Элементы сотовой сети связи стандарта GSM:

· MS (Mobile Station) – подвижная станция;

· BSS– подсистема базовых станций (BSC+TCE+BTS);

· BTS (Base Station) – базовая станция;

· BSC (Base Station Controller) – контроллер базовой станции;

· TCE – транскодер;

· SSS (Switching SubSystem) – подсистема коммутации;

· MSC(Mobile Switching Center) – центр коммутации подвижной станции;

· HLP(Home Location Register) – регистр положения (домашний регистр);

· VLR (Vision Location Register) –гостевой регистр местоположения;

· AUC (Authentication Center) – центр аутентификации;

· EIR (Equipment Identity Register) – регистр идентификации оборудования;
· OMC (Operations and Maintenance Center) – подсистема эксплуатации и технического обслуживания.

Подсистема базовых станций BSS состоит из двух частей: базовых приемопередающих станций ВТS и контроллеров базовых станций ВSС. Зона облуживания разделяется на ячейки – соты, каждая из которых покрывается и контролируется одной ВТS. Базовая приемопередающая радиостанция обеспечивает физический радиоинтерфейс между подвижными станциями МS и соответствующим контроллером ВSС.

Базовая приемопередающая станция ВТS включает в себя набор приемопередатчиков, цифровые процессоры, размещаемые в составе устройств базовой станции, коммутационные шины различного назначения. Оборудование ВТS строится по модульному принципу, что обеспечивает возможность наращивания радиочастотных блоков. Все необходимое высокочастотное оборудование, цифровые устройства и источники питания конструктивно являются автономными. В базовой станции предусматривается объединение высокочастотных блоков через комбайнер для работы на одну антенну.

В ВТS используются направленные антенны с шириной диаграммы излучения в горизонтальной плоскости 120° и ненаправленные с круговой диаграммой направленности.

Контроллер базовой станции ВSС управляет, как правило, несколькими ВТS. Он контролирует соединения между базовыми радиостанциями и центром коммутации подвижной связи МSС и на основе данных, полученных от ВТS, принимает решение на осуществление процедуры эстафетной передачи обслуживания или, по другому, хендовера (handоvег).

ВSС управляет распределением радиоканалов, контролирует соединения, регулирует их очередность, обеспечивает режим работы с перескоком частоты, адаптацию скорости передачи для речи, данных и вызова, определяет очередность передачи сообщений персонального вызова.

Подсистема коммутации SSS включает следующее оборудование:

· центр коммутации подвижной связи МSC;

· домашний регистр местоположения НLR;

· визитный регистр местоположения VLR;

· регистр идентификации оборудования ЕIR;

· центр аутентификации АUС.

Центр коммутации подвижной связи МSС выполняет функции коммутации, необходимые для подвижного абонента, находящегося в зоне МSС. МSС устанавливает соединение к подвижному абоненту и от него, а также оказывает соответствующие услуги по доставке информации, предоставлению связи и дополнительные услуги.

Центр коммутации подвижной связи MSC обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается в процессе работы подвижная станция. МSС аналогичен коммутационной станции ISDN (цифровые сети с интеграцией служб) и представляет собой интерфейс между фиксированными сетями (телефонными сетями общего пользования – ТфОП, сетями пакетной передачи данных, цифровыми сетями с интеграцией служб и т.д.) и сетью подвижной связи. МSС обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами. Кроме выполнения функций обычной ISDN коммутационной станции, на МSС возлагаются функции коммутации радиоканалов, управления мобильностью и др. К ним относятся «эстафетная передача обслуживания» (или «handоvег»), в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении подвижной станции из соты в соту.

Каждый МSС обеспечивает обслуживание подвижных абонентов, расположенных в пределах определенной географической зоны. МSС управляет процедурами установления вызова и маршрутизации. Для телефонной сети общего пользования МSС обеспечивает функции сигнализации по протоколу ОКС № 7 и другие виды интерфейсов в соответствии с функциями конкретной сети.

МSС обрабатывает и формирует данные по состоявшимся разговорам и передает их в центр расчетов (биллинг-центр) для последующего формирования счетов за предоставленные сетью услуги связи. МSС составляет также статистические данные, необходимые для контроля работы и оптимизации сети.

МSС поддерживает процедуры безопасности, применяемые для управления доступами к радиоканалам. МSС не только участвует в управлении вызовами, но также управляет процедурами регистрации местоположения и передачи обслуживания.

Регистрация местоположения подвижных станций необходима для обеспечения достав-ки вызова перемещающимся подвижным абонентам от абонентов телефонной сети общего пользования или других подвижных абонентов. Процедура передачи обслуживания позволяет сохранять соединения и обеспечивать ведение разговора, когда подвижная станция перемещается из одной зоны обслуживания в другую. Передача вызовов в сотах, управляемых одним контроллером базовых станций ВSС, осуществляется этим ВSС. Когда передача вызовов осуществляется между двумя сетями, управляемыми разными ВSС, то первичное управление осуществляется в МSС. В стандарте GSМ также предусмотрены процедуры передачи обслуживания между сетями (контроллерами), относящимися к разным МSС.
Центр коммутации осуществляет постоянное слежение за подвижными станциями, используя HLR и VLR. В НLR хранится та часть информации о местоположении подвижной станции, которая позволяет центру коммутации доставить вызов станции.

Домашний регистр местоположения HLR содержит базу данных действующих подвижных абонентов, приписанных к НLR. Записанные данные позволяют абоненту использовать определенные основные и дополнительные услуги, обеспечиваемые системой. База данных содержит также информацию состояния на каждого подвижного абонента, необходимую, чтобы направить к нему вызов при роуминге. Подвижный абонент приписан к одному HLR и регистрируется в VLR, в зоне которого он находится в данный момент времени.

Регистр HLR содержит международный идентификационный номер подвижного абонента IMSI (International Mobile Subscriber Identity). Он используется для опознавания подвижной станции в центре аутентификации AUC.

Практически HLR представляет собой справочную базу данных о постоянно прописан-ных в сети абонентах. В ней содержатся опознавательные номера и адреса, а также параметры подлинности абонентов, состав услуг связи, специальная информация о маршрутизации. Ведется регистрация данных о роуминге абонента, включая данные о временном идентификационном номере подвижного абонента ТМSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) и соответствующем VLR.

К данным, содержащимся в HLR, имеют дистанционный доступ все МSС и VLR сети. Если в сети имеются несколько HLR, то каждый HLR представляет собой определенную часть общей базы данных сети об абонентах. Доступ к базе данных об абонентах осуществляется по номеру IMSI или МSISDN (номеру подвижного абонента в сети ISDN). К базе данных могут получить доступ МSС или VLR, относящиеся к другим сетям, в рамках обеспечения межсетевого роуминга.

Визитный регистр местоположения VLR – второе основное устройство, обеспечивающее контроль за передвижением подвижной станции из зоны в зону. VLR содержит абонентскую базу данных со всей информацией о подвижных абонентах, в том числе роумерах (роумеры – абоненты другой системы GSМ, временно использующие услуги данной системы в рамках процедуры «роуминга»), находящихся в зоне VLR. Эта информация, записанная в VLR, используется для установления соединений с подвижными абонентами или от них. Данные о подвижных абонентах могут быть разделены на три части:

· общие данные (например, международный идентификатор подвижной станции IMSI);

· данные аутентификации;

· данные переадресации вызова.

Эти данные об абонентах динамически заносятся в регистр VLR после перемещения подвижного абонента в зону, контролируемую этим VLR, и исключаются, когда он переходит в зону другого VLR.

VLR может распознать подвижного абонента, используя следующие абонентские адреса:

· международный идентификатор подвижной станции IMSI;

· роуминговый номер подвижной станции MSRN.

С помощью VLR достигается функционирование подвижной станции за пределами зоны, контролируемой HLR. Когда в процессе перемещения подвижная станция переходит из зоны действия одного контроллера базовой станции ВSС, объединяющего группу базовых станций, в зону действия другого ВSС, она регистрируется новым ВSС, и в VLR заносится информация о номере области связи, которая обеспечит доставку вызовов подвижной станции. Таким образом, VLR содержит данные, аналогичные хранящимся в HLR, до тех пор, пока абонент находится в зоне, контролируемой VLR.

В сети подвижной связи GSМ соты группируются в географические зоны LА (Location Area), которым присваивается свой идентификационный номер. Каждый VLR содержит данные об абонентах в нескольких LA. Когда подвижный абонент перемещается из одной LA в другую, данные о его местоположении автоматически обновляются в VLR. VLR обеспечивает также присвоение роумингового номера подвижной станции MSRN (Mobile Station Roaming Number). Когда подвижная станция принимает входящий вызов, VLR назначает ему MSRN и передает его на МSС, который осуществляет маршрутизацию этого вызова к базовым станциям, находящимся рядом с подвижным абонентом.

В целом VLR представляет собой локальную базу данных о подвижном абоненте для той зоны, где находится абонент, что позволяет исключить постоянные запросы в HLR и сократить время на обслуживание вызовов. Элементы МSС и VLR, как правило, объединены в один блок.

Регистр идентификации оборудования EIR содержит централизованную базу данных для подтверждения подлинности международного идентификационного номера оборудования подвижной станции IMEI (International Mobile Equipment Identity). Эта база данных относится исключительно к оборудованию подвижной станции. Регистр EIR хранит опознаватели оборудования подвижных станций. Используя эту информацию, МSС может проверить, допущено ли оборудование подвижного абонента к применению или применение запрещено. В EIR подвижные станции фиксируются в трех списках:

· в «белом списке» для допущенных к использованию подвижных станций;

· в «сером списке» для подвижных станций, у которых имеются проблемы с регистрацией, но они еще не перенесены в черный список;

· в «черном списке» для запрещенных к применению подвижных станций.

Центр аутентификации AUC для исключения несанкционированного использования ресурсов системы связи вводятся механизмы аутентификации – удостоверения подлинности абонента. Центр аутентификации состоит из нескольких блоков и формирует ключи и алгоритмы аутентификации. С его помощью проверяются полномочия абонента и осуществляется его доступ к сети связи.

Каждый подвижный абонент на время пользования системой связи получает стандартный модуль подлинности абонента SIM (Subscriber Identification Module), который содержит: персональный номер абонента PIN (Personal Identification Number), международный идентификационный номер IMSI, свой индивидуальный ключ Ki, алгоритм аутентификации (А3), алгоритм вычисления ключа шифрования (А8).

С помощью записанной в SIM информации в результате взаимного обмена данными между подвижной станцией и сетью осуществляется полный цикл аутентификации и разрешается доступ абонента к сети.

Подсистема эксплуатации и технического обслуживания ОМС состоит из двух основных комплексов:

· центра эксплуатации и технического обслуживания, выполняющего функции текущего руководства функционированием сети, ее технического обслуживания, обновления системы, проведения операций по загрузке команд и программного обеспечения на ВSS, МSС, HLR, VLR, EIR и AUC;

· центра управления сетью, который является центральным пунктом наблюдения за всей сетью GSМ, анализа ее функционирования и управления конфигурацией.

ОМС – центр эксплуатации и технического обслуживания, является центральным элементом сети О8М, который обеспечивает контроль и управление другими компонентами сети и контроль качества ее работы. ОМС соединяется с другими компонентами сети GSМ по каналам пакетной передачи протокола Х.25. ОМС обеспечивает функции обработки аварийных сигналов, предназначенных для оповещения обслуживающего персонала, и регистрирует сведения об аварийных ситуациях в других компонентах сети. В зависимости от характера неисправности ОМС позволяет обеспечить ее устранение автоматически или при активном вмешательстве персонала. ОМС может обеспечить проверку состояния оборудования сети и прохождения вызова подвижной станции. ОМС позволяет производить управление нагрузкой в сети. Функция эффективного управления включает сбор статистических данных о нагрузке от компонентов сети GSМ, записи их в дисковые файлы и вывод на дисплей для визуального анализа. ОМС обеспечивает управление изменениями программного обеспечения и базами данных о конфигурации элементов сети. Загрузка программного обеспечения в память может производиться из ОМС в другие элементы сети.

Функциональное сопряжение элементов системы осуществляется рядом интерфейсов. Все сетевые функциональные компоненты в стандарте GSМ взаимодействуют в соответст-вии с общеканальной системой сигнализации ОКС № 7.

Подвижная станция MS состоит из оборудования, которое служит ддя организации взаимодействия абонентов сетей GSМ и доступа к существующим фиксированным сетям электросвязи. В рамках стандарта GSМ приняты пять классов подвижных станций от модели 1-го класса с выходной мощностью 20 Вт, устанавливаемой на транспортном средстве, до портативной модели 5-го класса максимальной мощностью 0,8 Вт.

Включение MS происходит с подтверждением, а отключение без подтверждения. (При отключении без подтверждения, если сигнал об отключении не дошел, то сеть начинает поиск MS).

Первая регистрация (first registration) – эта процедура происходит при «включении» ПС. Сеть не имеет данных о местонахождении MS и отсутствуют данные об идентификаторе местанахождения. После включения питания MS в первую очередь определяет контрольный радиоканал с максимальным уровнем сигнала и после «подключения» к нему осуществляет синхронизацию и подстройку частоты.

1. MS ищет доступ к сети и передает информацию о том, что она является новым абонентом в данной зоне местонахождения;

2. На основании анализа принятого сообщения (IMSI), MSC обращается к HLR с заявкой на обновление данных местонахождения данной MS (ставит в соответствие номер IMSI и зону обслуживания MSC);

3. Обновление данных в HLR;

4. Подтверждение об обнавлении (в обратном направлении);

5. MSC, в зоне обслуживания которого находится MS, отмечает ее в VLR как активную, присваивая IMSI флаг «подключен»;

6. Подтверждение регистрации.

Если MS была включена, но не в активном состоянии, то выполняется процедура подключения, которая зависит от того: сменила ли MS зону местонахождения.

1. Если MS не сменила зону местонахождения, то процедура подключения заключается в передаче сообщения о подключении. Тогда MSC в VLR переводит MS в активное состояние, присваивая IMSI флаг «подключен».

2. При изменении зона местонахождения, процедура подключения выполняется также, как и при «первой регистрации».

Процедура отключения необходима для информирования сети о переходе MS из активного состояния в неактивное, чтобы сеть не осуществляла поиск MS при входящем вызове к ней. MS посылает сообщение MSC, который изменяет данные в VLR, присваивая IMSI данного абонента флаг «отключен».

Из-за плохого качества канала MSC может не получить сообщение и будет считать MS подключенной. Во избежание этого MS, находясь в активном состоянии, вынуждена периодически подтверждать свое активное состояние. Эти действия получили название – периодическая регистрация (periodic registration). Сообщения периодической регистрации имеют сообщения подтверждения, для того чтобы информировать MS и исключить повторные попытки регистрации.

Если MSC не получает периодическое сообщение регистрации MS, он выставляет для этого IMSI флаг «отключен».

Период регистрации может быть различным и определяется сетью. Msинформируется о периоде регистрации по контрольному каналу.

Отраженные сигналы могут вызывать временную дисперсию, если объект, от которого отражается сигнал находится на расстоянии в несколько километров. Основной и отраженный сигналы проходят разные пути, моменты их поступления в приемное устройство могут быть сдвинуты относительно друг друга на интервал времени, что затрудняет принятие решения о поступившем сигнале. Оптимальный прием можно обеспечить при адаптации приемника к используемому каналу, выступаещему как фильтр сигнала, т.е. необходимо иметь математическую модель канала, и в соответствии с нею подстраивать приемник.

При принятии какой-либо кодовой комбинации необходимо определить – какая комбинация была передана? Модель канала, через которую пропускают различные комбинации до получения требуемой.

Создание модели канала и корректировка сигнала осуществляется с помощью эквалайзера.

Спецификации GSM предусматривают, что эквалайзер должен обеспечивать выравнивание импульсных сигналов со среднеквадратическими отклонениями времени задержки до 16 мкс. Работа эквалайзера основана на использовании алгоритма Витерби. В формате передаваемого сигнала предусматривается наличие стандартной кодовой комбинации. На приемном конце принятая кодовая комбинация сравнивается с эталонной, и по результатам сравнения вырабатывается модель канала. После создания модели принятый сигнал корректируется, при этом маловероятные комбинации за счет использования алгоритма Витерби не учитываются для сокращения вычислений. Т.о., для устранения помех, вызываемых временной дисперсией, необходима передача дополнительной информации, обеспечивающей функционирование эквалайзера.

GSM является цифровой системой, и, следовательно, аналоговая речь, поступающая в систему, должна быть оцифрована.

Кодер речи является первым элементом собственно цифрового участка передающего тракта АЦП. Основная задача кодера – предельно возможное сжатие сигнала речи, представленного в цифровой форме, т.е. предельно возможное устранение избыточности речевого сигнала, но при сохранении приемлемого качества передачи речи. Компромисс между степенью сжатия и сохранением качества отыскивается экспериментально, а проблема получения высокой степени сжатия без чрезмерного снижения качества составляет основную трудность при разработке кодера. В приемном тракте перед ЦАП размещен декодер речи; задача декодера – восстановление обычного цифрового сигнала речи (с присущей ему естественной избыточностью) по принятому кодированному сигналу. Сочетание кодера и декодера называют кодеком.

Кодирование источника сигнала, или кодирование параметров сигнала, первоначально основывался на данных о механизмах речеобразования, т.е. этот метод использовал своего рода модель голосового тракта и приводил к системам типа анализ-синтез, получившим название вокодерных систем, или вокодеров (кодер голоса или кодер речи). Ранние вокодеры позволяли получать весьма низкую скорость передачи информации, но при характерном «синтетическом» качестве речи на выходе. Поэтому вокодерные методы долгое время оставались в основном областью приложения усилий исследователей и энтузиастов, не находя широкого практического применения.

Ситуация существенно изменилась с появлением метода линейного предсказания, предложенного в 1960-х годах и получившего мощное развитие в 1980-х годах на основе достижений микроэлектроники.

В настоящее время в системах подвижной связи получили распространение вокодерные методы на основе метода линейного предсказания. Суть кодирования речи на основе метода линейного предсказания (Linear Predictive Coding – LРС) заключается в том, что по линии связи передаются не параметры речевого сигнала, а параметры некоторого фильтра, в определенном смысле эквивалентного голосовому тракту, и параметры сигнала возбуждения этого фильтра. В качестве такого фильтра используется фильтр линейного предсказания. Задача кодирования на передающем конце линии связи заключается в оценке параметров фильтра и параметров сигнала возбуждения, а задача декодирования на приемном конце – в пропускании сигнала возбуждения через фильтр, на выходе которого получается восстановленный сигнал речи.

Значения коэффициентов предсказания, постоянные на интервале кодируемого сегмента речи (на практике длительность сегмента составляет 20 мс), находятся из условия минимизации среднеквадратического значения остатка предсказания на интервале сегмента.

Таким образом, процедура кодирования речи в методе линейного предсказания сводится к следующему:

· оцифрованный сигнал речи нарезается на сегменты длительностью 20 мс;

· для каждого сегмента оцениваются параметры фильтра линейного предсказания и параметры сигнала возбуждения; в качестве сигнала возбуждения в простейшем случае может выступать остаток предсказания, получаемый при пропускании сегмента речи через фильтр линейного предсказания с параметрами, полученными из оценки для данного сегмента;

· параметры фильтра и параметры сигнала возбуждения кодируются по определенному закону и передаются в канал связи.

Процедура декодирования речи заключается в пропускании принятого сигнала возбуждения через синтезирующий фильтр известной структуры, параметры которого переданы одновременно с сигналом возбуждения.

Во-первых, линейное предсказания – кратковременное предсказание (STP – Short-Term Prediction) не обеспечивает достаточной степени устранения избыточности речи. Поэтому в дополнение к кратковременному предсказанию используется еще долговременное предсказание (LTP – Long-Term Prediction), в значительной мере устраняющее остаточную избыточность и приближающее остаток предсказания по своим статистическим характеристикам к белому шуму.

В стандарте GSM используется метод RPE-LTP (Regular Pulse Excited Long Term Predictor – линейное предсказание с возбуждением регулярной последовательностью импульсов и долговременным предсказателем).

Блок предварительной обработки кодера осуществляет:

· предыскажениевходного сигнала при помощи цифрового фильтра, подчеркивающего верхние частоты;

· нарезание сигнала на сегменты по 160 выборок (20 мс);

· взвешивание каждого из сегментов окном Хэмминга («косинус на пьедестале» – амплитуда сигнала плавно спадает от центра окна к краям).

Далее для каждого 20-миллисекундного сегмента оцениваются параметры фильтра кратковременного линейного предсказания – 8 коэффициентов частичной (порядок предсказания М = 8), которые для передачи по каналу связи преобразуются в логарифмические отношения площадей, причем для функции логарифма используется кусочно-линейная аппроксимация.

Сигнал с выхода блока предварительной обработки фильтруется решетчатым фильтром-анализатором кратковременного линейного предсказания и по его выходному сигналу (остатку предсказания) оцениваются параметры долговременного предсказания: коэффициент предсказания и задержка. При этом 160-выборочный сегмент остатка кратковременного предсказания разделяется на 4 подсегмента по 40 выборок в каждом.

В качестве сигнала возбуждения выбирается та из последовательностей, энергия которой больше. Амплитуды импульсов нормируются по отношению к импульсу с наибольшей амплитудой, и нормированные амплитуды кодируются тремя битами каждая при линейной шкале квантования. Абсолютное значение наибольшей амплитуды кодируется шестью битами в логарифмическом масштабе. Положение начального импульса 13-элементной последовательности кодируется двумя битами, т.е. кодируется номер последовательности, выбранной в качестве сигнала возбуждения для данного подсегмента.

Таким образом, выходная информация кодера речи для одного 20-миллисекундного сегмента речи включает параметры:

· фильтра кратковременного линейного предсказания;

· фильтра долговременного линейного предсказания;

· сигнала возбуждени.

Число битов, отводимых на кодирование передаваемых параметров, для одного 20-миллисекундного сегмента речи передается 260 бит информации, т.е. рассмотренный речевой кодер осуществляет сжатие информации по отношению к несжатому оцифрованному речевому сигналу (20 миллисекундному сегменту соответствует 160 восьмиразрядных отсчетов или 1280 битов) почти в 5 раз (1280: 260 = 4,92). Перед выдачей в канал связи выходная информация кодера речи также подвергается дополнительно канальному кодированию.

Речь разделяется на 20 миллисекундные фрагменты, каждый из которых кодируется в 260 битов, давая суммарную скорость передачи 13 kbps.

Декодер. Последовательность выполняемых им функций иллюстрируется на рис. 3.4. Блок формирования сигнала возбуждения, используя принятые параметры сигнала возбуждения, восстанавливает 13-импульсную последовательность сигнала возбуждения для каждого из подсегментов сигнала речи, включая амплитуды импульсов и их расположение во времени. Сформированный таким образом сигнал возбуждения фильтруется фильтром-синтезатором долговременного предсказания, на выходе которого получается восстановленный остаток предсказания фильтра-анализатора кратковременного предсказания.

Последнийфильтруется решетчатым фильтром-синтезатором кратковременного предсказания, причем параметры фильтра предварительно преобразуются из логарифмических отношений площадей, в коэффициенты частичной корреляции. Выходной сигнал фильтра-синтезатора кратковременного предсказания фильтруется (в блоке постфильтрации) цифровым фильтром, восстанавливающим амплитудные соотношения частотных составляющих сигнала речи, т.е. компенсирующим предыскажение, внесенное входным фильтром блока предварительной обработки кодера. Сигнал на выходе постфильтра является восс новленным цифровым сигналом речи.