Дипломная работа: Модернизация сотовой сети стандарта GSM с применением технологий GPRS и EDGE

Прежде чем приступить к изучению структуры и особенностей GPRS-сети, ознакомимся с технологией GSM, поскольку возможности высокоскоростной передачи данных являются ее органичным дополнением. Коснемся некоторых организационных и исторических аспектов. В начале 80-х гг. в Европе функционировало множество несовместимых национальных систем сотовой связи, что крайне негативно отражалось на стоимости оборудования, делая невозможным ее снижение за счет массовости производства. В 1982 г. в рамках организации Conference of European Posts and Telegraphs (CEPT) была образована рабочая группа под названием Groupe Special Mobile (GSM), главными задачами которой стали удешевление оборудования, повышение качества связи, поддержка международного роуминга и достижение совместимости с (ISDN) Integrated Services Digital Network - цифровая сеть с интеграцией функций, позволяет осуществлять высокоскоростные передачи голосовых данных, информации или видео посредством существующих линий инфраструктуры. Кначалу 90-х GSM былапереданаподюрисдикцию European Telecommunication Standards Institute (ETSI). Коммерческое внедрение разработанной технологии началось с середины 1991 г., со временем одна из разновидностей этого стандарта получила распространение и в Северной Америке, а аббревиатуру GSM стали толковать, как Global System for Mobile. В Европе для восходящего и нисходящего потоков соединения с мобильным терминалом используются диапазоны частот 890-915 MHz и 935-960 MHz. Доступ осуществляется по комбинированной методике TDMA/ FDMA. В частотном диапазоне шириной 25 MHz размещается 124 несущих, разделенных промежутками в 200 kHz. Каждая базовая станция привязана к одной или более частотам. В свою очередь передача данных выполняется с разделением по времени. Информация упаковывается в фреймы TDMA, состоящие из 8 элементов длительностью около 0,577 мс, так называемые временные слоты. Структура данных, размещенная в рамках такого слота, называется (пакет). Таким образом, одна несущая обслуживает сразу несколько логических каналов, каждому из них отводится определенное количество слотов. Каналы делятся на присвоенные, доступ к которым может иметь только один конкретный мобильный терминал, и общие, или управляющие, доступные всем устройствам в режиме ожидания. Передача данных осуществляется через Traffic Channel (TCH). Он относится к первой группе и использует в качестве минимальной структурной единицы мультифрейм длительностью 120 мс, состоящий из 26 фреймов. Для упрощения электроники терминалов мультифреймы восходящего и нисходящего потоков передаются последовательно и разделены во времени паузой, равной трем слотам. Это означает невозможность полнодуплексного соединения в сетях GSM. Согласно техническим спецификациям, различают следующие разновидности каналов TCH: голосовые - 14,4 Kbps, данных - 9,6 Kbps, 4,8 Kbps и 2,4 Kbps, а также СВСН - Cell Broadcast Channel. Скорости 14,4 Kbps для данных удается достичь только за счет удаления заголовочной структуры блоков TCH и специальных алгоритмов коррекции ошибок. Так как GSM является цифровой сетью, для передачи не голосовых данных не требуется отдельного модема.

Для инициирования вызовов и прочей служебной информации предназначены управляющие каналы (Control Channels), оперирующие мультифреймами из 51 фрейма. Мобильный терминал может использовать общий канал не только в режиме ожидания, но и во время передачи данных по ТСН. Есть несколько типов таких каналов, в том числе:

· Broadcast Control Channel (ВССН) - однонаправленный канал, по которому постоянно передается информация о параметрах и конфигурации базовой станции;

· Frequency Correction Channel (FCCH) и Synchronisation Channel (SCH) - используются при синхронизации терминалов с временными параметрами логических каналов;

· Random Access Channel (RACH), Paging Channel (PCH) - отвечают за инициализацию исходящих и входящих вызовов;

· Access Grant Channel (AGCH) -обслуживает процедуры присваивания канала.

Разнообразие назначений каналов вызвало появление четырех разновидностей элементарной структуры данных (burst):

· Normal (нормальная) - общей длиной 156 бит, содержит 114 бит полезных данных;

· F-burst и S-burst - с иной структурой, но той же длины, используются в каналах FCCH и SCH;

· Access burst - более короткая, предназначена для канала RACH.

Для передачи цифровых данных через аналоговый радиоканал используется метод гауссовой модуляции с минимальным сдвигом (Gaussian Minimum Shift Keying, GMSK). Теоретически полная пропускная способность физического канала составляет около 270 Kbps. По информации Motorola, ее оборудование реально обеспечивает 172 Kbps на одной несущей, базовая станция поддерживает в стандартной конфигурации 6 несущих, хотя в принципе их количество можно увеличить до 24. Это дает нам соты (0,1-70 км) от 1 Mbps до 4 Mbps (если методы увеличения числа несущих не приводят к уменьшению удельной пропускной способности). Частично нейтрализовать влияние аномальных “провалов”, возникающих на отдельных участках спектра в результате многопутевого распространения сигналов с появлением отражений, удается периодической сменой частоты (frequency hopping). Каждый следующий фрейм передается на другой частоте, при этом в секунду выполняется 217 скачков. Схема, по которой осуществляются скачки, постоянно транслируется базовой станцией по каналу ВССН. Несмотря на заявленную совместимость с ISDN, пропускная способность одного присвоенного логического канала не превышает 14 Kbps.

Что касается услуг, то здесь разработчики стандарта с самого начала стремились обеспечить совместимость сетей GSM и ISDN (Integrated Service Digital Network) по набору предлагаемых услуг. Помимо привычной телефонной связи пользователю GSM предоставляются разнообразные услуги передачи данных. Абоненты GSM могут осуществлять обмен информацией с абонентами ISDN, обычных телефонных сетей, сетей с коммутацией пакетов и сетей связи с коммутацией каналов, используя различные методы и протоколы доступа, например Х.25. Возможна передача факсимильных сообщений, реализуемых при использовании соответствующего адаптера для факс-аппарата. Уникальной возможностью GSM, которой не было в старых аналоговых системах, является двунаправленная передача коротких сообщений SMS (Short Message Service) - до 160 байт, передаваемых в режиме с промежуточным хранением данных.

В "цифре" удалось реализовать дополнительные возможности, которые недоступны в аналоговых стандартах предыдущего поколения. В основном это относится к качеству звучания голоса собеседника (качество передачи и кодирования речи), аутентификации абонента и автоматическому роумингу. Кроме того, это:

· использование 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 масштабе;

межсетевой роуминг абонентов GSM с абонентами сетей стандартов DCS1800, PCS1900, DECT, а также со спутниковой системой персональной радиосвязи Globalstar.

Хотя сам принцип сотовой связи был придуман в Америке, первые коммерческие системы - на базе NMT - появились в Европе, а стандарту GSM вообще удалось выйти за пределы Европы и по сути завоевать весь мир: по некоторым оценкам, пользователи GSM составляют свыше половины абонентов сотовых сетей во всем мире.

GSM получил прописку на всех континентах и проник - в виде GSM 1800 - даже в Америку. Конечно, успех любой технологии определяется не только (а часто и не столько) ее техническими достоинствами, но в случае GSM они сыграли немаловажную роль. Еще в начале 80-х гг., когда сотовая связь только-только зарождалась, европейские правительства и операторы создали рабочую группу Group Special Mobile для разработки общеевропейского стандарта сотовой связи, причем с самого начала они ориентировались на цифровую связь, хотя в то время эффективных алгоритмов сжатия речи еще не было. Разработка стандарта заняла без малого десять лет, и первые коммерческие сети появились только в самом начале 90-х гг. Однако в то время на американском рынке доминировали аналоговые системы AMPS, а по сравнению с ними GSM был гигантским шагом вперед.

Как цифровая технология, помимо передачи речи GSM может поддерживать и передачу данных. Прежде всего, это широко доступная для абонентов GSM служба коротких сообщений (Short Message Service, SMS), причем сообщения (длиной до 160 байт) могут передаваться в обоих направлениях. SMS может использоваться, например, для автоматического оповещения администратора о каких-либо событиях в сети, так как сообщения могут отправляться не только с телефона на телефон, но и через Internet. При наличии модема сотовый телефон может использоваться для передачи файлов с компьютера и других подобных целей. Конечно, скорость передачи при этом небольшая, да и обходится это не дешево, но для нас важно наличие принципиальной возможности, тем более что скорости увеличиваются - с 9,6 до 14,4 Кбит/с, а в скором времени - и свыше сотни килобит в секунду, а цены падают. Кроме того, в определенных ситуациях деньги отходят на второй план.

Новое поколение сотовых телефонов оснащается микроброузерами, так что их можно непосредственно использовать для чтения сообщений электронной почты, просмотра информации Web и т. п. Все это ведет к тому, что сотовые телефоны становятся такими же компонентами корпоративной сети, как, например, PDA, тем более что некоторые производители совмещают функции обоих в одном устройстве

Теперь рассмотрим основные элементы структуры сети GSM. Мобильные терминалы взаимодействуют посредством радиоинтерфейса с подсистемой базовой станции (Base Station Sub-system), которая включает в себя два основных элемента: Base Tranceiver Station (BTS) и Base Station Controler (BSC). Первый из них - это комплекс передатчиков, определяющий элементарную соту сети. Второй - управляющее оборудование, заведующее инициализацией каналов и алгоритмом частотных скачков. Одна BSC может обслуживать сразу несколько BTS, что позволяет разбивать зону обслуживания на более мелкие соты, обмен данными между которыми происходит по стандартному интерфейсу Abis. Вообще максимальное использование стандартизированных протоколов необходимо, чтобы не было зависимости операторов от одного поставщика оборудования. Все BSC-подсистемы базовой станции связаны с (NSS) Network Subsystem, где Mobile services Switching Center (MSC), выполняет функции коммутатора как для соединений в рамках своей зоны обслуживания, так и при взаимодействии с общественными сетями (PSTN, ISDN и т. д.). MSC всвоейработепользуетсяуслугамичетырехдругихкомпонентовподсистемы: Home Location Register (HLR), Visitor Location Register (VLR), Equipment Identity Register (EIR) и Authentication Center (AuC). Первые два отвечают за функции учета и контроля: HLR содержит информацию обо всех подписчиках, зарегистрированных в сети оператора, а VLR оперирует подмножеством данных из HLR (сведения о пользователях, в настоящий момент находящихся в зоне ответственности определенного MSC). Другие два регистра обеспечивают хранение различных идентификционных данных: EIR - описывает все зарегистрированные в сети мобильные терминалы согласно регистру International Mobile Equipment Identity (IMEI), AuC - содержит базу секретных ключей SIM-карт подписчиков.

Обмен данными между всеми компонентами сетевой подсистемы регламентируется стандартом Signalling System 7. Необходимо отметить, что большинство производителей интегрирует VLR с MSC.

Основная идея General Packet Radio Service состоит в максимальном использовании пакетной идеологии современных цифровых сетей. Учитывая опыт Internet-коммуникаций, легко понять, что передача данных в подобной среде обычно носит неравномерный, взрывной характер. Коммутация на уровне пакетов позволяет гибко регулировать доступную пользователю пропускную способность в зависимости от текущей нагрузки на сеть, а значит, более эффективно использовать радиочастотные ресурсы. Согласно методике GPRS, каждый мобильный терминал может занять под свои данные более одного логического канала, соответственно наращивая пропускную способность соединения по формуле: 14,4 Kbps x колво каналов. Выделение радиоресурсов для передачи пакета будет происходить достаточно быстро, задержка не должна превышать 1 секунды. Таким образом, создается иллюзия постоянного подключения к сети.

К тому же, введение GPRS будет способствовать более бережливому и рациональному распределению радиочастотного ресурса, можно сказать, что "пакеты" данных предполагается передавать одновременно по многим каналам (именно в одновременном использовании нескольких каналов и заключается выигрыш в скорости) в паузах между передачей речи. И только в паузах - голосовой трафик имеет безусловный приоритет перед данными, так что скорость передачи информации определяется не только возможностями сетевого и абонентского оборудования, но и загрузкой сети. Подчеркну, что в GPRS ни один канал не занимается под передачу данных целиком - и это основное качественное отличие новой технологии от используемых ныне.

2. ЦИФРОВАЯ СОТОВАЯ СИСТЕМА ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ СТАНДАРТА GSM

2.1 Общие характеристики стандарта GSM

В соответствии с рекомендацией СЕРТ 1980 г., касающейся использования спектра частот подвижной связи в диапазоне частот 862-960 МГц, стандарт GSM на цифровую общеевропейскую (глобальную) сотовую систему наземной подвижной связи предусматривает работу передатчиков в двух диапазонах частот: 890-915 МГц (для передатчиков подвижных станций - MS), 935-960 МГц (для передатчиков базовых станций - BTS) [1, 2].

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--