Архитектура сети GSM

На рис. 2.9 представлена структура “классической” сети GSM с коммутацией каналов. Сеть представляет собой соединение четырех подсистем:

мобильных станций,

базовых станций (BSS – Base Station Subsystem),

предоставления коммутационных услуг (NSS – Network Services and Switching subsystem),

управления и обслуживания (OSS – Operation Subsystem)..

Абонентские станции MS - Mobile Station, образуют отдельную подсистему

Мобильные станции представляют собой персональные компьютеры с радиотехнической частью. В них используют набор больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схем. Эти схемы реализуют на основе самых современных технологий. Это касается и сверхбыстродействующих процессоров, и элементов радиотрактов передатчиков и приемников. Упрощенная структура MS представлена на рис. 2.10.

Основные операции по обработке сигналов и управлению станцией выполняет Центральный процессорный элемент (ЦПЭ). Обычно он содержит несколько процессоров, работающих параллельно. ЦПЭ связан с клавиатурой, дисплеем, формирует сигналы управления для приемопередающей части MS. При передаче телефонии речевой сигнал от микрофона (МФ) следует в ЦПЭ, где проходит полную обработку, так что на вход ИС передатчика поступает сформированный в ЦПЭ модулирующий сигнал. При приеме демодулированный сигнал с выхода ИС приемника также попадает в ЦПЭ, где после соответствующей обработки восстанавливают речевой сигнал, который далее поступает на телефон. Для работы ЦПЭ необходимы запоминающие устройства (ЗУ). В последних разработках часть ЗУ размещают на СБИС ЦПЭ.

Рис 2.9. Архитектура сети GSM

Рис. 2.10. Укрупненная структура абонентской станции

Радиотехническая часть MS содержит передатчик, приемник и синтезатор частот (генератор колебаний несущей передатчика и гетеродина приемника). Обычно каждый из этих узлов выполняют на отдельной БИС. При мощностях передатчика MS выше 0,5...1 Вт усилитель мощности (УМ) всегда выполняют на отдельной микросхеме. Связь приемника и передатчика с антенной осуществляют либо через антенный коммутатор АК (переключатель), либо через разделительный фильтр. Последние разработки в схемотехнике MS направлены на объединение всех БИС радиотехнической части в одну СБИС приемопередатчика. Питание элементов MS низковольтное (3.5…5) В.

Спецификациями GSM определены 5 классов мощности MS для GSM-900 и 3 класса для GSM-1800. В табл. 2.2 приведены данные абонентских станций, выпускаемых фирмой Ericsson. Станции 1-го класса мощности для GSM-900 (20 Вт) и 3-го класса для GSM-1800 (4 Вт) фирма не выпускает. В табл. 2.1 указана реальная чувствительность приемника; в соответствии со спецификациями GSM она должна быть не хуже –104 дБм для возимых MS и –102 дБм для портативных.

Таблица 2.2

Исторически GSM MS были распределены по трем классам (classmark). Современные станции относятся к classmark 3. Станции этого класса двухдиапазонные и поддерживают 7 различных алгоритмов шифрации А5/1…А5/7 (станции classmark 1 поддерживают только алгоритм А5/1, а станции classmark 2 А5/1…А5/3).

Подсистема базовых станций BSS (Base Station Subsystem), состоит из контроллера базовых станций BSC (Base Station Controller), приемопередающих базовых станций BTS (Base Transceiver Station) и транскодеров (Transcoder and Rate Adaptation Unit - TRAU).

Основные функции, выполняемые BTS:

- передача сигналов к абонентским станциям,

- прием радиосигналов абонентских станций,

- связь с контроллером базовых станций по каналам цифровой связи,

- кодирование и декодирование сигналов,

- шифрация и дешифрация сигналов.

BSC выполняет следующие функции:

- распределяет канальный ресурс, т.е. назначает радиоканалы MS и выделяет каналы для передачи сигналов управления;

- коммутирует каналы к MS через соответствующие BTS;

- организует эстафетную передачу (handover);

- управляет мощностью и корректирует временную синхронизацию (время упреждения) MS, находящихся в зоне его действия,

- управляет сигнализацией на радиолиниях,

- осуществляет сбор и передачу телеметрии в подсистему управления и обслуживания.

Соединения BSCÛBTS, BSCÛTRAUÛMSC выполнены на основе цифровых потоков Е1 (скорость 2048 кбит/c). Один поток позволяет с временным разделением передавать в основной полосе частот 31 канал со скоростью 64 кбит/с в каждом. На рис. 2.8 показан кадр цифрового потока E1 стандартной длины 125 мкс.

октет

октет

октет

октет

октет

октет

……………………

октет

октет

октет

октет

Т кадр = 125 мкс

(16) (16) (16) (16)

Рис 2.8. Выделение каналов на линии E1 в GSM

Кадр состоит из 32 октетов (8-битовых чисел). Нулевой октет используют для кадровой синхронизации, а в остальных размещают каналы трафика и сигнализации (управления). Скорость передачи в каждом из каналов 8(бит)/(125· 10^-6) = 64 кбит/с. Если в каждом канале организовать 4 независимых потока по 2 бита в кадре, то по стыку Е1 можно будет передавать 120 каналов трафика со скоростью 16 кбит/с (рис. 2.7). Так как скорость передачи трафика (телефонии и данных) в одном радиоканале (одном ВИ) меньше 16 кбит/с, то каждый канал трафика на радиоинтерфейсе прикрепляют к одному каналу 16 кбит/с на линии E1.

В то же время действующие коммутаторы (MSC) коммутируют потоки данных со скоростью 64 кбит/с. Поэтому рядом с коммутатором размещают транскодеры, где производят сжатие телефонных сигналов в направлении от коммутатора MSC к BSC со снижением скорости передачи от 64 кбит/с до 16 (13 +3) кбит/с и восстановление речи c увеличением скорости до 64 кбит/с в обратном направлении. Это позволяет почти в 4 раза увеличить пропускную способность транспортной сети на участках TRAUÛBSCÛBTS. Кроме этого, транскодер выполняет упорядочение скоростей передаваемых потоков данных. Управление транскодером осуществляет BSC.

Подсистема коммутации NSS состоит из одного или нескольких центров коммутации подвижной связи MSC (Mobile Services Switching Center), центра аутентификации AuC (Authentication Center) и баз данных:

- адресного регистра HLR (Home Location Register),

- визитного регистра VLR (Visitor Location Register),

- регистра идентификации аппаратуры EIR (Equipment Identity Register).

MSC и VLR представляют неразрывное целое - каждому MSC соответствует свой VLR. Один HLR и один AuC могут обслуживать несколько MSC/VLR. Управляющую и координирующую роль в подсистеме коммутации выполняют MSC.

MSC осуществляют:

- связь с другими сетями передачи информации, непосредственно или через шлюзовой коммутатор GMSC,

- коммутацию вызовов абонентов подвижной связи, находящихся в сотах, обслуживаемых данным MSC,

- обработку потоков данных для передачи по каналам подвижной связи,

- отслеживание перемещений (локализацию) абонентов, находящихся в зоне действия MSC (совместно с VLR),

- сбор информации об оказанных абонентам услугах и передачу ее в биллинговый центр,

- управление подсистемами базовых станций,

- сбор и передачу телеметрии в подсистему управления и обслуживания.

Адресный регистр HLR представляет базу данных обо всех абонентах данного оператора, независимо от их местоположения. Визитный регистр VLR – это база данных об абонентах находящихся в зоне обслуживания данного MSC/VLR (при этом не имеет значения, принадлежат ли абоненты к данной сети, или являются гостями – роумерами). В обоих регистрах записаны международные системные (IMSI) и вызывные (MSISDN) номера абонентов, данные об услугах, доступных абоненту, ограничениях на использование услуг.

В регистрах имеется информация о местонахождении абонента: в HLR – адрес того MSC/VLR, в зоне обслуживания которого находится абонент, в VLR – идентификатор зоны локализации, где находится абонент. Зона локализации (Location Area – LA) – это группа сот внутри зоны обслуживания MSC/VLR. Сигнал пейджинга передают абоненту по всем сотам LA. VLR содержит данные о том, подключен или отключен абонент в данный момент, временный номер абонента (TMSI), и комплект аутентификационных параметров (триплетов).

Генерацию триплетов по запросу VLR проводит центр аутентификации AuC. База данных AuC содержит IMSI абонентов, индивидуальные аутентификационные ключи K_i, алгоритмы для генерации триплетов.

Регистр идентификации аппаратуры EIR служит для проверки, используемой абонентом MS. Каждая MS имеет индивидуальный заводской номер. EIR содержит «белый» список с номерами сертифицированных MS, «черный» список, где перечислены заводские номера MS, снятых с обслуживания, номера утерянных, украденных и неисправных MS, и «серый» список, в котором указаны номера MS, пригодных к ограниченному использованию. Все нормально работающие MS должны находиться в «белом» списке; MS из «черного» списка система не обслуживает.

Подсистема управления и обслуживания OSS (Operation Subsystem) состоит из трех центров. Центр управления и обслуживания OMC (Operation & Maintenance Center) собирает и обрабатывает информацию о работе всех функциональных узлов сети, организует профилактические и ремонтные работы. Центр управления сетью NMC (Network Management Center) решает общие задачи развития, планирования и управления сетью. Административный центр ADC (Administration Center) по сути дела представляет директорат компании со всеми коммерческими и техническими подразделениями.

Взаимодействие между функциональными элементами сети (рис. 2.9) осуществляют на основе протоколов, определенных спецификациями GSM. Протоколы составляют программную часть интерфейсов GSM, обязательных для любой конфигурации сети. Физические соединения выполняют в виде кабельных (металлических или волоконно-оптических) линий или радиорелейных линий.