Особенности сотовой системы подвижной связи стандарта GSM

 Каждая временная  позиция обозначается TN с номером  от 0 до 7. Физический смысл временных  позиций, которые иначе называются  окнами, - 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.   

 Информационное  сообщение передается по радиоканалу  со скоростью  270,833 кбит/с. Это означает, что временной интервал TDMA кадра содержит 156,25 бит.     Длительность одного информационного бита 576,9 мкс/156,25 = 3,69 мкс.   

 Каждый временной  интервал, соответствующий длительности  бита, обозначается BN с номером от 0 до 155; последнему интервалу длительностью 1/4 бита присвоен номер 156.   

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

Таблица 3

    NB используется  для передачи информации по  каналам связи и управления, за  исключением канала доступа RACH. Он состоит из 114 бит зашифрованного  сообщения и включает защитный  интервал (GP) в 8,25 бит длительностью  30,46 мкс. Информационный блок 114 бит разбит на два самостоятельных блока по 57 бит, разделенных между собой обучающей последовательностью в 26 бит, которая используется для установки эквалайзера в приемнике в соответствии с характеристиками канала связи в данный момент времени.    

 В состав NB включены два контрольных бита (Steeling Flag), которые служат признаком  того, содержит ли передаваемая  группа речевую информацию или  информацию сигнализации. В последнем  случае информационный канал  (Traffic Channel) "украден" для обеспечения сигнализации.   

 Между двумя  группами зашифрованных бит в  составе NB находится обучающая  последовательность из 26 бит, известная  в приемнике.   

 С помощью  этой последовательности обеспечивается:

• оценка частоты появления ошибок в двоичных разрядах по результатам сравнения принятой и эталонной последовательностей. В процессе сравнения вычисляется параметр RXQUAL, принятый для оценки качества связи. Конечно, речь идет только об оценке связи, а не о точных измерениях, так как проверяется только часть передаваемой информации. Параметр RXQUAL используется при вхождении в связь, при выполнении процедуры "эстафетной передачи" (Handover) и при оценке зоны покрытия радиосвязью;
• оценка импульсной характеристики радиоканала на интервале передачи NB для последующей коррекции тракта приема сигнала за счет использования адаптивного эквалайзера в тракте приема;
• определение задержек распространения сигнала между базовой и подвижной станциями для оценки дальности связи. Эта информация необходима для того, чтобы пакеты данных от разных подвижных станций не накладывались при приеме на базовой станции. Поэтому удаленные на большее расстояние подвижные станции должны передавать свои пакеты раньше станций, находящихся в непосредственной близости от базовой станции  

    FB предназначен  для синхронизации по частоте  подвижной станции. Все 142 бита  в этом временном интервале  - нулевые, что соответствует немодулированной  несущей со сдвигом 1625/24 кГц  выше номинального значения частоты  несущей. Это необходимо для  проверки работы своего передатчика и приемника при небольшом частотном разносе каналов (200 кГц), что составляет около 0,022% от номинального значения полосы частот 900 МГц. FB содержит защитный интервал 8,25 бит так же, как и нормальный временной интервал. Повторяющиеся временные интервалы подстройки частоты (FB) образуют канал установки частоты (FCCH).   

SB используется  для синхронизации по времени  базовой и подвижной станций.  Он состоит из синхропоследовательности  длительностью 64 бита, несет информацию  о номере TDMA кадра и идентификационный код базовой станции. Этот интервал передается вместе с интервалом установки частоты. Повторяющиеся интервалы синхронизации образуют так называемый канал синхронизации (SCH).   

DB обеспечивает  установление и тестирование  канала связи. По своей структуре DB совпадает с NB и содержит установочную последовательность длиной 26 бит. В DB отсутствуют контрольные биты и не передается никакой информации. DB лишь информирует о том, что передатчик функционирует.   

 АВ обеспечивает  разрешение доступа подвижной станции к новой базовой станции. АВ передается подвижной станцией при запросе канала сигнализации. Это первый передаваемый подвижной станцией пакет, следовательно, время прохождения сигнала еще не измерено. Поэтому пакет имеет специфическую структуру. Сначала передается концевая комбинация 8 бит, затем - последовательность синхронизации для базовой станции (41 бит), что позволяет базовой станции обеспечить правильный прием последующих 36 зашифрованных бит. Интервал содержит большой защитный интервал (68,25 бит, длительностью 252 мкс), что обеспечивает (независимо от времени прохождения сигнала) достаточное временное разнесение от пакетов других подвижных станций.   

 Этот защитный  интервал соответствует двойному  значению наибольшей возможной задержки сигнала в рамках одной соты и тем самым устанавливает максимально допустимые размеры соты. Особенность стандарта GSM - возможность обеспечения связью подвижных абонентов в сотах с радиусом около 35 км. Время распространения радиосигнала в прямом и обратном направлениях составляет при этом 233,3 мкс.   

 В структуре  GSM строго определены временные  характеристики огибающей сигнала,  излучаемого пакетами на канальном  временном интервале TDMA кадра,  и спектральная характеристика  сигнала.. Различные формы огибающих излучаемых сигналов соответствуют разным длительностям интервала АВ (88 бит) по отношению к другим указанным интервалам полного TDMA кадра (148 бит).   

 Одна из  особенностей формирования сигналов  в стандарте GSM - использование  медленных скачков по частоте в процессе сеанса связи. Главное назначение таких скачков (SFH - Slow Frequency Hopping) - обеспечение частотного разнесения в радиоканалах, функционирующих в условиях многолучевого распространения радиоволн. SFH используется 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 (577 мкс), в каждом последующем кадре передается (принимается) на новой фиксированной частоте. В соответствии со структурой кадров время для перестройки частоты составляет около 1 мс.   

 В процессе  скачков по частоте постоянно  сохраняется дуплексный разнос 45 МГц между каналами приема и передачи. Всем активным абонентам, находящимся в одной соте, ставятся в соответствие ортогональные формирующие последовательности, что исключает взаимные помехи при приеме сообщений абонентами в соте. Параметры последовательности переключения частот (частотно-временная матрица и начальная частота) назначаются каждой подвижной станции в процессе установления канала. Ортогональность последовательностей переключения частот в соте обеспечивается начальным частотным сдвигом одной и той же (по алгоритму формирования) последовательности. В смежных сотах используются различные формирующие последовательности 
 
 

ОРГАНИЗАЦИЯ ФИЗИЧЕСКИХ И ЛОГИЧЕСКИХ КАНАЛОВ  В СТАНДАРТЕ GSM

Частотный план стандарта GSM   

 Стандарт GSM разработан для создания сотовых систем подвижной связи (ССПС) в следующих полосах частот: 890-915 МГц - для передачи подвижными станциями (линия "вверх"); 935-960 МГц- для передачи базовыми станциями (линия "вниз"). Сети GSM функционируют параллельно с существующими европейскими национальными сетями аналоговых ССПС стандартов NMT-900, TACS, ETACS. Частотные планы СПСС, включая стандарт GSM, показаны на рис. 4

 Рисунок 4.Частотные планы СПСС.   

 Каждая из  полос, выделенных для сетей  GSM, разделяется на частотные каналы. Разнос каналов составляет 200 кГц,  что позволяет организовать в  сетях GSM 124 частотных канала. Частоты, выделенные для передачи сообщений подвижной станцией на базовую и в обратном направлении, группируются парами, организуя дуплексный канал с разносом 45 МГц. Эти пары частот сохраняются и при перескоках частоты. Каждая сота характеризуется фиксированным присвоением определенного количества пар частот.   

 Если обозначить FI (п) - номер несущей частоты в  полосе 890-915 МГц, Fu (n) - номер несущей  частоты в полосе 935-960 МГц, то  частоты каналов определяются  по следующим формулам: 
    FI (n) = 890,2 + 0,2 (n-1), МГц; 
    Fu (n) = FI (n) + 45, МГц; 
    1<п<124.   

 Каждая частотная  несущая содержит 8 физических каналов,  размещенных в 8 временных окнах  в пределах ТDМА кадра и в  последовательности кадров. Каждый  физический канал использует  одно и то же временное окно в каждом временном TDMA кадре. До формирования физического канала сообщения и данные, представленные в цифровой рорме, группируются и объединяются в логические каналы двух типов: каналы связи - для передачи кодированной речи или данных (ТСН); каналы управления - для передачи сигналов управления и cинхронизации (ССН).   

 Более чем  один тип логического канала  может быть размещен на одном  и том же физичеcком канале, но только при их соответствующей  комбинации.

Структура логических каналов связи   

 В стандарте GSM различают логические каналы связи двух основных видов:

• TCH/F (Full Rate Traffic Channel) - канал передачи сообщений с полной скоростью 22,8 кбит/с (другое обозначение Вm);
• TCH/H (Half Rate Traffic Channel) - канал передачи сообщений с половинной скоростью 11,4 кбит/с (другое обозначение Lm).

    Один физический  канал может представлять собой  канал передачи сообщений с  полной скоростью или два канала  с половинной скоростью передачи. В первом случае канал связи  занимает одно временное окно; во втором - два канала связи занимают то же самое временное окно, но с перемежением в соседних кадрах (т.е. каждый канал - через кадр).    

 Для передачи  кодированной речи и данных  предназначены каналы связи следующих  типов:   

• TCH/FS (Full Rate Traffic Channel for Speech) 
              - канал для передачи речи с полной скоростью;    
• TCH/HS (Half Rate Traffic Channel for Speech) : 
      - канал для передачи речи с половинной скоростью;   
• TCH/F 9,6 (Full Rate Traffic Channel for 9,6 kbit/s User Data) 
      - канал передачи данных с полной скоростью 9,6 кбит/с;   
• TCH/F 4,8 (Full Rate Traffic Channel for 4,8 kbit/s User Data) 
      - канал передачи данных с полной скоростью 4,8 кбит/с;   
• TCH/F 2,4 (Full Rate Traffic Channel for 2,4 kbit/s User Data) 
      - канал передачи данных с полной скоростью 2,4 кбит/с;   
• ТСН/Н 4,8 (Half Rate Traffic Channel for 9,6 kbit/s User Data) 
      - канал передачи данных с половинной скоростью 4,8 кбит/с;   
• СН/Н 2,4 (Half Rate Traffic Channel for 9,6 kbit/s User Data) 
  - канал передачи данных с половинной скоростью 2,4 кбит/с.

 
    Скорость передачи цифрового  речевого сигнала в канале TCH/FS равна 13 кбит/с (за счет кодирования  увеличивается до 22,8 кбит/с в канале TCH/F).    

 Каналы связи  могут передавать широкий набор  информационных сообщений, но они не пользуются для передачи сигналов управления. Кроме того, для передачи данных по каналам связи могут использоваться разные протоколы, например, МСЭ-Т Х.25

Структура логических каналов управления