7.РАДИОИНТЕРФЕЙС МОБИЛЬНОГО ТЕЛЕФОНА СТАНДАРТА GSM

7.1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СТАНДАРТА GSM

В1982 г. под эгидой Европейской Конференции Администраций Почт и Электросвязи (СЕРТ - Conference of European Posts and Telegraphs),

объединяющей администрации связи 26 стран, была создана специальная группа Group Special Mobile с целью разработки единого европейского стандарта цифровой сотовой связи для выделенного диапазона 900 МГц. 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 - Глобальная система мобильной связи.

В1990 г. были опубликованы требования к системе сотовой связи стандарта GSM. Практическое применение общеевропейского стандарта GSM 900 началось в июле 1991 г.

Всоответствии с Рекомендациями СЕРТ стандарт GSM 900 предусматривает работу в двух диапазонах частот: 890...915 МГц - прямой канал (с БС на МС), 935...960 МГц - обратный канал (с МС на БС). Разнос по частоте прямого и обратного канала (дуплексный разнос) составляет 45 МГц.

Разнос частот между соседними каналами составляет 200 кГц. Таким образом, в отведенной для приема (передачи) полосе частот шириной 25 МГц размещаются 124 канала связи.

Встандарте GSM 1800 предусматривается работа в диапазонах 1710...1785 МГц (БС), и 1805...1880 МГц (МС), что при том же разносе частот между соседними каналами позволяет разместить 374 канала.

Встандарте GSM используется многостанционный доступ с временным разделением. Это позволяет на одном частотном канале разместить 8 физических каналов.

Обработка речи осуществляется на основе системы прерывистой передачи речи DTX, которая обеспечивает включение передатчика только во время разговора. Для преобразования речевых сигналов используется речевой кодек RPE/LTP-LPC с регулярным импульсным возбуждением и скоростью преобразования речи 13 кбит/с.

Для защиты от ошибок, возникающих в радиоканалах, применяется блочное и сверточное кодирование с перемежением. Повышение эффективности кодирования и перемежения достигается медленным переключением рабочих частот в процессе сеанса связи (217 скачков в секунду).

Для борьбы с замираниями сигналов, вызванных многолучевым распространением радиоволн, используются эквалайзеры, обеспечивающие выравнивание импульсных сигналов со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16 мкс.

Система синхронизации рассчитана на компенсацию абсолютного времени задержки сигналов до 233 мкс, что соответствует дальности связи (максимальному радиусу соты) 35 км.

90

Для модуляции радиосигнала используется спектрально-эффективная гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом

(GMSK).

Основные характеристики стандарта GSM сведены в таблицу 7.1 (в скобках приведены данные стандарта GSM 1800).

Табл. 7.1. Основные характеристики стандарта GSM

	Параметр			Числовое значение
прямой канал (с БС на МС)				890...915 (1710...1785) МГц
обратный канал (с МС на БС)				935...960 (1805...1880) МГц
разнос по частоте прямого и				45 МГц
обратного	канала	(дуплексный
разнос)
скорость	передачи	сообщений в		270,833 кбит/c
радиоканале
разнос частот между			соседними	200 кГц
каналами
количество каналов				124 (374)
вид множественного доступа				TDMA/FDMA
скорость преобразования речи				13 кбит/с
медленное	переключение		рабочих	217 скачков в секунду
частот в процессе сеанса связи
абсолютное время задержки сигналов				233 мкс
максимальный радиус соты				35 км
вид модуляции				гауссовская частотная манипуляция с
				минимальным частотным сдвигом
вид речевого кодека				кодек RPE/LTP-LPC

По выходной мощности МС делятся на 5 классов: 20 (класс 1), 8, 5, 2 и 0,8 (класс 5) Вт. Для мобильных телефонов типичным значением максимальной мощности является 2 Вт (класс 4).

В стандарте GSM предусмотрено управление мощностью излучения МС. Минимальный уровень излучения МС 20 мВт. МС оценивает качество принимаемого сигнала (по частоте битовых ошибок) и передает соответствующую информацию КБС, который принимает решение о регулировке уровня выходной мощности. Шаг регулировки мощности составляет 2 дБ.

7.2. АРХИТЕКТУРА РАДИОИНТЕРФЕЙСА. ЛОГИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ КАНАЛЫ

Как уже сказано, исходный стандарт GSM предусматривает работу в двух диапазонах частот - 890...915 МГц для передатчиков МС и 935...960 МГц

91

для передатчиков БС. В стандарте используется узкополосный (ширина полосы канала связи 200 кГц) многостанционный доступ, сочетающий частотное FDMA и временное ТDМА разделение каналов. В рамках частотного разделения стандарт с учетом защитных полос содержит 124 дуплексных канала с разносом частот приема и передачи в 45 МГц. Центральная частота канала (в МГц) связана с его номером соотношениями:

•обратный канал (uplink) - f0 = 890,200 + 0,200 i, 1 < i <124 ;

•прямой канал (downlink) - f0 = 935,200 + 0,200 i, 1 < i < 124.

Врамках временного разделения передача информации по каналу связи осуществляется в течение одного из 8 временных интервалов (слотов) длительностью 577 мкс на каждой из 124 несущих.

Организационно 8 слотов объединяются в кадры длительностью 4,615 мс, которые в свою очередь последовательно группируются в мультикадры, суперкадры и гиперкадры. Длительность последнего определяет период последовательности кадров во временной структуре стандарта GSM. Номер кадра в пределах гиперкадра используется как входной параметр при криптографической защите передаваемых данных. Общая структура кадров и количественные соотношения между ее элементами представлены на рис. 7.1.

Каждые 4,615 мс (т.е. для каждого кадра) несущая частота меняется по псевдослучайному закону (с сохранением дуплексного разноса 45 МГц). Всем активным абонентам, находящимся в одной соте, в процессе установления канала назначается единая частотно-временная матрица. Ортогональность последовательностей переключения частот для активных абонентов соты, работающих в одном временном слоте, обеспечивается различным начальным частотным сдвигом. В смежных сотах используются различные формирующие последовательности.

Цифровой информационный поток представляет собой последовательность пакетов, размещаемых в соответствующих временных интервалах (слотах). Пакеты формируются немного короче, чем слоты, их длительность составляет 0,546 мс, что необходимо для надежного приема сообщения при наличии дисперсии в канале. Информационное сообщение передается по радиоканалу со скоростью 270,833 кбит/с (слот содержит 156,25 бит, длительность одного бита 3,69 мкс).

По каналу связи передается либо информация сигнализации, либо кодированная речь или данные, поэтому в физическом канале могут быть реализованы либо логические каналы трафика, либо каналы управления, причем каждый из них может существовать в нескольких вариантах.

На рис. 7.2 показана классификация логических каналов стандарта GSM. Стрелки обозначают направление передачи: вниз - передача от БС к МС или передача сверху вниз (прямой канал), вверх - передача от МС к БС, снизу вверх (обратный канал), двунаправленная стрелка - передача в обоих направлениях. В стандарте GSM определены следующие типы логических каналов:

Пользовательские каналы (Т), или каналы трафика (traffic channels,

TCH) являются двусторонними. При передаче речи обеспечивают скорость

92

22,8 кбит/с или 11,4 кбит/с. Эти каналы используются и для передачи данных со скоростями от 2,4 кбит/с до 9,6 кбит/с. Определены следующие типы каналов трафика:

•TCH/FS (traffic channels I full speech) - полноскоростные каналы трафика речи, образуемые последовательностью слотов с одинаковыми номерами в пределах кадра;

•TCH/HS (traffic channels I half speech) - полускоростные каналы трафика речи, формируемые последовательностью слотов с одинаковыми номерами четных или нечетных кадров;

•TCH/F9.6, TCH/F4.8 - полноскоростные каналы трафика данных со скоростью 9,6 кбит/с и 4,8 кбит/с соответственно и др.

Каналы управления (control channels) обеспечивают передачу сигналов управления и синхронизации. Различают несколько типов каналов управления:

1.ВССН (broadcast control channels) - вещательные каналы управления (каналы обеспечения радиообмена). Предназначены для передачи сигналов управления в направлении от базовой станции к подвижной в вещательном режиме, т.е. без конкретной адресации, и обеспечивают настройку МС для работы с сетью. В состав логических каналов этого типа входят:

•FCCH (frequency correction channel - канал F подстройки частоты),

обеспечивающий подстройку частоты несущей в МС;

•SCH (synchronization channel - канал S синхронизации),

предназначенный для цикловой синхронизации МС в процедуре доступа и для передачи идентификатора БС, обслуживающей данную зону;

•ВССН (канал управления передачей) - контрольный канал В, используемый для передачи информации о зоне обслуживания (идентификатора зоны обслуживания LAI - location area identity, периода регистрации).

2.СССН (common control channels) - общие каналы управления:

•РСН (paging channel - канал вызова подвижной станции, или канал поиска С) - однонаправленный канал от БС к МС, используемый для организации входящего вызова к МС;

•AGCH (access grant channel - канал разрешения доступа G) направлен только от БС к МС и информирует МС о выделенном канале сигнализации);

•RACH (random access channel - канал случайного доступа R) предназначен для передачи от МС к БС запроса о номере временного интервала сигнализации при доступе ее к сети.

3.SDCCH (stand-alone dedicated control channels) - индивидуальные каналы управления, используемые в двух направлениях для связи между базовой и мобильной станциями.

Различают два вида таких каналов: SDCCH/4 и SDCCH/8 - индивидуальные каналы управления D, состоящие из 4 и 8 подканалов соответственно. Эти каналы предназначены для сигнализации в процессе установления соединения, например, для передачи результатов аутентификации и регистрации. По ним обеспечивается запрос подвижной

93

станции о требуемом виде обслуживания, контроль правильного ответа БС и выделение свободного канала связи, если это возможно.

4. АССН (associated control channels) - совмещенные каналы управления, которые также используются в двух направлениях. По направлению "вниз" передаются команды управления с БС, по направлению "вверх" - информация о статусе МС. Различают два вида таких каналов:

•SACCH (slow ACCH - медленный совмещенный канал управления - канал А). По этому каналу БС передает команды для установки уровня мощности передатчика МС, которая посылает данные об уровне установленной выходной мощности, измеренном приемником уровне радиосигнала и его качестве;

•FACCH (fast ACCH - быстрый совмещенный канал управления - канал А') служит для организации "эстафетной передачи".

Совмещенные каналы управления всегда объединяются с каналами связи (трафика) или индивидуальными каналами управления. Различают 6 видов объединенных каналов управления:

•FACCH/F = FACCH + TCH/F;

•FACCH/H = FACCH + ТСН/Н;

•SACCH/TF = SACCH + TCH/F;

•SACCH/TH = SACCH + ТСН/Н;

•SACCH/C4 = SACCH + SDCCH/4;

•SACCH/C8 = SACCH + SDCCH/8.

Двунаправленный канал трафика Т реализуется при частотном разделении физических каналов, связывающих БС с МС и МС с БС. В стандарте GSM прямые каналы используют диапазон 935...960 МГц, обратные - диапазон 890...915 МГц. Разнос по частоте прямого и обратного канала составляет 45 МГц. В каждом радиоканале имеется 8 временных интервалов, предназначенных для передачи информации от независимых источников. Таким образом, физический канал трафика задается указанием частотного поддиапазона радиоканала и номера временного интервала, используемого для передачи как вниз, так и вверх.

Однако МС следует дать время для обработки принятых сообщений и выполнения полученных команд управления. Поэтому временные циклы прямого и обратного каналов сдвинуты на 3 интервала, как это показано на рис. 7.3. Стрелками отмечены моменты передачи информации двухстороннего канала Т, размещенного во 2-м временном интервале. Комбинация, посланная БС во 2-м интервале, будет принята МС в 7-м, а пакет, переданный МС во 2-м дискрете, принят БС в 5-м.

94

Рис. 7.1. Временная структура радиоинтерфейса стандарта GSM

Рассмотрим более подробно структуру кадров (слотов) передачи данных. По структуре и информационному содержанию можно выделить 5 типов слотов:

•normal burst (NB) - нормальный временной интервал;

•frequency correction burst (FB) - интервал подстройки частоты;

• synchronization burst (SB) интервал временной синхронизации;

• dummy burst (DB) - установочный интервал;

access burst (AB) - интервал доступа, схематичное изображение которых представлено на рис. 7.4.

Сокращения, использованные при обозначении полей слотов, имеют следующее содержание:

•ТВ (tail bits) - запретный бланк (хвостовые биты);

•ED (encrypted data) - закодированная информация;

•SF (stealing flag) - скрытый флажок;

•TS (training sequence) - обучающая последовательность;

•GP (guard period) - защитный интервал;

•ETS (extended training sequence) - расширенная обучающая последовательность;

•ЕТ (extended tail) - расширенный защитный бланк.

Слоты типа NB используются для передачи информации по каналам трафика и управления (за исключением канала доступа RACH).

95

Рис. 7.3. Циклограмма обмена между МС и БС

На данном временном интервале содержится 114 бит зашифрованного сообщения, разбитого на два подблока по 57 бит, обучающая последовательность в 26 бит, разделяющая указанные информационные подблоки, два защитных бланка по 3 бита, защитный интервал в 8,25 бит и 2 скрытых флажка по 1 биту, которые служат признаком передаваемой информации - трафика или сигнализации.

Обучающая последовательность используется для решения следующих задач:

•оценка качества связи на основе сравнения принятой и эталонной последовательностей (определение частоты появления ошибок в двоичных разрядах - "битовых ошибок");

•оценка импульсной характеристики радиоканала и настройка адаптивного эквалайзера для последующей коррекции тракта приема сигнала;

•определение задержки распространения сигнала между БС и МС для оценки дальности радиосвязи.

Слоты FB предназначены для синхронизации по частоте подвижной станции. В этом временном интервале 142 бита являются нулевыми, что соответствует передаче немодулированной несущей со сдвигом на 1625/24 кГц выше ее номинального значения. Повторяющиеся временные интервалы FB образуют канал установки частоты FCCH.

Слоты типа SB используются для кадровой синхронизации, т.е. для синхронизации во времени базовой и подвижной станций. Каждый из них содержит 64 бита расширенной синхропоследовательности, а также информацию о номере кадра и идентификационный номер БС. Слоты SB всегда передаются в паре с FB и образуют канал синхронизации (SCH).

Слоты DB обеспечивают установление и тестирование канала связи. По своей структуре DB совпадает с NB и содержит установочную последовательность длиной 26 бит. Контрольные биты отсутствуют, и не передается никакой информации, а только устанавливается факт работы передатчика.

96

Рис. 7.4. Структура слотов стандарта GSM

Слоты АВ предназначаются для организации доступа подвижной станции к новой БС. Структура этих слотов значительно отличается от ранее рассмотренной. Специфичность ее объясняется тем, что слоты АВ определяют интервал, на котором подвижная станция впервые пытается установить связь с базовой. Поскольку время прохождения сигнала неизвестно, первая позиция слота отводится полю, являющемуся концевым у остальных типов. Расширенный защитный интервал в 68,25 бит, равный двойному значению наибольшей возможной задержки сигнала в соте, обеспечивает достаточное разнесение от сигналов других подвижных станций. Обучающая последовательность (41 бит) позволяет БС правильно принять последующие 36 бит информации от МС.

В каналах трафика ТСН и совмещенных каналах управления FACCH и SACCH используется 26-кадровый мультикадр (рис. 7.5). В полноскоростном канале (TCH/FS) в каждом 13-м кадре передается пакет информации канала SACCH, каждый 26-й кадр свободен. В полускоростном (TCH/HS) канале связи информация канала SACCH передается в каждом 13-м и 26-м кадрах мультикадра. Скорость передачи информационных сообщений составляет 22,8 кбит/с (24 кадра по 114 бит за 120 мс) для полноскоростного канала или по 11,4 кбит/с на каждый из двух полускоростных каналов. Полная скорость передачи в объединенном канале TCH/SACCH составляет 24,7 кбит/с.

97

Рис. 7.5. Организация полно- и полускоростных каналов

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

Для передачи каналов управления (кроме FACCH и SACCH) используется 51-кадровый мультикадр. На рис. 7.6 показана структура мультикадра при передаче объединенного канала ВССН/СССН в направлении "вниз". В этом канале передаются:

•общая информация о сети (соте), в которой находится подвижная станция, и о смежных сотах (канал ВССН);

•информация о временной (цикловой) синхронизации и опознавании приемопередатчика базовой станции (канал SCH);

•информация для синхронизации несущей (канал FCH);

•разрешение доступа подвижной станции (канал AGCH);

•вызов подвижной станции (канал РСН), если инициатором вызова является сеть.

По сигналам канала ВССН МС измеряет уровень сигнала БС рабочей ("своей") соты и до 16 смежных сот, а также код качества принимаемого сигнала в рабочей соте.

Рис. 7.6. Пример размещения логических каналов управления

Канал ВССН/СССН "вверх" используется только для передачи сигналов параллельного доступа RACH, который является единственным каналом управления от подвижной станции к сети. При этом подвижная станция может использовать для осуществления доступа к сети нулевой интервал в любом из

98