Сравнение основных стандартов цифровой передачи данных.

Сравнение основных стандартов цифровой передачи данных.

 

4. Связь стандарта GSM. Общие характеристики стандарта. Принципы организации. Диапазоны частот.

 

 

 

Связь стандарта GSM. Частотное и временное разделение каналов. Структура кадров TDMA.

GSM — это сокращенное название системы сотовой связи — Global System for Mobile communication. Сеть сотовой связи состоит из большого числа развернутых на местности приемопередатчиков, зоны обслуживания которых частично перекрываются. Принцип повторного использования частот в сети позволяет добиться высокой плотности трафика на больших территориях. Поскольку уровень мощности, излучаемой терминалами (те­лефонами) сотовой связи ограничен, на местности приходится размещать большое количество базовых станций, обслуживающих небольшие площади. Несколько базовых станций объединяются в ячейку, часто представля­емую в виде правильного шестиугольника. Совокупность таких ячеек на местности похожа на пчелиные соты. Отсюда и это вид связи получил свое название — сотовая связь.

 

Сеть сотовой связи стандарта GSM подразделяется на три элемента:

 

• мобильные станции, которыми пользуются ее абоненты;

 

• базовые станции, управляющие процессом соединения с мобильными станциями;

 

• коммутационные центры мобильной связи, обеспечивающие коммутацию соединений между абонентами мобильных станций и абонентов мобильных станций с абонентами телефонных сетей общего пользования и наоборот.

 

Частотное разделение каналов, Мультиплексирование с разделением по частоте (англ. Frequency-Division Multiplexing, FDM)

Разделение каналов осуществляется по частотам. Так как радиоканал обладает определённым спектром, то в сумме всех передающих устройств и получается современная радио связь. Например: спектр сигнала для мобильного телефона 8 Мгц. Если мобильный оператор даёт абоненту частоту 880 МГц, то следующий абонент, может занимать частоту 880+8=888 МГц. Таким образом, если оператор мобильной связи имеет лицензионную частоту 800—900 Мгц, то он способен обеспечить около 12 каналов, с частотным разделением.

Частотное разделение каналов применяется в технологии X-DSL. По телефонной лапше передаются сигналы различной частоты: телефонный разговор-0,3-3,4 Кгц а для передачи данных используется полоса от 28 до 1300 Кгц.

Очень важно фильтровать сигналы. Иначе будут происходить наложения сигналов, из-за чего связь может сильно ухудшиться.

 

Временное мультиплексирование (англ. Time Division Multiplexing, TDM) — технология аналогового или цифрового мультиплексирования, в котором несколько сигналов или битовых потоков передаются одновременно как подканалы в одном коммуникационном канале. Передача данных в таком канале разделена на временные интервалы (таймслоты) фиксированной длины, отдельные для каждого канала. Например: некоторый блок данных или подканал 1 передается в течение временного интервала 1, подканал 2 во временной интервал 2 и т. д. Один фрейм TDM состоит из одного временного интервала, выделенного одному определенному подканалу. После передачи фрейма последнего из подканалов происходит передача фрейма первого подканала и т. д. по порядку.

 

 

Структура кадров TDMA.

Последовательность из 8 таймслотов составляет кадр TDMA, который является основным «кирпичиком» для мультикадров трафика и управления в стандарте GSM. Мультикадр — это основная единица организации логических каналов.

 

Мультикадр трафика состоит из 26 кадров TDMA по 8 таймслотов каждый. Длительность кадра временного разделения (TDMA) равна 8 * 576.9 мкс = 4.615 мс, а мультикадра трафика – 4.615 мс * 26 = 120 мс. Для передачи трафика используется 24 кадра, оставшиеся 2 – служебные, для организации логических каналов управления.

Информация передается пакетами в таймслотах и содержит:

 

• Два поля «Данные» по 57 бит. Поэтому в одном пакете – 114 бит данных

• 26-битное поле с обучающей последовательностью, которая используется для оценки характеристик радиоканала

• «хвостовые биты» TB, которые защищают информацию при сдвиге слота

• Контрольные однобитовые поля, которые указывают на тип передаваемой информации

 

Также в каждый временной слот добавляется защитный интервал GP по 8.25 бит, необходимый для нейтрализации ошибок при настройке времени, дисперсии и т.п.

Всего в мультикадре трафика 156.25 * 8 * 26 = 32500 бит. Зная это, можно рассчитать скорость передачи данных по каналу трафика:

 

32500 бит / 120 мс = 32.5 Кбит / 0.12 с = 270.833 Кбит/с

 

Для организации каналов управления в стандарте GSM применяются мультикадры управления. В состав такого мультикадра входит 51 кадр TDMA.

 

Перестановка/деперестановка

Перестановка (перемежение) информации — это изменение позиций блоков информации относительно друг друга, которое позволяет разнести стоящие рядом символы, принадлежащие одному и тому же сообщению. При этом групповые ошибки преобразуются в одиночные и эффективно исправляются, например, сверточным декодером. Имеется несколько алгоритмов перестановки (перемежения) [41, 49], например, перестановка блоков информации в соответствии с таблицей (табличное перемещение), диагональное перемещение и т. д. Ниже рассмотрен один, наиболее простой [115] алгоритм, который используется чаще всего в сочетании с другими.

Принцип перестановки в данном случае заключается в том, что временные отсчеты GSM величиной 456 бит (для полной скорости передачи речи) разбиваются на 8 групп по 57 бит. Каждая такая группа передается в различных пакетах трафика и в различных кадрах. Биты в каждом пакете пронумерованы и разделены на четные и нечетные, и в соответствии с этим включаются в различные пакеты трафика.

Рис. 2.21. Принцип перестановки информации

Основной недостаток принципа перестановки — это вносимая задержка из-за накопления пакетов информации, их перестановки и передачи.

Шифрование/дешифрование

В GSM защита информации представлена средствами шифрования передачи. Метод шифрования не зависит от типа передаваемых данных (речь, пользовательские данные или сообщения сигнализации). Оно применяется только к нормальным пакетам (normal burst).

Шифрование достигается преобразованием с помощью операции "исключающее ИЛИ". Эта операция проводится между псевдослучайной многоразрядной последовательностью и 114 полезными битами нормального пакета (все информационные биты кроме 2 контрольных флагов). Псевдослучайная последовательность получается на основе номера пакета и сеансового ключа (session key). Ключ устанавливается в начале сеанса путем обмена сигналами между приемником и передатчиком, используется только в течение одного сеанса связи. После окончания сеанса ключ автоматически стирается.

Расшифровка использует тот же самый ключ шифрования. Более детально процесс шифрования и дешифрования дан в курсе лекций "Криптография и безопасность сетей".

 

 

Примеры работы сети GSM. Обслуживание вызова от ТфОП абоненту мобильной сети.

Приведенный пример описывает обслуживание вызова от абонента стационарной сети к абоненту мобильной сети GSM.

В рассматриваемом примере порядок действий следующий:

1. Входящий вызов поступает от ТфОП на вход шлюза MSC (GMSC — Gateway MSC).

2. На основе международного опознавательного кода (IMSI) вызываемого мобильного абонента определяется домашний регистр местоположения (HLR).

3. Затем запрашивается соответствующий визитный регистр местоположения (VLR) для того, чтобы определить номер для услуг роуминга мобильной станции — MSRN (Mobile Station Roaming Number).

4. Этот номер передается обратно в HLR GMSC.

5. Затем соединение переключается к соответствующему MSC.

6. MSC вырабатывает запрос VLR.

7. Теперь VLR делает запрос зоны местоположения LA и состояния (доступности) мобильного абонента. Если MS отмечена как доступная, то выполняется п. 8.

8. Передается широковещательный вызов по всей зоне нахождения, записанной в VLR.

9. Мобильный абонентский телефон отвечает на широковещательный запрос из текущей радиосоты.

10. После этого выполняются все необходимые процедуры безопасности (аутентификация и обмен шифровальными ключами). Если они выполнены успешно, то выполняется п. 11.

11. VLR указывает MSC, что вызов закончен, и передает MSC временный опознавательный код мобильной станции TMSI.

12. MSC передает TMSI к MS и информирует о начале работы.

На рисунке отдельно отображен процесс изменения номеров в процессе установления входящего вызова.

MSISDN — Международный ISDN номер мобильной станции
MSRN — временный роуминговый номер мобильной станции
IMSI — международный опознавательный код мобильного абонента
TMSI — временный опознавательный код мобильного абонента
HLR — домашним регистр местоположения
VLR — визитный регистр местоположения

 

Хэндовер

В сотовых сетях устанавливаемые соединения не постоянны на протяжении всего разговора. Хэндовер представляет собой переключение происходящего разговора на другой канал или на другую соту. Исполнение и измерения, необходимые для хэндовера, входят в одну из основных функций RR.

Существует 4 различных типов хэндоверов в системе GSM, которые включают переключение вызова между каналами (тайм-слотами) в той же соте, между сотами (БС) под управлением контроллера БС, между сотами под управлением других контроллеров БС, но относящихся к одному и тому же КЦ, и между сотами, управляемыми различными КЦ.

Два первых типа хэндоверов, называемых внутренними хэндоверами, используют один и тот же контроллер БС. Для сохранения той же полосы передачи служебных сигналов они управляются контроллером БС без вовлечения КЦ, за исключением уведомления КЦ о завершении хэндовера. Два последних типа хэндоверов, называемых внешними хэндоверами, производятся при участии КЦ. Хэндоверы инициируются или МТ, или КЦ (как средство распределения общего трафика в сети).

Алгоритм принятия решения относительно инициации хэндовера не специфицирован в рекомендациях стандарта GSM. Обычно используются два основных алгоритма, оба тесно привязанных к контролю энергопотребления. Это связано с тем, что обычно контроллер БС не знает, связано ли плохое качество сигнала с многоканальной радиопередачей или с тем, что МТ переместился в другую соту. Особенно это актуально в небольших сотах для многонаселенных районов.

Алгоритм "минимально допустимой производительности" отдает предпочтение контролю мощности перед хэндовером, так что когда сигнал ухудшается за пределами определенной области, уровень мощности МТ возрастает. Если дальнейшее увеличение мощности не улучшает качества сигнала, то производится хэндовер. Это - простейший и наиболее общий метод, но он приводит к "размазыванию" границ соты, когда МТ на пике мощности проходит некоторое расстояние за пределы первоначальной соты и оказывается в другой соте.

Метод "бюджета мощности" использует хэндовер для поддержания или улучшения качества сигнала на том же самом или на более низком уровне мощности. При этом отдается предпочтение хэндоверу перед контролем мощности. Это позволяет избежать проблемы "размазывания" границ соты и снижает межканальную интерференцию, но сам метод является весьма сложным.

Управление при перемещении

Управление при перемещении (MM) включает в себя функции, необходимые для проверки подлинности и обеспечения безопасности при перемещениях абонента. Управление местоположением связано с процедурами, позволяющими системе определить текущее местоположение включенного МТ, чтобы могла быть произведена маршрутизация входящего вызова.

Обновление местоположения

Включенный МТ информируется о входящем вызове пейджинговым сообщением, посылаемым через канал PAGCH соты. Одной крайностью было бы направлять пейджинговое сообщение в каждую соту сети, что с очевидностью явилось бы пустой тратой радиополос. Другой крайностью было бы заставлять МТ уведомлять каждый раз систему посредством сообщений об обновлении своего местоположения при перемещении в другую соту, это привело бы к чрезмерным издержкам из-за большого количество обновляющих сообщений. Стандарт GSM предусматривает компромиссное решение, связанное с группировкой сот в зоны. Обновляющие сообщения требуются лишь при перемещении между такими зонами, и МТ уведомляются пейджинговыми сообщениями в соответствии с их текущими зонами. В целях повышения надежности, GSM также предполагает периодическое исполнение процедуры обновления местоположения.

Управление взаимодействием

Управление взаимодействием CM отвечает за контроль вызовов CC (Call Control), управление услугами поддержки, и управление службой коротких сообщений.

Маршрутизация вызовов

В отличие от фиксированных сетей, где терминал постоянно подключен к центральному офису, абоненту сети GSM доступен национальный и международный роуминг. Номер абонента, используемый для вызова абонента, называется Mobile Subscriber ISDN (MSISDN), и определяется в соответствии с планом нумерации E.164. Этот номер включает код страны и национальный код зоны, идентифицирующий сотового оператора, обслуживающего абонента. Первые несколько цифр остальной части номера абонента могут обозначать базу данных HLR абонента.

Заключение и комментарии

GSM - очень сложный стандарт, но это, вероятно, цена, которую приходится платить за достижение соответствующего уровня интеграции услуг и качество, несмотря на весьма суровые ограничения, накладываемые радиосвязью.

Системы мобильной связи третьего поколения. Стандарты третьего поколения. Пути эволюции. Требования к спектру, совместимость.

Пути эволюции

Требования к спектру, совместимость

В 1992 году МСЭ рекомендовал, чтобы все страны мира распределяли для услуг 3G одни и те же частоты. Это позволило бы упростить глобальный роуминг, особенно при условии, что каждая страна использовала бы один и тот же стандарт IMT-2000. Тогда пользователь независимо от местоположения мог бы быть уверен, что его мобильный телефон или устройство передачи данных будет работать.

К сожалению, единственная большая страна, которая фактически точно следовала рекомендациям МСЭ, был Китай. Европа и Япония уже использовали часть спектра для переносных телефонов и системы GSM. США уже использовали весь спектр для службы персональной связи и фиксированной радиосвязи. В России это диапазон частот занят радиослужбами фиксированной, подвижной и космической связи. Введение служб по стандарту IMT-2000 нуждается в освобождении полос частот в существующей инфраструктуре.

Единственная часть всемирного спектра, доступная системам 3G, относится к услугам спутниковой связи, для которых, конечно, частотный диапазон должен быть всюду один и тот же. Проблемы заключаются в том, что нет спутников, выведенных на орбиту для того, чтобы обеспечивать работу с мобильной станцией со скоростью 144 кбит/с.

Наиболее экономичные спутники — это широкополосные устройства. Они нуждаются в более высоких частотах, что приводит к мысли предложить на базе терминала для мобильной спутниковой службы совмещенный терминал. который можно применять и для сотовой связи стандарта IMT-2000.

Исходя из прогнозов Форума UMTS (Universal Mobile Telecommunications Services), МСЭ определил дополнительную ширину спектра, необходимый для размещения служб 3G в каждом из трех глобальных регионов. Результаты анализа показаны на рисунке вместе со спектром частот, уже используемым службами 2G и распределенным для служб 3G.

Предполагая, что существующие сети 2G будут в конечном счете модернизированы к 3G, МСЭ прогнозирует, что в каждом регионе до 2010 г., в соответствии с прогнозом, потребуется дополнительно иметь полосу по крайней мере 160 МГц. Где этот спектр будет найден, еще не ясно, хотя МСЭ и различные промышленные группы рассматривают несколько предложений.

Очевидно, что использование частотных полос вокруг уже распределенного спектра — не выход. Они уже широко используются организациями, подобными НАСА, чтобы поддерживать контакт с космонавтами и космическими кораблями. Последние может быть все еще будут передавать полезную информацию в течение многих десятилетий после того, как они были запущены. Поэтому управление ими на других частотах невозможно.

Рассмотрим возможности в каждой полосе.

420-806 МГц. Это диапазон, известен как УВЧ-диапазон. В большинстве стран эти частоты используются для аналогового широковещательного телевидения. Они могут быть отданы мобильным телефонам только тогда, когда цифровое телевидение полностью заменит аналоговое, хотя это вряд ли случится повсеместно до 2010 года.

1429-1501 МГц. Эта частотная полоса используется для различных целей во всем мире, включая переносные телефоны, фиксированное радио и широковещательную передачу. Часть этого диапазона не используется. Она оставлена свободной для того, чтобы ученые могли пытаться принять возможные сигналы, которые могут передавать другие цивилизации.

1710-1885 МГц. Некоторая часть этого частотного диапазона уже используются для мобильных служб в Европе и Азии, но этот диапазон может обеспечить дополнительную канальную емкость и в Америке. В Европе он интенсивно используется для управления воздушным движением.

2290-2300 МГц. Эта очень узкая полоска спектра используется для фиксированного радио, а также радиоастрономами, проводящими исследование глубокого космоса.

2300-2400 МГц. Эта частотная полоса используется для фиксированной беспроводной связи и некоторых телеметрических измерений. Диапазон расположен близко к спектру, уже распределенному для IMT-2000.

2520—2670 МГц. Некоторые страны используют эту частотную полосу для различных приложений, таких как широковещательная передача и фиксированное радио. Часть этого диапазона также используется спутниками, связывающимися с Землей. Эта частотная полоса одобрена Форумом UMTS как резерв для дополнительного расширения.

2700-3400 МГц. Частоты более 2700 МГц используются главным образом для радаров, хотя некоторые частоты имеют другие приложения, такие как спутниковая связь. В частности частотные полосы 3260-3267 МГц, 3332-3339 МГц, и 3345,8-3352,5 необходимы радиоастрономии, поскольку они соответствуют частотам радиоизлучения звезд.

Физический уровень UMTS

Физический уровень определяет услуги обмена информацией в виде транспортных каналов. На этом уровне выполняются все функции, связанные с обработкой сигналов, канальным кодированием, перемещением, модуляцией, синхронизацией и т.д. В число этих функций входит отображение транспортных каналов в физические каналы.

Уровень звена данных разделен на следующие подуровни:

- подуровень управления доступом к среде (MAC-подуровень);

- подуровень управления радиоканалом (RLC-подуровень);

- подуровень протокола сходимости пакетных данных (англ. Packet Data Convergence Protocol - PDCP);

- подуровень управления вещанием/широковещанием (англ. Broadcast/ Multicast Control - BMC).

СНС ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США) Космический сегмент. Сегмент управления. Сегмент потребителей.

Система Глонасс предназначена для глобальной оперативной навигации приземных

подвижных объектов. СРНСС разработана по заказу Министерства Обороны. По своей

структуре Глонасс так же, как и GPS, считается системой двойного действия, то есть может

использоваться как в военных, так и в гражданских целях.

Система в целом включает в себя три функциональные части (в профессиональной

литературе эти части называются сегментами) (рис. 1).

 

 

 

Рисунок 1. Сегменты высокоорбитальных навигационных систем Глонасс и GPS

 космический сегмент, в который входит орбитальная группировка искусственных

спутников Земли (иными словами, навигационных космических аппаратов);

 сегмент управления, наземный комплекс управления (НКУ) орбитальной

группировкой космических аппаратов;

 аппаратура пользователей системы.

Из этих трех частей последняя, аппаратура пользователей, самая многочисленная.

Система Глонасс является беззапросной, поэтому количество потребителей системы не

имеет значения. Помимо основной функции — навигационных определений, — система

позволяет производить высокоточную взаимную синхронизацию стандартов частоты

и времени на удаленных наземных объектах и взаимную геодезическую привязку. Кроме

того, с ее помощью можно производить определение ориентации объекта на основе

измерений, производимых от четырех приемников сигналов навигационных спутников.

В системе Глонасс в качестве радионавигационной опорной станции используются

навигационные космические аппараты (НКА), вращающиеся по круговой геостационарной

орбите на высоте 19100 км (рис. 2). Период обращения спутника вокруг Земли равен,

в среднем, 11 часов 45 минут. Время эксплуатации спутника — 5 лет, за это время параметры

его орбиты не должны отличаться от номинальных значений больше чем на 5%. Сам спутник

представляет собой герметический контейнер диаметром 1,35 м и длиной 7,84 м, внутри

 

которого размещается различного рода аппаратура. Питание всех систем производится от

солнечных батарей. Общая масса спутника — 1415 кг. В состав бортовой аппаратуры входят:

бортовой навигационный передатчик, хронизатор (часы), бортовой управляющий комплекс,

система ориентации и стабилизации и так далее.

 

 

Рисунок 2. Космический сегмент систем ГЛОНАСС и GPS

 

 

Рисунок 3. Сегмент наземного комплекса управления системы Глонасс

 

 

Рисунок 4. Сегмент наземного комплекса управления системы GPS

 

 

Сегмент наземного комплекса управления системы ГЛОНАСС выполняет следующие

функции:

 эфемеридное и частотно-временное обеспечение;

 мониторинг радионавигационного поля;

 радиотелеметрический мониторинг НКА;

 командное и программное радиоуправление НКА.

Для синхронизации шкал времени различных спутников с необходимой точностью на

борту НКА используются цезиевые стандарты частоты с относительной нестабильностью

порядка 10-13. На наземном комплексе управления используется водородный стандарт

с относительной нестабильностью 10^-14. Кроме того, в состав НКУ входят средства

коррекции шкал времени спутников относительно эталонной шкалы с погрешность 3—5 нс.

Наземный сегмент обеспечивает эфемеридное обеспечение спутников. Это означает, что на

земле определяются параметры движения спутников и прогнозируются значения этих

параметров на заранее определенный промежуток времени. Параметры и их прогноз

закладываются в навигационное сообщение, передаваемое спутником наряду с передачей

навигационного сигнала. Сюда же входят частотно-временные поправки бортовой шкалы

времени спутника относительно системного времени. Измерение и прогноз параметров

движения НКА производятся в Баллистическом центре системы по результатам траекторных

измерений дальности до спутника и его радиальной скорости.

 

Системы Глонасс

 

 

Навигационное сообщение формируется в виде непрерывно следующих строк, каждая длительностью 2 с. В первой части строки (интервал 1,7 с) передаются навигационные данные, а во второй (0,3 с) — Метка Времени. Она представляет собой укороченную псевдослучайную последовательность, состоящую из 30 символов с тактовой частотой 100 бит/с.

Навигационные сообщения спутников системы Глонасс необходимы потребителям для навигационных определений и планирования сеансов связи со спутниками. По своему содержанию навигационные сообщения делятся на оперативную и не оперативную информацию.Оперативная информация относится к спутнику, из сигнала которого она была получена. К оперативной информации относят:

 оцифровку меток времени;

 сдвиг шкалы времени спутника относительно шкалы системы;

 относительное отличие несущей частоты спутника от номинального значения;

 эфемеридная информация.

Время привязки эфемеридной информации и частотно-временные поправки,

имеющие получасовую кратность от начала суток, позволяют точно определять

географические координаты и скорость движения спутника.

Не оперативная информация содержит альманах, включающий:

 

 данные о состоянии всех спутников системы;

 сдвиг шкалы времени спутника относительно шкалы системы;

 параметры орбит всех спутников системы;

 поправку к шкале времени системы Глонасс.

Выбор оптимального “созвездия” КА и прогноза доплеровского сдвига несущей

частоты обеспечивается за счет анализа альманаха системы.

Навигационные сообщения спутников системы Глонасс структурированы в виде

суперкадров длительностью 2,5 мин. Суперкадр состоит из пяти кадров длительностью 30 с.

Каждый кадр содержит 15 строк длительностью 2 с. Из 2 с длительности строки последние

0,3 с занимает метка времени. Остальная часть строки содержит 85 символов цифровой

информации, передаваемых с частотой 50 Гц.

В составе каждого кадра передается полный объем оперативной информации и часть

альманаха системы. Полный альманах содержится во всем суперкадре. При этом

информация суперкадра, содержащаяся в строках 1—4, относится к тому спутнику,

с которого она поступает (оперативная часть), и не меняется в пределах суперкадра.

 

Системы GPS

 

 

Структурное деление навигационной информации спутников системы GPS

осуществляется на суперкадры, кадры, подкадры и слова. Суперкадр образуется из 25 кадров

и занимает 750 с (12,5 мин). Один кадр передается в течение 30 с и имеет размер 1500 бит.

Кадр разделен на 5 подкадров по 300 бит и передается в течение интервала 6 с. Начало

каждого подкадра обозначает метку времени, соответствующую началу/окончанию

очередного 6-с интервала системного времени GPS. Подкадр состоит из 10 30-бит слов.

В каждом слове 6 младших разрядов являются проверочными битами.

В 1-, 2- и 3-м подкадрах передаются данные о параметрах коррекции часов и данные

эфемерид КА, с которым установлена связь. Содержание и структура этих подкадров

остаются неизменными на всех страницах суперкадра. В 4- и 5-м подкадрах содержится

информация о конфигурации и состоянии всех КА системы, альманахи КА, специальные

сообщения, параметры, описывающие связь времени GPS с UTC, и прочее.

 

 

Сравнение основных стандартов цифровой передачи данных.

 

4. Связь стандарта GSM. Общие характеристики стандарта. Принципы организации. Диапазоны частот.