GSM tinklai
Įvadas
GSM (Global System for Mobile Communications) tai pats populiariausias
standartas mobiliesiems telefonams pasaulyje. Šiandien GSM telefonai
naudojami daugiaiu kaip milijardo žmonių daugiau kaip 200 šalų. GSM tinklų
buvimas visur, leidžia naudotis telefono operatoriais ne tik savoje bet ir
kitose šalyse, su sutartimis tarp operatorių. GSM pagrindinis skirtumas nuo
jo primtakų tas kad visi jo kanalai, tame tarpe ir kalbos, yra
skaitmeniniai, o tai reiškia kad GSM yra antros kartos mobilųjų telefonų
sistema. Šis faktas taip pat reiškia tai jog duomenų komunikacijos sistemos
pradėjo plėtotis jau senai.
Paplitus ppirmos kartos sistemoms, tapo aišku, kad mobiliojo ryšio
paslaugos vartotojams yra patrauklios, jų apimtis ir vartotojų skaičius
greitai auga.
GSM paslaugos tapo pačios populiariausios Europoje ir vienos iš
populiariausių pasaulyje, o GSM telefonas perėjo iš prabangos reikmenų
kategorijos į vartojamųjų reikmenų kategoriją. Jau dabar mobiliųjų telefonų
Lietuvoje yra daugiau negu fiksuoto ryšio telefonų.
Toks GSM pasisekimas, be akivaizdžių pranašumų, yra ir didelis iššūkis
standartų kūrėjams, įrangos gamintojams ir tinklų operatoriams. Bevieliai
tinklai turi perduoti didelius informacijos kiekius, bet tam reikia
įvairiais būdais padidinti GSM tinklo talpą.
1 GSM ISTORIJA
1980 metais analoginės korinės telefono sistemos pradėjo stipriai
plėtotis Europoje, daugiausia skandinavijos šalyse ir Didžiojoje
Britaniojoje, taip pat Prancūzijoje ir Vokietijoje. Kiekviena šalis išvystė
savo sistemą, kurios buvo nesuderinamos su kitų šalių įranga ir
operacijomis. Tai buvo nepageidaujama situacija, ne vien dėlto kad
mobilioji įrangos galimybės buvo apribotos valstybės sienomis, kas
suvienytoje Europoje darosi vis svarbiau, bet ir dėl to kad kiekvienam
įrangos tipui buvo maža rinka, o tai buvo ekomiškai nenaudinga.
Taigi 1982 metais posėdyje CEPT (Conference of European Post and
Telecommunications) buvo suformuota mokslinė grupė pavadinimu Groupe
Spécial Mobile (GSM) kad išstudijuotu ir išvystytu Europiečių mobiląją
sistemą. Pateikta sistema turėjo atitikti tokius reikalavimus:
Gera balso perdavimo kokybė
Maža terminalo ir paslaugų kaina
Palaikytų tarptautinius pokalbius
Galimybė palaikyti rankinius terminalus
Galimybė plėtoti paslaugas ir įranga
Suderinamas su ISDN
1989 m. Atsakomybė už GSM tinklus buvo perleista Europos
Telekomunikacijų Standartų Institutui (ETSI), kuris apibrėžė GSM, kaip
visuotinai priimtiną skaitmeninį korinį ryšio standartą. GSM tapo ETSI
techniniu komitetu. 1990 Patvirtintos pirmos fazės GSM 900 specifikacijos.
Komercinės paslaugos pradėtos teikti 1991, ir 1993 buvo 36 tinklai 22
skirtingose šalyse, bei 25 šalys buvo pasirinkusios ar apsvarsčiusios GSM
plėtojimo galimybę. Tai ne tik Europiečių standartas – Pietų Afrika,
Australia, taip pat dauguma vidurio ir Tolimųjų Rytų šalys pasirinko GSM.
1994 pradžioje buvo 1,3 mln abonentų visame pasaulyje. Dabar GSM šifruojasi
kaip Global System for Mobile telecommunications.
GSM vystytojai pasirinko neaprūpinta (tuo metu) skaitmeninę sistemą, o
ne tų laikų standartą analoginę korinę sistemą kaip AMPS Jungtinėse
Valstijose ar TACS Didžiojoje britanijoje. Jie tikėjo kad pažanga algoritmų
suspaudime ir skaitmeninių signalų procesorių srityse leis daug pasiekti,
siekiant patenkinti kkeliamus reikalavimus ir nuolat tobulinti sistemą kainų
ir kokybės srityje. 8000 puslapių GSM rekomendacijose bandoma sudaryti
sąlygas tinklo lankstumui ir konkurencijai tarp daugelio tiekėjų, tai pat
nustatyti pakankamai nurodymų kad garantuoti sklandų bendradarbiavimą tarp
tinklo komponentų. Iš dalies tai buvo įgivendinta parengiant sąsajų ir
funkcijų aprašymus kiekvienos funkcinės dalies esančios sistemoje.
2. GSM TIEKIAMOS PASLAUGOS
Nuo pat pradžių, GSM projektuotojai norėjo siūlomų paslaugų
suderinamumo su ISDN. Radio ryšys sudarė šiokius tokius apribojimus, vis
dėlto standartinis ISDN greitis 64 kbps praktiškai negalėjo būti pasiektas.
Naudojant ITUT apibrėžimus, telekomunikacinės paslaugos galėjo būti
suskirstytos į ryšio paslaugas, telepaslaugas, ir papildomas paslaugas.
Skaitmeninė GSM prigimtis leidžia sinchroniniams, ir asinchroniniams
duomenims būti perduotiems kaip ryšio paslauga į ar iš ISDN terminalo.
Duomenims perduoti gali būti naudojamas transparent service, kuris turi
fiksuota vėlinimą bet nėra užtikrintas duomenų vientisumas, arba
nontransparent service, kuris užtikrina duomenų vientisumą per automatinį
užklausų kartojimo (Automatic Repeat Request) mechanizmą, bet su kintamu
vėlinimu. GSM palaikomas duomenų perdavimo greitis yra 300 bps, 600 bps,
1200 bps, 2400 bps, ir 9600 bps.
Pati pagrindinė GSM palaikoma paslauga yra telefonija. Yra pagalbos
paslauga, kur susisiekiama su artimiausu paslaugų tiekėju surenkant 3
skaitmenis. Grupė 3 fax, analogiškas metodas aprašytas ITUT
rekomendacijose, jis taip pat palaikomas naudojant atitinkamą fakso
adapterį. Unikali GSM savybė, palyginti su sena analoginė sistema, tai
trumpųjų žinučių paslauga (SMS). SMS yra dvikryptė paslauga siūsti trumpas
raidines-skaitmenines ((iki 160 ženklų) žinutes. Dėl abipusio ryšio SMS gali
būti nusiūsta kitam tinklo abonentui ir gali būti atsūstas patvirtinimas
siuntėjui. SMS gali būti naudojamas teleteksto rėžimu, kad siūsti žinutes
kaip naujienų pranešimus. Žinutės gali būti saugomos SIM kortelėje ar
telefone, vėlesniam naudojimui.
Papildomos paslauaugos yra numatytos virš telepaslaugų ar ryšio
paslaugų, ir susideda iš tokių savybių kaip skambinančio identifikavimas,
skambučio peradresavimas, skambučio laukimas, grupiniai pokalbiai,
tarptautiniai pokalbiai tarp kitų.
3. GSM ARCHITEKTŪRA
GSM tinklas susideda iš keleto funkcinių vienetų, kurių funkcijos ir
sąsajos yra apibrėžtos. Paveiksliukas rodo bendrą GSM shemą. GSM tinklas
gali būti skirstomas į 3 pagrindines dalis. 1. Mobilioji stotis MS
(telefonas) yra pas tinklo abonentą. 2. bazinė stotis (BTS) kontroliuoja
radio ryšį su mobiląją stotim, ji per bazinės stoties valdiklį (BSC)
jungisi su MSC. 3 Tinklo posistemė yra pagrindinė dalis su kuria mobilųjų
paslaugų komutacijos centras (MSC) atlieka skambučių sujungimą tarp
fiksuoto arba mobilaus tinklo abonento, taip pat kontroliuoja mobiląsiąs
paslaugas, tokias kaip autentiškumą. Neparodytas yra operacijų ir valdymo
centras, kuris prižiūri tinklo veiklą ir kad operacijos būtų vykdomos
tinkamai. Mobiliosios stoties ir pagrindinės stoties posistemės bendrauja
per Um sąsają, taip pat žinomą kaip oro sąsają ar radio ryšį. Pagrindinės
stoties posistemė bendrauja su mobiliųjų paslaugų sujungimo centru per A
sąsają.
3.1 Mobilioji stotelė
Mobilioji stotelė (MS) susideda iš fizinės įrangos, tokios kaip radio
siūstuvas ir imtuvas, displėjaus ir skaitmeninio signalų procesoriaus, be
to kortelės kuri vadinama abonento identifikavimo modulis (Subscriber
Identity Module – SIM). SIM kortelė suteikia asmeninį mobilumą, taigi
vartotojas turi galimybę naudotis visomis užsisakytomis paslaugomis,
nepriklausomai nuo telefono esamos vietos ir konkretaus telefono. Idėjęs
SIM kortelę į kita GSM telefoną vartotojas gali naudotis visomis tinklo
tiekiamomis paslaugomis.
Mobilioji įranga yra atpažystama pagal unikalų tarptautinį mobilios
įrangos kodą (IMEI). SIM kortelė turi tarptautinį mobilaus tinklo abonento
kodą (IMSI), kuris identifikuoja abonentą per slaptą raktą autentifikavimui
ir kitą vartotojo informaciją. IMEI ir IMSI yra nepriklausomi, taigi
suteikia asmeninį mobilumą. SIM kortelė gali būti apsaugota slaptažodžiu
kad ja nepasinaudotu pašaliniai asmenys.
3.2 Bazinė stotis
Bazinė stotis yra sudaryta iš dviejų dalių tai: pagrindinio siūstuvo-
imtuvo (BTS) ir pagrindinės stoties kontrolerio (BSC). Jie abu dirba per
specialią Abis sąsają, leidžiančią (kaip ir likusiai sistemos daliai)
vykdyti operacijas tarp komponentų pagamintų skirtingų tiekėjų.
Pagrindinė siūstuvo-imtuvo stotis susideda iš radio siūstuvų ir imtuvų
kurie nustato telefono lastelę ir valdo radioryšio protokolus su mobiliuoju
telefonu. Didelėje miesto teritorijoje yra didelis BTS skaičius. BTS
reikalavimai yra: patikimumas, portatyvumas, ir minimalios išlaidos.
Bazinės stoties kontroleris (valdiklis) valdo radio resursus vienos ar
daugiau BTS stočių. Ji valdo radio kanalo sudėti, dažnio keitimą, ir
perdavimus, kas aprašyta žemiau. BSC yra ryšys tarp mobilaus ir mobilaus
paslaugų sujungimo centro (MSC).
3.2 Tinklo posistemė.
Pagrindinis komponentas tinklo posistemėje yra mobilųjų paslaugų
sujungimo centras (MSC).
Jis dirba kaip paprastas PSTN arba ISDN perjungimo
mazgas, ir tuo pačiu metu rūpinasi visomis funkcijomis reikalingomis
aptarnauti mobilųjį abonentą, pvz: registracija, autentifikaciją, vietos
atnaujinimas, persiuntimai, bei skambučio adresavimas kitam abonentui. Šios
paslaugos yra tiekiamos kartu su keletu funkcinių visumų, kurios kartu
sudaro tinklo posistemę. MSC rūpinasi ryšiu su atviru fiksuotu tinklu (PSTN
arba ISDN), ir signalizuoja tarp funkcinių visumų naudodamas ITUT
signalinimo sistemą numeriu 7 (SS7), naudojamą ISDN ir plačiai naudojamą
dabartiniuose atviruose tinkluose.
Namų vietos registras (HLR) ir lankytojo vietos registras (VLR), kartu
su MSC, rūpinasi skambučio aadresavimu ir suteikia judėjimo galimybę GSM
tinkle. HLR turi visą valdymo informaciją, kiekvieno abonento regisruoto
prie atitinkamo GSM tinklo, kartu su informacija apie dabartinę vietą
mobilaus telefono. Dabartinė mobilaus telefono vieta yra mobilios stoties
roaming numeryje (MSRN) kuris yra reguliarus ISDN numeris naudojamas
nukreipti skambutį į MSC kur mobilus telefonas yra šiuo metu nustatytas.
Logiškiausia naudoti vieną HLR per visą GSM tinklą, nors ir gali būti
išskaidytą į kelias sudedamasias dalis.
Lankytojo vietos registras (VLR) turi atrinkta valdymo informaciją iš
HLR, reikalingą skambučio kontroliavimui ir aprūpinimui užsisakytų
paslaugų, kiekvienam mobiliam telefonui dabar esančiam kokioje nors
geografinėje vietoje, konroliojamoje VLR. Nors kiekviena funkcinė visuma
naudojama kaip nepriklausomas vienetas, dauguma sujungimo įrangos gamintojų
komplektuoja vieną VLR kartu su MSC, todėl kad geografinė vieta
kontroliuojama MSC atitiktų vietą kontroliuojamą VLR, supaprastinant
reikiamus signalus. Reikia paminėti kad MSC turi informaciją apie
mobiliuosius telefonus – ši informacija saugoma vietos registruose.
Kiti du registrai yra naudojami autentiškumo nustatymui ir saugumo
tikslams. Įrangos identifikavimo registras (EIR) yra duomenų bazė kuri turi
visų galiojančių mobiliosios įrangos sarašą tinkle, kur kiekviena mobilioji
stotis nustatoma pagal tarptautinį mobilios įrangos kodą (IMEI). Jei IMEI
yra pažymėtas kaip negaliojantis reiškia buvo pranešta kad jis pavogtas
arba nėra sankcijonuotas. Autentifikavimo centras yra saugoma duomenų bazė,
kuri saugo kopijas slapto rakto, kuris yra kiekvienoje abonento kortelėje,
ir kuris naudojamas utentifikacijai ir radio kanalo šifravimui.
4 Radio ryšis
Tarptautinė telekomunikacijų sąjunga (ITU), kuri kontroliuoja
taprtautinį paskirtymą radio dažnių (tarp daugelio iš kitų funcijų) nustatė
dažnius 890-915 MHz siuntimui (mobili stotis-bazinė stotis) ir 935-960 MHz
parsiuntimui (bazinė stotis-mobili stotis) mobiliems tinklams Europoje.
Kadangi šis bangų ruožas buvo naudojamas jau 1980-aisais tų laikų
analoginių sistemų, ttai CEPT numatė rezervą GSM tinklui, kuris dar tik
vystėsi, 10 MHz viršaus kiekvienam ruožui. Taigi GSM dabar naudoja 2x25MHz
bangų plotį.
4.1 Daugialypis priėjimas ir kanalo struktūra.
Kadangi radio spektras yra ribotas resursas kuris dalinamasis su
visais gyventojais, tai reikėjo sugalvoti metodą kaip dalintisi šį bangų
plotį suo kuo įmanoma daugiau vartotojų. Metodas kurį pasirinko GSM yra
kombinacija laiko ir dažnio kolektyvioji atskyrimo kreiptis (Division
Multiple Access TDMA/FDMA). FDMA dalis apima dalyba pagal dažnį į bangų
plotį iš (daugiausia) 25 MHz į 124 nešančiuosius dažnius. Vienas ar daugiau
nešančiųjų ddažnių yra priskirtos kiekvienai bazinei stočiai. Kiekviena iš
tų nešančiųjų dažnių yra padalintos laike, naudojant TDMA shemą.
Pagrindinis laiko vienetas šioje TDMA shemoje yra vadinamas paketinio ciklo
periodas (burst period) kuris trunka 0,577 ms. 8 paketinio ciklo periodai
grupuojami į TDMA freima (4,615 ms), kurie formuoja pagrindiną apibrėžiant
loginį kanalą. Vienas fizinis kanalas yra vienas paketinio ciklo periodas
per TDMA freima.
Kanalai yra apibrėžiami pagal numerį ir vietą jų atitinkamų paketinio
ciklo periodų. Visi šie apibrėžimai yra cikliniai, ir visas modelis
kartojamas vidutiniškai kas tris valandas. Kanalai yra skirstomi į
paskirtuosius kanalus, kurie skirti mobiliesiems telefonams, ir bendruosius
kanalus, kurios naudojam telefonai idle būsenoje.
4.2 Duomenų kanalai
Duomenų kanalas (TCH) naudojamas kad persiūstų kalbą ir duomenis.
Duomenų kanalai yra apibrėžiami kaip 26-freimų multifreimas, arba 26 TDMA
freimų grupė. Trukmė 26-freimų multifreimo yra 120 ms. Iš 26 freimų, 24 yra
naudojami duomenims, 1 naudojamas lėtai veikiančiam kontroliavimo kanalui
(Slow Associated Control Channel SACCH), ir dar vienas dabar nenaudijamas.
TCH duomenų siuntimui ir priėmimui yra atskirti laike per tris duomenų
ciklo periodus, tad telefonas siunčia ir priima duomenis ne vienu metu, tai
supaprastina elektroniką.
SACCH 12-ame bloke turi 8 kanalus, po vieną aštuoniems jungtims
sudarytoms TCH. SACCH 25 bloke dažniausiai nenaudojamas, bet turi 8
papildomus TCH kanalus.
4.3 Kontrolės kanalai
Bendrieji kanalai gali būti pasiekiami ir idle būsenoje ir paskirtoje
būsenoje. Bendrieji kanalai naudojami telefonų idle būsenoje, kad
pasikeisti signalizavimo informacija kuri reikalinga kad perėjimui į
paskirtąją būseną. Mobilieji jau paskirtojoje būsenoje tikrina aplinkui
esančias bazines stotis perėmimams ir kitai informacijai. Bendrieji kanalai
sudaryti iš 51-freimo multifreimo, taigi paskirtojoje būsenije mobilieji
naudoja 26-freimų multifreimą. TCH struktūra gali stebėti konrolinius
kanalus. Bendrieji kanalai susideda iš:
Transliavimo valdymo kanalas (BCCH) reikalingas BS identifikacijai,
transliacijoms, ir dažnio pasiskirstymams, ir dažnio keitimo tvarka.
Dažnio korekcijos kanalas (FCCH) ir sinchronizacojos kanalas (SCH)
naudojamas sinchronizacijai ir fizinio sluoksnio apibrėžimui (laiko
intervalai, ciklo laikas .)
Atsitiktinio kreipimosi kanalas (RACH) naudojamas telefono kad paduotų
užklausą prisijungti prie tinklo
Radio ieškos kanalas (PCH) naudojamas nustatyti mobiliojo vietą ir
įspėti apie skambutį.
Access Grant kanalas (AGCH) naudojamas kad pasiekti paskirtąją
mobiliojo būseną (atsakymas po RACH užklausos.)
4.4 Paketinio duomenų apsikeitimo ciklo struktūra
Yra keturi skirtingi paketiniai ciklai siuntimui GSM tinkle. Normalus
paketinis ciklas yra skirtas duomenų pernešimui ir signalizavimui. Jis yra
156.26 bitų ilgio, ir susideda iš dviejų 57 informacinių bitų sekų, 26 bitų
mokomoji seka nadojama išlyginimui, 1 steling bitas kiekvienam
informaciniam blokui (naudojamas FACCH), 3 pabaigos bitai, ir 8,25 bitų
apsaugos seka. Bendrai visi 156,26 bitai yra perduodami per 0,577
milisekundes, sudarydami didziuli greiti 270,833 kbps.
F paketinis ciklas, naudojamas FCCH, ir S paketinnis ciklas,
naudojamas SCH, turi tą patį ilgį kaip ir normalus paketinis ciklas, bet
skirtinga vidinę struktūrą, kuri juos atskiria nuo paprastų paketinių
ciklų. Prisijungimo paketinis ciklas trumpesnis nei normalus, ir naudojamas
tik RACH
4.4 Garsų kodavimas.
GSM yra skaitmeninė sistema o garso signalai analoginiai, taigi juos
reikia pervesti į skaitmeninę formą. Metodas naudojamas ISDN ir
šiuolaikinių telefono sistemų, kad perduotu garsą per didelio greičio
magistrales, ir optines linijas yra impulsų kodų moduliacija (PCM). Bet
išėjimo srautas iš PCM yra 64 kbps, o tai per didelis greitis kad būtų
imanomas radio ryšiu. 64 kbpa signalas turi daug sumažintas. GSM grupė
studijavo keletą garso kodavimo algoritmų remiantis garso kokybę ir
sudėtingumą (kuris susijęs su kaina, perdavimo vėlavimu, ir energijos
sunaudojimu) kol priėjo prie RPELPC (Regular Pulse Excited – Linear
Predictive Coder ) su ilgos trukmės numatymo kilpa. Praktiškai informacija
iš praeito pavyzdžio, kuri nesikeičia labai greitai, yra naudojama spėti
esamą pavyzdį. Nuspėta ir reali informacija yra palyginama o skirtumas yra
išsaugomas, jis atspindi signalą. Kalba yra suskirstoma į 20 ms , kurių
kikvienam užkoduoti naudojama 260 bit, taip gaunamas 13 kbps greitis.
4.3 Kanalo kodavimas ir moduliavimas.
Dėl naturalaus ar žmogaus sukelto elektromagnetinio įsikišimo,
užkoduota kalba ar duomenys perduodami radio ryšiu turi būti apsaugoti
tiek, kiek tai praktiška. GSM sistema naudoja sąsukinį (convolutional)
kodavimą ir blokų iterpinėjimą kad gautu apsaugą. Tiksliau algoritmai
naudojami skirtingi: kalbai ir skirtingiems duomenų greičiams. Metodas
naudojamas kalbai koduoti aprašytas žemiau.
Recall that kalbos koderis gamina 260 bitų bloką
kiekvienai 20ms
kalbos daliai. Atlikus testus buvo atrasta, kad kai kurie šio bloko bitai
yra labiai svarbesni garso kokybei nei kiti. Taigi bitai tuo būdu skirstomi
į tris klases.
Klasė Ia 50 bitu – labiausiai jautrūs bitų klaidoms.
Klasė Ib 132 bitai – vidutiniškai jautrūs bitų klaidoms.
Klasė II 78 bitai – mažiausiai jautūs bitų klaidoms.
Klasės Ia bitai turi 3 bitų ciklinį pertekliaus kodą įdėta dėl klaidų
radimo. Jeigu klaida randama, nusprendžiama kad blokas per daug pažeistas
kad būtų suprantamas, ir jis išmetamas. Jis įra pakeičiamas į truputį
plonesne versija prieš tai tinkamai gauto bloku. Šitie 53 bitų kartu su 132
Ib klasės bitais ir 4 bitų galine seka (viso 189 bitai), yra paduodama į ½
dažnio sąsukinį encoderį kurio suspaudimo ilgis 4. Kiekvienas įėjimo bitas
yra koduojamas kaip du išėjimo bitai, sudaryti ant kombinacijos iš prieš
tai buvusų 4 iėjimo bitų. Sąsukinis encoderis turi 378 išėjimo bitus, prie
kurių pridedami likę 78 klasės II bitai, kurie yra neapsaugoti. Taigi
kiekvienas 20 ms kalbos tarpas yra koduojamas kaip 456 bitai, taigi
susidaro 22,8 kbps greitis.
Tolimesnei apaugai prieš paketinio ciklo klaidas dažnai pasitaikančias
radio ryšiuose, kiekvienas kalbos tarpas yra įstrižai iklotas. 456 bitai
išeinanty iš sąsukinio dekoderio yra skirstomi į 8 blokus po 57 bitus, ir
šitie blokai yra persiunčiami 8 iš eilės einančiais pperdavimo kanalo laiko
intervalais. Kadangi kiekvienas perdavimo kanalo laiko intervalas gali
nešti du 57 bitų blokus, tai kiekvienas paketinio ciklo periodas neša
duomenis iš dviejų skirtingų kalbos tarpų.
Recall that kiekvienas perdavimo kanalo laiko intervalas yra
persiunčiamas didžiuliu 270,833 kbps greičiu. Šitas skaitmeninis signalas
yra sumoduliuotas ant analoginio nešančio dažnio, kuris turi bangų plotį
200 KHz, naudojant Gaussianfiltered Minimum Shift Keying (GMSK). GMSK buvo
pasirinktas virš kitos moduliacijos shemos kaip kompromisas tarp spektrinio
naudingumo koefifiento, siūstuvo sudėtingumo, ir ribotų netikrų
spinduliavimų. Siūstuvo sudėtingumas yra susijęs su enrgijos sunaudojimu
kuris turi būtiminimalus mobilam telefonui. Netikri spinduliavimai, už
išskirto bangų dažnio, turi būti griežtai kontroliuojami kad nesudarytų
gretimo kanalo interferencijos, ir leistų normaliai veikti GSM ir kitoms
senoms analoginėms sistemoms.
4.4 Daugiaspindulinė korekcija
900 MHz dažniu radio bangos skverbiasi pro viską – pastatus, kalnus,
mašinas, lėktuvus ir tt.t. Todėl atsiranda daugybę atsispindėjusių signalų,
kiekvienas jų su skirtinga faze gali pasiekti anteną. Korekcija yra
naudojama kad išrinkti reikalingą signalą iš nereikalingų atspindžių.
Korekcija veikia išsiaiškindama kaip žinomas transliuojamas signalas yra
modifikuotas daugiaspindulio bangų sklidimo, ir sukonstruodamas
atvirkštinį filtrą kad išgauti likusią reikiamo signalo dalį. Žinomas
signalas yra 26 bitų mokomoji seka perduodama tarp kiekvieno perdavimo
kanalo laiko intervalo.
4.5 Dažnio keitimas.
Mobilios stoties dažnis turi būti judrus, t.y. jis gali kisti tarp
siuntimo, priėmimo ir klausimosi perdavimo kanalo laiko intervalo metu su
vienu TDMA bloku viduje, kurie gali bbūti ant skirtingų dažnių.GSM sistema
naudoja lėtą dažnio keitimas (keitimo dažnis yra 217 šuolių per sek. Kur
TDMA bloką perduoda per šuolio periodą), kur mobili stotis ir bazinė stotis
perduoda po TDMA bloką per skirtingus nešančius dažnius. Dažio keitimo
algoritmai yra iššifruojami iš transliacijos kontroliavimo kanalo (BCCH)
kuri mobilioji stotis nepertraukiamai dekoduoja. Kadangi daugiakanalis
bangų sklidimas priklauso nuo nešančiojo dažnio, lėtas dažnio keitimas
padeda išspresti problemą.
4.6 Trūkusis transliavimas.
Mažinimas co-chanel interferencija tai kiekvienos korinės sitemos
tikslas, kadangi tai leidžia tiekti kokybiškenes paslaugas, turimam
lastelės dydžiui, arba naudoti mažesnes lasteles, taip didinant visą tinklo
talpumą. Trūkusis transliavimas (DTX) yra naudojamas remiantis faktu, kad
žmogus kalba mažiau kaip 40% laiko viso pokalbio metu, taigi išjungiant
siųstuvą sutaupoma energijos.
Svarbiausias DTX komponentas yra kalbos aktyvumo nustatymas. Jis turi
skirti balsą ir triukšmą. Jeigu garso signalas atpažystamas kaip triukšmas,
tai siūstuvas išjungiamas ir labai erzinantis efektas, kuris vadinamas
iškarpa, girdimas kitame ryšio gale. O jeigu triukšmas atpažystamas kaip
garsas perdaug dažnai tai DTX naudingumo koeficientas labai sumažėja. Dar
vienas faktas, kaip siųstuvas išjungtas tai pašnekovas girdi tylą, ir kad
nepagalvotų jog pokalbis nutrūko GSM sukuria malonų triukšmą.
4.7 Trūkusis priėmimas.
Dar vienas būdas taupyti energiją, mobiliojoje stelėje, yra
nutrūkstantis priėmimas. Apklausimo kanalas, naudojamas bazinės stoties
duoti signalą ateinančio skambučio, yra sukurtas taip kad mobilus telefonas
žino kada reikia pasitikrinti apklausimo kanalas. Kai nėra apklausimo
kanalo telefonas naudoja miegojimo rėžimą, kai naudojama mažiausiai
energijos.
4.8 Energijos taupymas
Kad taupyti energiją mobilioji stotis ir BTS dirba ant mažiausio
energijos kiekio, tokio kuris palaiko priimtiną signalo kokybę. Mobilioji
stotis nusprendžia kad signalo kokybė priimtina pagal bitų klaidų
proporcijas. Mobilioji stotis matuoja signalo kokybę arba stiprumą ir
siunčia informaciją į bazinę stotį, kuri nusprendžia kada energijos kiekis
turėtu būti pakeistas.
5. Tinklo aspektai.
Užtikrinti reikiamos kokybės garso ir duomenų siuntimą radio ryšiu tai
tik pusė porblemos korinio ryšio mobiliame tinkle. Žinome kad tinklo
aprėpiamas geografinis yra dalinamas į lasteles todėl reikalingas
perkėlimo (angl. Handover) mechanizmas. Taip pat žinome kad mobilus
telefonas gali keliauti šalyje ar tarptautiniu mastu, todėl GSM reikia kad
egzistuotu registracijos, identifikacijos, skambučio kelio nustatymo, ir
vietos atnaujinimo funkcijos, kurios būtų standartizuotos visose tinkluose.
Šias funkcijas užtikrina tinklo sistema, daugiausia naudojant Mobile
Application Part (MAP), pagaminta užklausos sistemos numeriu 7 pagrindu.
Signalizacijos protokolas sudarytas iš trijų sluoksnių kurios matome
pav. 1 sluoksnis yra fizinis sluoksnis, kuris naudoja struktūra aptarta 4.1
skyriuje. 2 sluoksnis tai duomenų ryšio (angl. Data Link) sluoksnis. Per Um
ryšį GSM naudoja lengvai pakeista LAPD rotokolą naudotą ISDN, pavadinimu
LAPDm. Per A ryšį naudojama signalizacijos sistema numeriu 7. 3 sluoksnis
skirstomas į 3 posluoksnius:
Radio resursų valdymo (RR) – kontruoliuoja sudėti, pritaikymą,
nutraukimą radio ir fiksuotų kanalų, ir pekėlimus.
Mobilumo valdymo (MM) – valdo vietos atnaujinimo, perkėlimo,
registracijos, saugumo iir identifikacijos procedūras.
Ryšio valdymo (CM) – tvarko bendrus skambučio parametrus ir tiekia
papildomas paslaugas.
Signalizacija tarp skirtingų visumų tinkle, pvz. tarp HLR ir VLR yra
įgivendintas per Mobile Application Part (MAP). MAP yra viršutinis
sluoksnis ant Signalling System Number 7. MAP specifikacija yra sudėtinga.
Tai vienas ilgiausių dokumentų GSM rekomendacijose, apie 600 puslapių.
5.1 Radio resursų valdymo sluoksis.
Radio resursų valdymo sluoksnis prižiūri sukūrimą tarp mobilaus
telefono ir MSC. Pagrindiniai dalyvaujantys komponentai yra mobilioji
stotis ir bazinės stoties posistemė. RR sluoksnis susijęs su radio resusrsų
valdymu kai telefonas siunčia ir priima duomenis, taip pat su radio kanalų
konfiguracija, įtraukiant ir paskirtų radio kanalų nustatymą.
Radio ryšys visada inicijuojamas mobilaus telefono per prisijungimo
procedūrą, arba per išeinančius skambučius, arba kaip atsakymas į
užklausimo žinutę. Prisijungimo ir užklausimo procedūrų detalės, pvz. kada
paskirtas kanalas yra pervedamas telefonui, ir užklausimo pokanalio
struktūra yra valdoma RR sluoksnio. Priedo jis valdo tokias savybes kaip
energijos valdymas, nutrūkstamas siuntimas ir piėmimas, perkėlimas.
5.2 Perkėlimas
Koriniame tinkle radio ir fiksuotas ryšys reikalingi paskirti neilgam
– pokalbio trukmei. Perkėlimas yra perjungimas ateinančio skambučio į
skirtingą kanalą ar lastelę. Šio proceso vydymas ir nustatymai sudaro
pagrindinį RR sluoksnio funciją.
Yra keturi skirtingi perkėlimo tipai GSM sitemoje, kurie apima
skambičio persiuntimą tarp:
Kanalų (perdavimo kanalo laiko intervalas) toje pačioje lastelėje.
Lastelių kontroliuojamų to pačio bazinio stoties valdiklio (BCS).
Lastelių
kontroliojamų skirtingų BCS, bet tos pačios mobiliojo ryšio
komutacinės stoties (MSC).
Lastelių kontroliujamų skirtingų MSC.
Pirmi du perkėlimo tipai kontroliuojami tik bazinio stoties valdiklio,
ir vadinami vidiniais. Kad taupyti signalizacijos bangų plotį į juos
naįtraukiama MSC, išskyrus tik kad patvirtinti tai perkėlimo pabaigoje.
Kiti du perkėlimo tipai vadinami išoriniais ir valdomi MSC. Svarbus GSM
aspektas tas, kad ištikrūjų MSC išlieka atsakinga už daugelį su skambinimu
susijusių funkcijų, išskyrus perkėlimus tarp BCS, jei kitą BCS kontroliuoja
kita MSC.
Perkėlimai gali būti inicijuojami mobilaus telefono arba MCS (kaip
priemonė persiuntimo apkrovimui reguliuoti). Jiems trunkant laisvas
perdavimo kanalo laiko intervalas, mobilus telefonas nuskanuoja
transliacijos valdymo kanalą dėl 16 kaimyninių lastęlių, ir sudaro sąrašą 6
geriausiai tinkančių kandidačių galimam perkėlimui, priklausomai nuo
signalo stprumo. Ši informacija pasiunčiama į BCS ir MCS, mažiausiai kartą
per sekundę, ir ji naudojama perkėlimo logaritmo.
Algoritmas kada perkėlimas turėtu būti įvykdytas nėra aprašytas GSM
rekomendacijose. Yra naudojami du pagrindiniai algoritmai, abu artimai
susiję su energijos kontroliavimu. Tai daroma todėl kad BCS dažniausiai
nežino ar silpna signalo kokybė susijusi su daugiaspindulio bangų sklidimu
ar telefonas persikėlė į kkitą latęlę. Tai dažiausiai pasitvirtina mažose
miesto lastelėse.
“Mažiausiai priimtinos kokybės” algoritmas leidžia kontroliuoti
telefono energiją per perkėlimą, taigi jei telefono signalas nukrenta
žemiau nustatyto taško, tai energijos kiekis telefone yra padidinamas. Jei
enrgijos padidinimas nepagerina signalo tada nusprendžiamas perkėlimas. Tai
paprasčiausias ir dažniausiai naudojamas aalgoritmas.
“Energijos taupymo” algoritmas naudoja perkėlima kad palaikyti arba
pagerinti signalo kokybę naudojant tą patį energijos kiekį, bet jis yra
sudėtingesnis.
5.3 Mobilumo valdymo sluoksnis
Mobilumo valdymo sluoksnis sukurtas ant RR sluoknio viršaus, ir valdo
funkcijas kurios susijusios su abonento mobilumu pvz.: autentifikacija,
apsauga. Vietos valdymas yra susijęs su procedūromis kurios įjungią sistemą
kad nustatytų esamą vietą įjungto mobilaus telefono, tai reikalinga kad
sistema žinotu kur reikia adresuoti skambutį.
5.4 Autentifikacija ir saugumas
Kadangi radio terpė yra prieinama visems tai autentifikacija yra labai
svarbi. Autentifikacija apima dvi funkcines visumas, SIM kortelę ir
Autentifikacijos centra (AuC). Kiekvienam abonentui yra duodamas slaptas
raktas, kurio viena kopija saugoma SIM kortelėje o kita AuC centre.
Autentifikacijos metu AuC generuoja atsitiktinį skaitmenį kurį siunčia
telefonui. Tada mobilusis telefonas ir AuC naudoja tą skaičių sujungta su
abonento slaptuoju raktu ir šifravimo algoritmu vadinamu A3, kad
sugeneruotu atpažinimo atsakymą, kuris siunčiamas į AuC. Ir jei jis sutampa
tada abonentas identifikuojamas.
Tas pats pirminis numeris ir abonento raktas yra naudojamas
apskaičiouti raktą sukurta naudojant algoritmą A8. Šis šifravimo raktas,
kartu su TDMA rėmo numeriu, naudoja A5 algritmą kad sukurti 114 bitų seką
kuri perduodama 114 bitų paketinis ciklas ( du 57 bitų blokai). Šis
šifravimas pakankamai paranoiškas, kadangi signalas jau ir tap užkoduotas,
įtrauktas ir persiūstas TDMA metodu, jis naudojamas kad užtikrinti apsaugą
nuo pasiklaisymo.
Kitu saugumo būdu yra apsaugotas ttelefonas o ne operatorius. Kaip
minėta anksčiau kiekvienas telefonas turi IMEI kodą. IMEJU sąrašas yra
saugomas įrangos identifikacijos registre (EIR). Iš šio sąrašo atpažystamas
telefono statusas, pagal IMEI užklausą.
Baltas sąrašas – telefonui leidžiama prisijungti prie tinklo.
Pilkas sąrašas – telefonas yra stebimas tinklo dėl galimų problemų
Juodas sąrašas – telefonas yra vogtas, ir jam neleidžiama prisijunti.
5.5 Ryšio valdymo sluoksnis
Ryšio valdymo sluoksnis (CM) jis yra atsakingas už skambučio
kontroliavimą, paprastųjų paslaugų valdymą, ir trumpųjų žinučių
kontroliavimą. Kiekvienas minėtų gali būti vertinamas kaip atskiras
posluoksnis CM sluoksnio viduje. Skambučio kontroliavimas seka ISDN
procedūras, net jei skambučio adresavimas klajojančiam abonentui akivaizdus
GSM tinklo unikalumas. Kitos CM sluoksnio funkcijos tai skambučio
inicijavimas, paslaugų tipo parinkimas, skanbučio nutraukimas.
5.6 Skambučio adresavimas
Kitaip nei adresavimas fiksuotame tinkle, kur terminalas yra visada
prijungtas prie aptarnaujančios stoties, GSM vartotojas gali keliauti
vlstybėje ar tarp valstybių. Vietovės numeris renkamas kad pasiekti
mobilaus tinklo abonentą vadinamas mobilaus abonento ISDN numeris (MSISDN),
kuris yra nustatomas E.164 numeravimo plano. Šis numeris susideda iš
valstybės kodo ir nacionalinio tinklo kodo kuris identifikuoja abonento
aperatorių. Pirmi keli skaitmenys likusio abonento numerio gali
identifikuoti abonento HLR su namų PLMN.
Ateinantis skambutis yra nukreiptas į Gateway MSC (GMSC) funkcija.
GMSC iš esmės yra jungiklis kuris gauna informacija apie abonento HLR kad
nustatytu adresavimo informacija, ir taip talpina savyje lentelę susijusiu
MSISDN su jų atitinkamomis HHLR. Supaprastinimas yra turėti GMSC valdanti
viena PLMN. Reikia pastebėti kad GMSC funkcija skiriasi nuo MSC funkcijos,
bet paprastai yra idiegta į MSC.
Adresavimo informacija kurią gauna GMSC yra mobiliosios stoties
klajojimo numeris (MSRN), kuris yra nustatomas E.164 numeravimo plano. MSRN
yra susijęs su geografiniu numeravimo planu, ir nėra paskirtas ir taip pat
nėra matomas abonentams.
Pati svarbiausia adresavimo procedūra prasideda su GMSC užklausa
skambinančio abonento HLR dėl MSRN. HLR dažniausiai turi tiktai SS7 adresą
dabartinės VLR, ir neturi MSRN. Taigi HLR turi gauti abonento dabartinį
VLR, kuris bus laikinai talpinamas MSRN, o šis grąžinamas HLR ir atgal į
GMSC, kuris gali skambuti adresuoti naujam MSC. Naujoje MSC, IMSI
atitinkanti tam tikrai MSRN yra ieškoma, ir mobilus yra nukreipiamas į
reikiamą vietą.
Išvados
Šiame darbe bandžiau apžvelgti GSM tinklus. Kaip ir kiekvienoje
apžvalgoje, o įpatingai šioje, kur bandoma apžvelgti 6000 puslapių GSM
specifikacija, trūksta faug detalių. Bet manau informacijos susipažinti su
GSM tinklų sandara, ir veikimu čia užtenka. Tai buvo nepaprasta užduotis,
kurią GSM komitetas prisiimė, ir sėkmingai atliko, ir parodė, kad
tarptautinis benradarbiavimas dėl tokių projektų tarp universitetų,
valstybės, ir pramonės gali būti sėkmingas. Tai standartas kuris užtikrina
konkurencija ir bedradarbivimą tarp gamintojų, tuo pat metu užtikrinant
naudą vartotojams, kainų ir kokybės srityje. Pavydžiui naudojant labai
didelį integracijos laipsnį mikroprocesorinėse technologijose, daugybė
funkcijų mobilaus telefono gali būti sutalpinama viename kristale, taip
gaunant llengvesnį, kompaktiškesnį, ir mažiau energijos vartojantį aparatą.
Telekomunikacijos plėtojasi į asmeninius komunikacijos tinklus, kurių
tikslas yra gauti visas komunikacijos paslaugas visada, betkur, ir
kiekvienam per vienetinį prisijungimo numerį ir nešiojamą komunikacijos
terminalą. O ne turėti daugybę nesuderinamų sistemų aplink visą pasauį.
Masinės gamybos produktai sukuria galimybę tai įgivendinti, jau nekalbant
apie patogumą, kai nešiojantis vieną komunikacijos terminalą, galime gauti
visas paslaugas, nepaisant valstybės sienų.
Turinys
Ivadas 1
1 GSM ISTORIJA 2
2. GSM TIEKIAMOS PASLAUGOS 2
3. GSM ARCHITEKTŪRA 3
3.1 Mobilioji stotelė 4
3.2 Bazinė stotis 4
3.2 Tinklo posistemė. 4
4 Radio ryšis 5
4.1 Daugialypis priėjimas ir kanalo struktūra. 5
4.2 Duomenų kanalai 5
4.3 Kontrolės kanalai 6
4.4 Paketinio duomenų apsikeitimo ciklo struktūra 7
4.4 Garsų kodavimas. 7
4.3 Kanalo kodavimas ir moduliavimas. 7
4.4 Daugiaspindulinė korekcija 8
4.5 Dažnio keitimas. 8
4.6 Trūkusis transliavimas. 8
4.7 Trūkusis priėmimas. 9
4.8 Energijos taupymas 9
5. Tinklo aspektai. 9
5.1 Radio resursų valdymo sluoksis. 10
5.2 Perkėlimas 10
5.3 Mobilumo valdymo sluoksnis 11
5.4 Autentifikacija ir saugumas 11
5.5 Ryšio valdymo sluoksnis 12
5.6 Skambučio adresavimas 12
Išvados 13
———————–
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
