Особенности сотовой системы подвижной связи стандарта GSM

 Каналы управления (ССН) обеспечивают передачу сигналов управления и синхронизации.   

 Различают  четыре вида каналов управления:    

• ВССН (Broadcast Control Channels) 
          - каналы передачи сигналов управления;    
• СССН (Common Control Channels)  
      - общие каналы управления;   
• SDCCH ( Stand-alone Dedicated Control Channels) 
          - индивидуальные каналы управления;   
• АССН (Associated Control Channels) 
      - совмещенные каналы управления.

 

    Каналы передачи  сигналов управления используются  только в направлении с базовой  станции на все подвижные станции. Они несут информацию, которая необходима подвижным станциям для работы в системе. Различают три вида каналов передачи сигналов управления ВССН:    

• FCCH (Frequency Correction Channel) 
          - канал подстройки частоты, который используется синхронизации несущей в подвижной станции. По этому каналу передается немодулированная несущая с фиксированным частотным сдвигом относительно номинального значения частоты канала связи;   
• SCH (Synchronization Channel) 
          - канал синхронизации, по которому передается информация на подвижную станцию о кадровой (временной) синхронизации;   
• ВССН (Broadcast Control Channel) 
          - канал управления передачей, обеспечивает передачу основных команд по управлению передачей (номер общих каналов управления тех из них, которые объединяются с другими каналами, в том числе и с физическими и т.д.).

 

    Используются  три типа общих каналов управления  СССН:    

• РСН (Paging Channel) 
          - канал вызова, используется только в направлении от базовой станции к подвижной для ее вызова;   
• RACH (Random Access Channel) 
          - канал параллельного доступа, используется только в направлении от подвижной станции к базовой для запроса о назначении индивидуального канала управления;    
• AGCH (Access Grant Channel) - канал разрешенного доступа, используется только для передачи с базовой станции на подвижную (для выделения специального канала управления, обеспечивающего прямой доступ к каналу связи).

 

    Выделенные  индивидуальные каналы управления  используются в двух направлениях для связи между базовой и подвижной станциями. Различают два вида таких каналов:    

• SDCCH/4 (Stand-alone Dedicated Control Channel) 
          - индивидуальный канал управления, состоит из четырех подканалов;   
• SDCCH/8 (Stand-alone Dedicated Control Channel) 
          - индивидуальный канал управления, состоит из восьми подканалов.

 

    Эти каналы  предназначены для установки  требуемого пользователем вида  обслуживания. По ним обеспечивается  запрос подвижной станции о  требуемом виде обслуживания, контроль правильного ответа базовой станции и выделение свободного канала связи, если это возможно.   

 Совмещенные  каналы управления также используются  в двух направлениях между  базовой и подвижной станциями.  По направлению "вниз" они  передают команду управления с базовой станции, а по направлению "вверх" - информацию о статусе подвижной станции. Различают два вида АССН:    

• FACCH (Fast Associated Control Channel) - быстрый совмещенный канал управления, служит для передачи команд при переходе подвижной станции из соты в соту, т.е. при "эстафетной передаче" подвижной станции;   
• SACCH (Slow Assocaited Control Channel) - медленный совмещенный канал управления, по направлению "вниз" передает команды для установки выходного уровня мощности передатчика подвижной станции. По направлению "вверх" подвижная станция посылает данные, касающиеся уровня установленной выходной мощности, измеренного приемником уровня радиосигнала и его качества.

 

    В совмещенном  канале управления всегда содержится  один из двух каналов: канал связи или индивидуальный канал управления.    

 Совмещенные  каналы управления всегда объединяются  вместе с каналами связи или  с индивидуальными каналами управления. При этом различают шесть видов  объединенных каналов управления:    

• FACCH/F, объединенный с TCH/F;   
• FACCH/H, объединенный с ТСН/Н;   
• SACCH/TF, объединенный с TCH/F;   
• SACCH/TH, объединенный с ТСН/Н;   
• SACCH/C4, объединенный с SDCCH/4;   
• SACCH/C8, объединенный с SDCCH/8.

Организация физических каналов   

 Для передачи  каналов связи ТСН и совмещенных каналов управления FACCH и SACCH используется 26-кадровый мультикадр.  В полноскоростном канале связи в каждом 13-м TDMA кадре мультикадра передается пакет информации канала SSACCH; каждый 26-й TDMA кадр мультикадра свободен. В полускоростном канале связи пакет информации канала SACCH передается в каждом 13-м и 26-м TDMA кадрах мультикадра.   

 Для одного  физического канала в каждом TDMA кадре используется 114 бит. Так  как в мультикадре для передачи  канала связи ТСН используется 24 TDMA кадра из 26 и длительность мультикадра составляет 120 мс, общая скорость передачи информационных сообщений по ТСН каналу составляет 22,8 кбит/с. Канал SACCH занимает в полноскоростном канале связи только один TDMA кадр, то есть 114 бит, когда скорость передачи по SACCH каналу составит 950 бит/с. Полная скорость передачи в объединенном TCH/SACCH канале с учетом пустого (свободного) 26-го TDMA кадра составит  22,8 + 0,950 +0,950 = 24,7 кбит/с.   

 За время  26-кадрового мультикадра (в одном  физическом канале) может передаваться два полускоростных ТСН канала, каждый по 12 TDMA кадров (Т и t). Пустой 26-й TDMA кадр в полноскоростном канале ТСН отводится для канала SACCH во втором полускоростном канале ТСН. Для каждого полускоростного канала ТСН скорость передачи составляет 11,4 кбит/с; полная скорость передачи в объединенном полускоростном канале TCH/SACCH остается прежней - 24,7 кбит/с.   

 Быстрый совмещенный  канал управления FACCH передается  половиной информационных бит  временного интервала TDMA кадра  в канале ТСН, с которым он совмещается в восьми последовательных Т или t кадрах.    

 Для передачи  каналов управления (за исключением  FACCH и SACCH) используется 51-кадровый  мультикадр.

Объединение ВССН/СССН каналов   

 В отличие  от структуры объединенного канала TCH/SACCH, где физический канал выделяется для одного или двух абонентов, объединенный канал ВССН/СССН предназначен для всех подвижных станций, которые в одно и то же время находятся в одной соте. Более того, все подканалы, передаваемые в этой структуре, являются симплексными.   

 В канале  передачи сигналов управления (ВССН, "сеть - подвижная станция") передается  общая информация о сети (соте), в которой подвижная станция  находится в данный момент, и  о смежных сотах.   

 В канале  синхронизации (SCH, "сеть - подвижная станция") передается информация о временной (цикловой) синхронизации и опознавании приемопередатчика базовой станции.   

 В канале  подстройки частоты (FCCH, "сеть - подвижная станция") передается  информация для синхронизации  несущей.   

 Канал параллельного доступа (RACH, "подвижная станция - сеть") используется подвижной станцией в режиме пакетной передачи ALOHA для доступа к сети в случае, если надо пройти регистрацию при включении или сделать вызов.   

 Канал разрешенного  доступа (AGCH, "сеть - подвижная станция") используется для занятия специальных видов обслуживания (SDCCH или ТСН) подвижной станцией, которая ранее запрашивала их через канал RACH.   

 Канал вызова (РСН, "сеть - подвижная станция") используется для вызова подвижной  станции в случае, когда инициатором вызова является сеть (абонент сети).    

 Линия "вверх"  ВССН/СССН каналов используется  только для передачи канала  параллельного доступа RACH, который  является единственным каналом  управления от подвижной станции  к сети. Подвижная станция может использовать нулевой временной интервал в любом из кадров для осуществления доступа к сети.    

 На линии  "вниз" 51 кадр группируется  в 5 групп по 10 кадров, при этом  один кадр остается свободным,  каждая из этих групп начинается  с канала FCCH, за которым следует канал SCH. Остальные 8 кадров в каждой группе образуют два блока из четырех кадров. Первый блок первой группы предназначен для канала ССН, тогда как другие 9 блоков (они называются блоками передачи сигнала вызова) используются для передачи каналов РСН и AGCH общего канала управления СССН. Таким образом, в рассматриваемом случае: 4 кадра используются для канала ВССН, 5 - для FCCH, 5 - для SCH и 36 либо для AGCH, либо для РСН (9 блоков вызова).   

 Каждая подвижная  станция может занимать один из девяти блоков вызова, но каждый вызывной блок может использоваться для вызова более одной станции.   

 Полная скорость  передачи для канала ВССН, а  также для канала AGCH/PCH составляет 1,94 кбит/с (4х114 бит за 235 мс).   

 Существуют  и другие переменные структуры, которые могут использоваться в 51-кадровом мультикадре. "Переменными" их называют потому, что их структура изменяется в зависимости от нагрузки в соте. В одном случае может рассматриваться индивидуальный канал управления 8SDCCH/8 в одном физическом канале. Однако, если нагрузка в соте мала, структуру ВССН/СССН можно объединить с индивидуальным каналом управления SDCCH/4 в одном физическом канале. Если сота испытывает большую нагрузку, одного физического канала может быть недостаточно для всего трафика ВССН/СССН. В этом случае временные интервалы 2, 4 и 6 в структуре ВССН также используют для этой цели, однако в этом случае передаются пустые интервалы вместо SCH и FCCH.   

 Отображение  логических каналов на физические  каналы осуществляется через процессы кодирования и шифрования передаваемых сообщений.   

 Для защиты  логических каналов от ошибок, которые имеют место в процессе  передачи, используют три вида  кодирования: блочное - для быстрого  обнаружения ошибок при приеме; сверхточное - для исправления одиночных ошибок; перемежение - для преобразования пакетов ошибок в одиночные.   

 Для защиты  каналов от подслушивания в  каналах связи и управления  применяется шифрование.   

 Для передачи  сообщений по физическим каналам  используется гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK).

Модуляци  радиосигнала   

 В стандарте  GSM применяется спектрально-эффективна  гауссовская частотная манипуляция  с минимальным частотным сдвигом  (GMSK). Манипуляция называетс "гауссовской"  потому, что последовательность информационных бит до модулятора проходит через фильтр нижних частот (ФНЧ) с характеристикой Гаусса, что дает значительное уменьшение полосы частот излучаемого радиосигнала. Формирование GMSK радиосигнала осуществляется таким образом, что на интервале одного информационного бита фаза несущей изменяется на 90°. Это наименьшее возможное изменение фазы, распознаваемое при данном типе модуляции. Непрерывное изменение фазы синусоидального сигнала дает в результате частотную модуляцию с дискретным изменением частоты. Применение фильтра Гаусса позволяет при дискретном изменении частоты получить "гладкие переходы". В стандарте GSM применяется GMSK-модуляция с величиной нормированной полосы ВТ - 0,3, где В - ширина полосы фильтра по уровню минус 3 дБ, Т - длительность одного бита цифрового сообщения.     Основой формирователя GMSK-сигнала являетс квадратурный (1/Q) модулятор. Схема состоит из двух умножителей и одного сумматора. Задача этой схемы заключается в том, чтобы обеспечить непрерывную, очень точную фазовую модуляцию. Один умножитель изменяет амплитуду синусоидального, а второй косинусоидального колебания. Входной сигнал до умножител разбивается на две квадратурные составляющие. Разложение происходит в двух обозначенных "sin" и "cos" блоках.   

     Модуляцию GMSK отличают следующие свойства, которые предпочтительны для подвижной связи:    

• постоянная по уровню огибающая, которая позволяет использовать эффективные передающие устройства с усилителями мощности в режиме класса С;   
• компактный спектр на выходе усилителя мощности передающего устройства, обеспечивающий низкий уровень внеполосного излучения;   
• хорошие характеристики помехоустойчивости канала связи.