовательности со скоростью v = 13 Кбит/с на схему канального кодирования. Первые 182 бита этого кадра (биты 1-го класса) защищаются с помощью блочного кода. Для этого биты 1-го класса разделяются дополнительно на 50 бит класса 1а и 132 бита класса 1б, рисунок 6.12.

    Рисунок 6.12. Структура формирования сигнала

    Блочный код представляет собой систематический циклический код (53,50).

    В соответствии с принятым правилом формирования системного кода, ключ SW закрыт на время первых 50 тактовых импульсов, а информационные биты, поступающие на вход кодирующего устройства, одновременно поступают на блок переупорядочения и формирования 3 бит проверки на четность, рисунок 9.11.

    После 50 тактовых импульсов переключатель SW срабатывает, и биты проверки на четность поступают из кодирующего устройства.

    Рисунок 9.11. Структурная схема циклического кодера.

    Рисунок 9.12. Структура формирования сигнала.

    Далее проводится первый шаг перемежения: биты с четными индексами собираются в первой части информационного слова, затем идут 3 бита проверки на четность, затем собираются биты с нечетными индексами и переставляются. Затем следуют 4 нулевых бита, которые нужны для формирования кода, исправляющего случайные ошибки в канале, рисунок 9.13.

    Рисунок 9.13. Структура формирования сигнала.

    Затем 189 бит кодируются сверточным кодом. Сверточный код является непрерывным. В основу положен принцип формирования проверочных разрядов путем суммирования по модулю «2» каждого информационного разряда с некоторым набором предыдущих разрядов. К информационному разряду добавляются 2 проверочных, полученных в процессе формирования, рисунок 9.14, таблица 9.2.

    Рисунок 9.14. Схема сверточного кодера

    Таблица 9.2

    Входная информация

    Содержимое ячеек

    1

    2

    3

    0

    0

    0

    0

    1

    1

    1

    0

    0

    0

    1

    1

    1

    1

    1

    1

    0

    0

    1

    0

    После сверточного кодирования общая длина кадра составит 456 бит, рисунок 9.15.

    Рисунок 9.15 — Структура формирования сигнала

    После этого кадр из 456 бит делится на восемь 57-битовых подблоков, рисунок 9.16 .

    B0

    B1

    B2

    B3

    B4

    B5

    B6

    B7

    Рисунок 9.16 – Структура формирования сигнала.

    Затем подблоки подвергаются диагональному и внутрикадровому перемежению, разбиваются на пакеты и пакеты перемежаются.

    Формирование TDMA-кадра

    В результате этих преобразований каждый отсчет уровня исходного аналогового сигнала представляется в виде зашифрованного сообщения, состоящего из 114 бит – двух самостоятельных блоков по 57 бит, рисунок 3.14, разделенных между собой эталонной (обучающей) последовательностью 26 бит. При приеме этой последовательности определяется характер искажений в тракте распространения сигнала, и характеристики приемника формируются уже применительно к конкретным условиям работы в данный момент времени.

    По обучающей последовательности производят настройку эквалайзера. Временной интервал пакета имеет длительность 0,577 мс. В его состав кроме двух блоков по 57 бит и обучающей последовательности включается:

    • 2 концевых комбинации TB (Tail Bits) по 3 бита каждая;
    • 2 контрольных бита, разделяющих зашифрованные биты сообщения;
    • защитный интервал GP (Guard Period) длительностью, равной времени передачи 8,25 бита.

    Это означает, что интервал NB содержит 156,25 бит, а длительность одного бита составляет 3,69 мкс.

    Рисунок 3.14. Структура формирования сигнала.

    Каждый интервал кадра обозначается от 0 до 7, т.е. в одном кадре одновременно могут передаваться 8 речевых каналов. Физический смысл временных интервалов, которые иначе называются окнами, — это время, в течение которого осуществляется модуляция несущей цифровым информационным потоком соответствующим речевому сообщению или данным.

    Цифровой информационный поток представляет собой последовательность пакетов, размещаемых в этих временных интервалах (окнах). Пакеты формируются немного короче, чем интервалы, их длительность составляет 0,546 мс, что необходимо для приема сообщения при наличии временной дисперсии в канале распространения. Общая длительность одного TDMA-кадра составляет 4,615 мс.

    В общем виде временная диаграмма процесса передачи выглядит следующим образом, рисунок 3.15.

    Для передачи информации по каналам управления и связи, подстройки несущих частот, обеспечения временной синхронизации и доступа к каналу связи используются пять видов временных интервалов (окон):

    • NB (Normal Burst) — нормальный временной интервал;
    • FB (Frequency correction Burst) — временной интервал подстройки частоты;
    • SB (Synchronisation Burst) — интервал временной синхронизации;
    • DB (Dummy Burst) — установочный интервал;


    АВ (Access Burst) — интервал доступа.

    Рисунок 3.15. Структура кадров сигнала в стандарте GSM.

    При передаче по одному разговорному каналу в стандарте GSM используется нормальный временной интервал NB (пакет) длительностью 0,577 мс, который включает в себя:

    • 114 бит зашифрованного сообщения;
    • две концевых комбинации ТВ (Tail Bits) по 3 бита каждая;
    • два контрольных бита, разделяющих зашифрованные биты сообщения и эталонную последовательность;
    • защитный интервал GP (Guard Period) длительностью, равной времени передачи 8,25 бита.

    Это означает, что интервал NB содержит 156,25 бит, а длительность одного бита составляет 3,69 мкс.

    Временной интервал подстройки частоты содержит 142 нулевых бита, две концевых комбинации ТВ и защитный интервал. Повторяющиеся временные интервалы подстройки частоты образуют канал установки частоты (FCCH). Интервал временной синхронизации SB используется в подвижной станции для синхронизации работы аппаратуры. Он состоит из синхропоследовательности длиной 64 бита и двух зашифрованных блоков (по 39 бит каждый), несущих информацию о номере TDMA-кадра и идентификационном коде базовой станции. Этот интервал передается вместе с интервалом установки частоты. Повторяющиеся интервалы синхронизации образуют так называемый канал синхронизации (SCH).

    Установочный интервал DB обеспечивает установление и тестирование канала связи. По своей структуре установочный интервал совпадает с нормальным временным интервалом NB. Различие их состоит в том, что интервал DB содержит установочную последовательность длиной 26 бит и в нем отсутствуют контрольные биты. Интервал доступа АВ обеспечивает разрешение доступа подвижной станции к новой базовой станции, Он содержит большой защитный интервал GP длительностью 252 мкс (68,25 бита), две концевых комбинации ТВ (по 3 бита каждая), синхропоследовательность длиной 41 бит и 36 зашифрованных бит. Большой защитный интервал (252 мкс) обеспечивает возможность связи с подвижными абонентами в сотах радиусом до 35 км, поскольку он перекрывает время распространения радиосигнала в прямом и обратном направлениях, которое может составлять при этом до 233,3 мкс.

    Передача информации при временном разделении каналов осуществляется в составе TDMA- кадра. Каждый временной интервал этого кадра обозначается номером от 0 до 7, т. е. в одном кадре одновременно могут передаваться 8 речевых каналов. Физический смысл временных интервалов, которые иначе называются окнами, — это время, в течение которого осуществляется модуляция несущей цифровым информационным потоком, соответствующим речевому сообщению или данным. Цифровой информационный поток представляет собой последовательность пакетов, размещаемых в этих временных интервалах (окнах). Пакеты формируются немного короче, чем интервалы, их длительность составляет 0,546 мс, что необходимо для приема сообщения при наличии временной дисперсии в канале распространения. Общая длительность одного TDMA-кадра составляет 4,615 мс. Из ТDМА-кадров составляются мультикадры. Для организации различных каналов связи и управления в стандарте GSM используются два вида мультикадров:

    • состоящие из 26 TDMA-кадров;
    • состоящие из 51 ТDМА-кадра.

    Длительность одного мультикадра первого вида равна 120 мс, второго — 235,385 мс. Из 51 мультикадра первого вида (по 26 кадров) или из 26 мультикадров второго вида (по 51 кадру) составляется суперкадр длительностью 6, 12 с (1326 ТОМА- кадров). 2048 суперкадров составляют 1 гиперкадр, содержащий 2715648 TDMA- кадров, Длительность 1 гиперкадра составляет 3 ч 28 мин 53 с 760 мс. Необходимость такой большой длительности гиперкадра обусловлена требованиями применяемого процесса криптографической защиты, в котором номер кадра используется как входной параметр шифрования. Однако даже без дополнительного шифрования прослушивать разговоры практически невозможно.

    Одной из особенностей формирования сигналов в стандарте GSM является использование медленных скачков по частоте в процессе сеанса связи – SFH (Slow Frequency Hopping). Главное назначение таких скачков – обеспечение частотного разнесения в радиоканалах, функционирующих в условиях многолучевого распространения радиоволн. Медленные скачки частоты используются во всех подвижных сетях, что повышает эффективность кодирования и перемежения при медленном движении абонентских станций.

    Принцип формирования медленных скачков по частоте состоит в том, что сообщение, передаваемое в выделенном абоненту временном интервале TDMA-кадра 0,577 мс, в каждом последующем кадре передается (принимается) на новой фиксированной частоте, рисунок 3.16. В соответствии со структурой кадров, время для перестройки частоты составляет около 1 мс.

    В процессе скачков по частоте постоянно сохраняется разнос 45 МГц между каналами приема и передачи. Всем активным абонентам, находящимся в одной соте, ставятся в соответствие непересекающиеся последовательности переключения частот, что исключает взаимные помехи при приеме сообщений абонентами. Параметры последовательности переключений частот (частотно-временная матрица и начальная частота) назначаются для каждой подвижной станции в процессе установления канала связи.

    Рисунок 3.16. Принципы формирования медленных скачков по частоте

    Шифрование

    Далее сигнал подвергается шифрованию сообщения по алгоритму шифрования с открытым ключом (RSA) для обеспечения безопасности передачи сообщений.

    Алгоритм шифрования с открытым ключом RSA заключается в том, что каждое сообщение М разбивается на блоки фиксированной длины, и каждый блок кодируется как совокупность фиксированного числа цифр. Такой алгоритм обеспечивает высокую степень безопасности при передаче речи и исключает возможность извлечения информации из канала связи кому-либо, кроме санкционированного пользователя. На приеме сообщение расшифровывается в дешифраторе.

    Алгоритм ключа шифрования хранится в модуле SIM.

    Гауссовская частотная манипуляция (GMSK)

    В стандарте GSM выбрана гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом – GMSK. Индекс модуляции 0,3. GMSK представляет собой двоичную ЧМ с двумя соответствующими сигналу частотами, выбранными таким образом, чтобы на одном тактовом интервале между двумя частотами имелся фазовый сдвиг на 90°. Этот процесс показан на рисунках 3.17, 3.18.

    Рисунок 3.17. Принцип формирования GMSK-сигнала

    Рисунок 3.18. Формирование GMSK-сигнала

    Модуляцию GMSK характеризуют следующие свойства:

    • постоянная по уровню огибающая, позволяющая использовать передающие устройства с усилителями мощность класса С;
    • узкий спектр на выходе усилителя мощности передающего устройства обеспечивающий низкий уровень внеполосного излучения;
    • хорошая помехоустойчивость канала связи.

    Структурная схема сети стандарта GSM

    Оборудование сетей GSM (рисунок 3.19) включает в себя: подвижные радиотелефоны, базовые станции, цифровые коммутаторы, центр управления и обслуживания, дополнительные подсистемы и устройства. Функциональное сопряжение элементов системы осуществляется с помощью ряда интерфейсов.

    В рамках стандарта GSM приняты пять классов мобильных станций: от модели 1-го класса с выходной мощностью до 20 Вт, устанавливаемой на транспортных средствах, до модели 5-ro класса с максимальной выходной мощностью до 0,8 Вт (таблице 3.3). При передаче сообщений предусматривается адаптивная регулировка мощности передатчика, обеспечивающая требуемое качество связи. Подвижная и базовые станции независимы друг от друга.

    Таблица 3.3. Классификация подвижных станций

    Класс модели

    Максимальная мощность передатчика, Вт

    Допустимые отклонения, дБ

    1,5

    1,5

    1,5

    1,5

    0,8

    1,5

    Каждая подвижная станция имеет свой международный идентификационный номер (IMSI), записанный в ее памяти. Такой подход позволяет устанавливать радиотелефоны, например, в автомобилях, сдаваемых напрокат.

    Каждой подвижной станции присваивается еще один международный идентификационный номер IMEI, который используется для исключения доступа к сетям GSM с помощью похищенной станции или станции, не обладающей такими полномочиями.

    Оборудование подсистемы базовых станций состоит из контроллера базовых станций BSC и собственно базовых станций BTS. Один контроллер может управлять несколькими станциями. Он выполняет следующие функции: управляет распределением радиоканалов; контролирует соединения и регулирует их очередность; обеспечивает режим работы с «прыгающей» частотой, модуляцию и демодуляцию сигналов, кодирование и декодирование сообщений, кодирование речи, адаптацию скорости передачи речи, данных и сигналов вызова; определяет очередность передачи сообщений персонального вызова.

    Оборудование подсистемы коммутации состоит из центра коммутации подвижной связи MSC, регистра положения HLR, регистра перемещения VLR, центра аутентификации AUC и регистра идентификации оборудования EIR. Центр коммутации подвижной связи обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается подвижная станция в процессе своей работы. Он представляет собой интерфейс между сетью подвижной связи и фиксированными сетями, такими как телефонная сеть общего пользования PSTN, сети пакетной передачи PDN, цифровые сети с интеграцией служб ISDN, и обеспечивает маршрутизацию вызовов и функцию управления вызовами. Кроме этого, на MSC возлагаются функции коммутации радиоканалов, к которым относятся эстафетная передача, обеспечивающая непрерывность связи при перемещении подвижной станции из соты в соту, и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностей. Центр коммутации осуществляет постоянное слежение за подвижными станциями, используя регистры положения и перемещения. В регистре положения хранится та часть информации о местоположении какой-либо подвижной станции, которая позволяет центру коммутации доставить вызов. Этот регистр содержит международный идентификационный номер подвижного абонента (IMSI), который используется для опознавания подвижной станции в центре аутентификации (AUC), а также еще некоторые данные, необходимые для нормальной работы сети GSM.

    Регистр перемещения — это второе основное устройство, обеспечивающее контроль за передвижением подвижной станции из соты в соту. С его помощью достигается функционирование подвижной станции за пределами контролируемой регистром положения зоны. Когда в процессе перемещения подвижная станция переходит из зоны действия одного контроллера базовых станций в зону действия другого, то она регистрируется последним, т.е. в регистр перемещения заносится новая информация. Для сохранности данных, находящихся в регистрах положения и перемещения, в случае сбоев предусмотрена защита запоминающих устройств этих регистров.

    Мобильные системы связи

    Рубрики: IT

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *