Структура, особенности, достоинства и недостатки GSM и D - AMPS .

Система сотовой связи стандарта GSM

С целью разработки единого европейского стандарта цифровой сотовой связи для выделенного в этих целях диапазона 900 МГц в 1982 г. Европейская Конференция Администраций Почт и Электросвязи (CEPT) — организация, объединяющая администрации связи 26 стран, — создала специальную группу Groupe Special Mobile. Аббревиатура GSM и дала название новому стандарту (позднее, в связи с широким распространением этого стандарта во всем мире, GSM стали расшифровывать как Global System for Mobile Communications).

В целом, система связи стандарта GSM рассчитана на использование в коммерческой сфере:

· предоставляет пользователям широкий спектр услуг и возможность применения разнообразного оборудования для передачи речевых сообщений и данных, сигналов вызова и аварийных сигналов;

· предоставляет возможность подключения к телефонным сетям общего пользования, сетям передачи данных и цифровым сетям с интеграцией служб;

· по сравнению с другими широко распространенными цифровыми стандартами GSM обеспечивает лучшие энергетические характеристики, более высокое качество связи, ее безопасность и конфиденциальность.

Стандарт GSM, кроме того, предоставляет своим пользователям ряд услуг, которые не реализованы (или реализованы не полностью) в других стандартах сотовой связи. К ним относятся:

· использование интеллектуальных SIM-карт для обеспечения доступа к каналу и услугам связи;

· шифрование передаваемых сообщений;

· закрытый от прослушивания радиоинтерфейс;

· аутентификация абонента и идентификация абонентского оборудования по криптографическим алгоритмам;

· использование служб коротких сообщений, передаваемых по каналам сигнализации;

· автоматический роуминг абонентов различных сетей GSM в национальном и международном масштабах;

· межсетевой роуминг абонентов GSM с абонентами сетей стандартов DCS1800, PCS1900, DECT, а также со спутниковыми сетями персональной радиосвязи.

В стандарте GSM определены 4 диапазона работы (таблица 3).

Таблица 3 – Характеристики стандарта GSM

Характеристики	GSM-900	GSM-1800
Частоты передачи MS и приема BTS, МГц (от телефона к базовой станции)	890 - 915	1710 - 1785
Частоты приема MS и передачи BTS, МГц (от базовой стации к телефону)	935 - 960	1805 - 1880
Дуплексный разнос частот приема и передачи, МГц	45	95
Количество каналов связи	124	374
Ширина полосы канала связи, кГц	200	200

 

Особенности GSM-1800:

· максимальная излучаемая мощность мобильных телефонов стандарта GSM-1800 — 1Вт, для сравнения у GSM-900 — 2Вт. Большее время непрерывной работы без подзарядки аккумулятора и снижение уровня радиоизлучения;

· высокая ёмкость сети, что важно для крупных городов;

· возможность использования телефонных аппаратов, работающих в стандартах GSM-900 и GSM-1800 одновременно. Но использование аппарата в двух сетях возможно только в тех случаях, когда эти сети принадлежат одной компании, или между компаниями, работающими в разных диапазонах, заключено соглашение о роуминге.

· в стандарте GSM используется многостанционный доступ с временным разделением (уплотнением) каналов — Time Division Multiple Access, TDMA, что позволяет на одной несущей частоте разместить 8 речевых каналов одновременно.

 

Оборудование сетей GSM включает в себя:

· подвижные (радиотелефоны);

· базовые станции;

· цифровые коммутаторы;

· центр управления и обслуживания;

· различные дополнительные системы и устройства.

Функциональное сопряжение элементов системы осуществляется с помощью ряда интерфейсов, представленных на рисунке 6.

Рисунок 6 - Структурная схема построения сети GSM

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.

Подвижные станции MS состоят из оборудования, которое предназначено для организации доступа абонентов сетей GSM к существующим сетям связи. В рамках стандарта GSM приняты пять классов подвижных станций (таблица 4).

Таблица 4 - Классификация подвижных станций GSM

Класс модели	Максимальная мощность передатчика, Вт	Допустимые отклонения, дБ
1	20	1,5
2	8	1,5
3	5	1,5
4	2	1,5
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;

· 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 (HLR) и перемещения (VLR). 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 (VLR) — 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.

Для исключения несанкционированного использования ресурсов системы сотовой связи в неё введены механизмы аутентификации - удостоверения подлинности абонента. Центр аутентификации (AUC) состоит из нескольких блоков и формирует ключи и алгоритмы аутентификации. С его помощью проверяются полномочия абонента и осуществляется его доступ к сети связи. AUC принимает решения о параметрах процесса аутентификации и определяет ключи шифрования на основе базы данных, сосредоточенной в регистре идентификации оборудования.(EIR).

Каждый подвижный абонент на время пользования системой сотовой связи получает стандартный модуль подлинности абонента (SIM-карту), который содержит: международный идентификационный номер (IMSI), свой индивидуальный ключ аутентификации (Ki), алгоритм аутентификации (A3). С помощью этой информации, в результате взаимного обмена данными между подвижной станцией и сетью, осуществляется полный цикл аутентификации и разрешается доступ абонента к сети.

Центр управления и обслуживания (ОМС) обеспечивает распределение функций и организацию взаимодействия между MSC и подсистемой базовых станций (BSS). Его функции совпадают с функциями центра управления и обслуживания в обычных сетях связи. Различие заключается лишь в том, что в сетях стандарта GSM центр ОМС обеспечивает управление работой радиоподсистемы.

Недостатки стандарта GSM:

· искажение речи при цифровой обработке и передаче;

· связь на расстоянии не более 120 км от ближайшей базовой станции даже при использовании усилителей и направленных антенн. Поэтому для покрытия определённой площади необходимо большее количество передатчиков, чем в NMT-450 и AMPS.

Система сотовой связи стандарта D-AMPS

В отличие от Европы, где для вновь разрабатываемой цифровой системы стандарта GSM был выделен отдельный частотный диапазон, в США не удалось обеспечить новую разработку собственной полосой частот. Поэтому Ассоциацией промышленности сотовой связи (CTIA) и Ассоциацией промышленности связи (TIA) было принято решение о совместном использовании в одной полосе частот систем двух стандартов: аналогового AMPS и нового цифрового D-AMPS.

Стандарт цифровой сотовой подвижной связи был разработан в 1990 г.; система связи на его основе получила название D-AMPS (или ADC).

Стандарт D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone Service) не принят в европейских странах, за исключением России, где он ориентирован на региональное использование. Ассоциациями TIA и CTIA были приняты три внутренних стандарта:

· IS-54 — на систему сотовой связи D-AMPS (ADC);

· IS-55 — на двухмодовую подвижную станцию, обеспечивающую связь по двум стандартам (аналоговому и цифровому);

· IS-56 — на базовые станции.

Внедрение этих стандартов было временным шагом на пути продвижения цифровой технологии на рынок сотовой связи США. И хотя стандарт IS-54 и не совсем цифровое решение, но он оказался более прогрессивным, чем его предшественник AMPS. В 1994 г. был принят новый национальный стандарт США IS-136 на полностью цифровую систему сотовой подвижной связи, который представляет собой усовершенствованный стандарт IS-54. По своим функциональным возможностям и предоставляемым услугам этот стандарт приближается к стандарту GSM и также использует доступ с временным разделением (TDMA). Сначала осуществляется преобразование аналогового речевого сигнала в цифровую последовательность, которая подвергается шифрованию и кодированию, что необходимо для защиты информации от ошибок в процессе передачи и приема.

· Ёмкость сетей сотовой связи, работающих в DAMPS ниже, чем в полностью цифровых системах (GSM, CDMA), но все же значительно выше, чем в аналоговых NMT-450 и AMPS.

· Ширина полосы канала — 300 кГц.

· Этот стандарт проигрывает GSM в возможности свободно менять устаревшие модели телефонов на новые и переносе старого номера в новый телефон. В GSM это делается сменой SIM-карты, в DAMPS это придётся делать в специальном сервисном центре оператора связи. Обновление моделей в этом секторе с каждым днём ускоряется, как и на компьютерном рынке.

Состав оборудования и его функциональное назначение D-AMPS почти полностью повторяют соответствующие положения стандарта GSM. Структурная схема сотовой системы связи стандарта D-AMPS (ADC) представлена на рисунке 7.

 

Рисунок 7 - Структурная схема сотовой системы связи стандарта D-AMPS (ADC)

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;

PSTN — телефонная сеть общего пользования;

ISDN — цифровые сети с интеграцией служб.

Сети AMPS постепенно будут заменяться сетями, работающими в цифровой версии этого стандарта. В ночь с 16 на 17 ноября 2007 г. специалисты компании "Вымпелком" отключили последние базовые станции стандарта D-AMPS в сети Билайн.