Сотовые системы связи

Сотовые системы связи

2-е издание, исправленное

Берлин А.Н.

Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ”
2016

2

УДК 621.396.93(470+571)(07)
ББК 10
Б49
Сотовые системы связи / Берлин А.Н. - M.: Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ”, 2016
(Основы информационных технологий)
ISBN 978-5-9963-0104-1

В курсе излагаются принципы построения и функционирования основных систем сотовой связи,
которые работают сегодня на сети России. Это системы на основе стандартов GSM, CDMA. Системы
следующих поколений - это UMTS, WiMAX (стандарт IEEE 802/16e).
Рассматриваются архитектура, протоколы и основные алгоритмы работы (регистрация, хэендовер,
аутентификация и др.). Особое внимание уделено системам и методам доступа: многостанционном с
кодовым разделением (CDMA), ортогональному с частотным разделелением (OFDMA), новой
системе наземного радиодоступа UTRAN. Для каждой из технологий детально рассмотрены
принципы кодирования, протоколы сигнализации, процесс хэндовера и его разновидности,
характеристики систем, а также новые технические решения. Прослеживается эволюция систем при
переходе к новым поколениям. Рассмотрение основных направлений технической реализации систем
мобильной связи позволяет оценить принимаемые в настоящее время решения по внедрению новых
систем и технолгий в этой области.

(c) ООО “ИНТУИТ.РУ”, 2009-2016
(c) Берлин А.Н., 2009-2016

3

Введение

Введение

Характерная черта современного мира — широкое использование подвижной связи. В
настоящее время в большинстве стран количество абонентов подвижной связи
начинает превосходить количество абонентов стационарной сети. Уже появилось
мнение, что в скором времени многие абоненты от стационарной связи откажутся.
Пока же она имеет некоторые преимущества по надежности и качеству услуг, в
основном в части широкополосной сети и возможностей мультимедиа.

Надежность сотовой связи и ее качество в настоящее время зависит от местности,
погодных и радиоэлектромагнитных условий. Абонент не всегда может быть уверен,
что связь будет предоставлена в любом месте и в любое время.

Услуги мультимедиа, предоставляемые сетями подвижной связи, в ближайшее время
должны быть дополнены доступом в Интернет и приемом подвижных изображений с
качеством не хуже, чем предоставляемые в xDSL. Поэтому исследования в этих
направлениях составляют основу современной науки и практики развития мобильных
систем.

Этот курс рассматривает принятые в настоящее время направления технологий
реализации сетей и систем сотовой связи. В ней представлены основные системы и,
следовательно, основные направления реализации. Это оборудование, протоколы и
процессы цифровых систем на базе стандартов GSM (часть 1), набора стандартов,
связанных с технологией CDMA (часть 2), CDMA 2000, UMTS (часть 3) и очень
перспективная в настоящее время система (часть 4) WiMAX (стандарт IEEE 802.16e).

В курсе автор придерживался нейтральной позиции и излагал лишь строгие факты и
сведения об архитектурах и процессах. Ниже во введении изложена точка зрения
автора на предпочтительность рассмотренных в курсе технологий.

GSM, которая рассматривается в части 1, не требует представления и пока является
самой распространенной системой в Европе. В США имеется модификация этой
системы. Ее сторонники подчеркивают хорошее качество речи, наличие службы
коротких сообщений (SMS), работу в сложных метеоусловиях, в условиях
многолучевого распространения и минимального отношения сигнал-помеха.

Конкурентом GSM в борьбе за потребителя является система с кодовым разделением
каналов (CDMA), о которой говорится в части 2.

Эта система построена на очень интересных принципах, отличающихся от
традиционных теоретических (функции Уолша, псевдослучайные
последовательности).

Сторонники этой технологии приводят следующие преимущества: максимальное
использование частотного диапазона, экономный расход мощности батареи терминала
и, следовательно, более долгий срок службы, максимальная для подвижных систем

4

конфиденциальность и скрытность информации, устойчивость к многолучевым
замираниям и индустриальным помехам. К недостаткам системы относится
необходимость сложного и точного механизма регулирования мощности.

Наиболее широкие исследования предприняты в рамках программы IMT-2000,
рассмотренной в части 3. Основные задачи этого направления упрощенно можно
сформулировать как достижение рабочего диапазона 2 Мбит/c, т. е. диапазона,
характерного для сетей интегрального обслуживания ISDN, и соответственно —
предоставление аналогичных услуг.

На базе этого проекта разработано множество подпроектов (CDMA-2000, UWC-136 и
другие), которые кратко приведены в этом курсе. Наиболее подробно рассмотрен
общеевропейский проект UMTS. В концепции этого проекта основное внимание
уделяется организации взаимодействия с системами стандарта GSM и их
последующими модификациями (GPRS, EDGE).

Основные задачи этих систем можно концентрированно выразить в следующих
положениях:

глобальный роуминг, благодаря всеобщей стандартизации или согласованности
протоколов;
совмещение услуг передачи речи со скоростной передачей данных;
двусторонняя работа со спутниковыми системами.

По мнению автора, указанные задачи не были полностью решены, и внедрению этих
систем реально угрожает конкуренция с новой системой внутригородской связи
WiMAX, базирующейся на стандарте IEEE.802.16e, которой посвящена часть 4.Этот
стандарт является результатом большой работы над сетями радиодоступа.

Поставленные задачи весьма сложны, если принять во внимание предоставляемый
абоненту частотный диапазон 1–5 МГц и обеспечение качественной связи в условиях
отсутствия прямой видимости 3 км. Перспектива, которую ставят перед собой
разработчики широкополосной системы мобильной связи, — передача данных со
скоростью 134 Мбит/с и дальность обмена 50 км (без прямой видимости). Указанные
данные порождают массу прикладных задач, которые достаточно усложняют процессы
передачи вызова (хэндовера) и перехода между сетями (роуминга).

Эти амбициозные задачи подкрепляются новыми или существенно доработанными
решениями. В частности, это наращиваемый ортогональный многочастотный доступ с
применением быстрых преобразований Фурье, применение многоэлементных антенн
(MIMO), с пространственно-временным кодированием, а также адаптивная модуляция,
дифференцированное качество обслуживания и т. п.

Перечисленные выше решения — это серьезные и объемные теоретические вопросы,
решаемые с помощью современных математических методов (например, коды
Аламоути). Их рассмотрение позволяет проследить возможные пути развития данной
области техники и проанализировать возможные практические пути реализации новых
технологий.

5

Структура курса предусматривает изучение этих систем в порядке их сложности по
принципу наращивания знаний.

Следует отметить, что развитие сетей мобильной связи не остановилось на
перечисленных выше системах. В настоящее время уже проводятся исследования в
области программно ориентированных средств радиопередачи (SDR — Software
Defined Radio).

Функции такой системы в основном определяются программным обеспечением, что
позволяет легко адаптировать систему к различным приложениям. Они требуют
отдельного изучения и в этом курсе не рассматриваются.

6

Услуги и внутренние интерфейсы

Лекция показывает: структуру сети GSM и основные элементы этой сети; принципы
повторного использования частот; состав и задачи сигнальных каналов; описание
процессов обслуживания вызовов.

1.1. История GSM

В начале 1980-х в Европе, особенно в Скандинавии и Великобритании, а также и во
Франции и Германии наблюдался быстрый рост мобильной телефонной связи. Каждая
страна разработала свою собственную систему, которая была несовместима со всеми
другими в части оборудования и функционирования. Такая ситуация была
нежелательна, потому что подвижная аппаратура не только была ограничена
функционированием в пределах национальных границ, которых в объединенной
Европе было все больше и больше, но очень ограничивало рынок для каждого типа
оборудования. Страдали и сбыт, и окупаемость расходов на мобильную связь.

В 1982 г. Конференция европейских почт и телекоммуникаций (CEPT — Conference of
European Post and Telecommunication) сформировала группу GSM (Group Special
Mobile) для изучения и разработки европейской мобильной наземной системы [42,
104]. Предложенная система должна была соответствовать некоторым критериям:

хорошее субъективное качество речи;
низкая стоимость оконечных устройств и обслуживания;
поддержка международной подвижной связи;
способность обслуживать малогабаритные терминалы;
обеспечение диапазона новых услуг и средств;
эффективное использование радиодиапазона;
совместимость с ISDN.

В 1989 г. ответственность за разработку GSM была передана Европейскому институту
стандартов в области телекоммуникаций (ETSI — European Telecommunication
Standards Institute). Первые спецификации GSM были изданы в 1990 г. Коммерческая
эксплуатация была начата в середине 1991 г., и к 1993 г. существовало 36 сетей GSM в
22 странах.

Хотя GSM стандартизировано в Европе, это не только европейский стандарт. Сегодня
работают более чем 200 сетей GSM (включая DCS-1800 и PCS-1900) в 110 странах во
всем мире. В начале 1994 г. во всем мире было 1,3 миллиона абонентов. Сегодня эта
цифра выросла до 70 миллионов. Северная Америка имеет разновидность GSM,
названную PCS-1900.

Системы GSM существуют теперь на каждом континенте, и сокращение “GSM” (Global
System for Mobile Communications) теперь обозначает “Глобальная система для
мобильной связи”.

Создатели GSM выбрали не опробованную (в то время) цифровую систему, в

7

противоположность применявшимся тогда аналоговым сотовым системам, подобным
усовершенствованной системе мобильной связи в Соединенных Штатах (AMPS —
Advances Mobile Phone System) и системе с полным доступом (TACS — Total Access
Communications System) в Великобритании. Разработчики верили, что
усовершенствованные алгоритмы сжатия информации и применение цифровых
сигнальных процессоров позволят выполнить поставленные выше задачи и
непрерывно совершенствовать систему в смысле качества и стоимости. Более чем 8000
страниц рекомендаций GSM дали возможность построить гибкую и
конкурентоспособную систему и обеспечить достаточную стандартизацию, чтобы
гарантировать надлежащее межсетевое взаимодействие между компонентами системы,
— для этого были созданы описания интерфейсов каждого из функциональных
объектов, определенных в системе.

1.2. Услуги, обеспечиваемые GSM

С самого начала разработчики GSM хотели гарантировать совместимость ее с
цифровой сетью интегрального обслуживания ISDN в части услуг и передачи сигналов
управления [27, 93, 94]. Однако ограничения радиопередачи по пропускной
способности и стоимости не позволяли достигнуть стандартной для ISDN скорости
передачи информации в битах B-канала 64 Кбит/c.

В соответствии с определением ITU-T (Международного союза электросвязи),
телекоммуникационные услуги могут быть разделены на основные и дополнительные
услуги [77-79, 115]. Основная услуга, поддерживаемая GSM, — телефонная связь. Речь
закодирована в цифровой форме и передается через сеть GSM как цифровой поток.
Существуют также экстренные службы, где, набирая три цифры (например 911),
можно получить связь с ближайшим пунктом этой службы.

GSM предоставляет следующие услуги:

1. телефонная связь (совмещается со службой сигнализации: охрана квартир,

сигналы бедствия и пр.);

2. передача коротких сообщений;
3. доступ к службам “Видеотекст”, “Телетекст”;
4. служба “Телефакс” (группа 3).

Пользователи GSM могут обмениваться данными со скоростью свыше 9600 битов в
сек.:

с пользователями обычной телефонной сети (POTS — Plain Ordinary Service);
с пользователями цифровой сети интегрального обслуживания (ISDN);
с пользователями сети передачи данных общего пользования с пакетной
коммутацией (PSPDN — Packet Switched Public Data Networks);
с пользователями сети передачи данных общего пользования c коммутацией
каналов (CSPDN — Circuit Switched Public Data Networks).

Стандарт GSM предусматривает передачу данных:

8

асинхронно в дуплексном режиме со скоростями 300, 600, 1200, 2400, 4800 и 9600
бит/с через телефонные сети общего пользования;
синхронно в дуплексном режиме со скоростями 1200, 2400, 4800 и 9600 бит/с
через телефонные сети общего пользования, коммутируемые сети передачи
данных общего пользования (CSPDN) и ISDN;
в режиме доступа с помощью адаптера к пакетной асинхронной передаче данных
со стандартными скоростями 300–9600 бит/с через коммутируемые сети пакетной
передачи данных общего пользования (PSPDN);
в режиме синхронного дуплексного доступа к сети пакетной передачи данных со
стандартными скоростями 2400–9600 бит/с.

При передаче данных со скоростью 9,6 Кбит/с всегда задействуется канал связи с
полной скоростью передачи. В случае передачи на скоростях ниже 9,6 Кбит/с могут
использоваться полускоростные каналы связи.

При этом применяются разнообразные методы доступа и протоколов, таких как X.25
или X.32 [86]. Так как GSM — цифровая сеть, между пользователем и сетью GSM не
требуется модем, хотя аудиомодем необходим в сети GSM для взаимодействия с
обычной телефонной сетью.

Уникальная особенность GSM, которая отсутствует в старых аналоговых системах, —
Служба передачи коротких сообщений (SMS — Short Message Service). SMS —
двунаправленное обслуживание коротких алфавитно-цифровых (не свыше 160 байтов)
сообщений. Сообщения транспортируются способом с промежуточным накоплением
(store-and-forward fashion). При соединении между двумя абонентами SMS-сообщение
можно передать третьему абоненту и получить подтверждение. SMS может также
использоваться в широковещательном режиме, чтобы послать такие сообщения, как
модификации трафика или модификации новостей. Сообщения могут также быть
сохранены в SIM-карте абонента (SIM — Subscriber Identification Module) для
использования в дальнейшем.

Дополнительно стандартизован широкий спектр особых услуг (включение в закрытую
группу пользователей, передача вызова, оповещения о тарифных расходах).

Они включают несколько вариантов переадресации вызова и запрет на вызов при
входящей и исходящей связи, например, при роуминге (изменении местоположения) в
другой стране. Осуществляются такие услуги, как идентификация вызывающего
абонента, режим “ждущий вызов”, многосторонняя (конференц-) связь.

Важной услугой признается стандарт “закрытой группы”. Закрытая группа
пользователей (CUG — Closed User Group) — это группа абонентов, в которой
устанавливается соединение и происходит обмен информацией преимущественно в
пределах этой группы. Возможно предоставление входящей и исходящей связи вне
этой группы. При этом абонентам при связи внутри группы предоставляются льготы.
Примером такой группы является связь внутри членов одной семьи. Обычно компании
сотовой связи предоставляют при такой связи абонентам пониженный тариф или
бесплатную связь.

9

Следующая услуга: сопровождающий вызов обеспечивает переадресацию входящего
вызова на номер абонента стационарной сети.

В режиме “ждущий вызов” при занятости абонента входящий вызов ставится в режим
ожидания освобождения предыдущего соединения. Абонент, к которому адресован
вызов, получает предупреждающий сигнал. Абонент может:

завершить предыдущий вызов;
кратковременным нажатием рычага трубки перейти на новое соединение;
после разговора по новому соединению вернуться к старому и повторить это
многократно.

Все перечисленные соединения относятся к группе дополнительных видов
обслуживания, которые реализуются в сетях ISDN и современных сетях PSTN.

1.3. Архитектура сети GSM

Сеть GSM состоит из нескольких функциональных объектов, функции и интерфейсы
которых показаны на рис. 1.1.

10