Технології та стандарти зв'язку NMT-450, GSM

Зміст

1. Організація системи стільникового мобільного радіозв’язку стандарту NMT-450 3

2. Загальна характеристика стандарту GSM 10

3. Інтеграція елементів інтелектуальної мережі стандарту GSM 14

Список використаної літератури 18

Варіант 6

    Організація системи стільникового мобільного радіозв’язку

стандарту NMT-450

Стандарт на аналогові стільникові системи мобільного радіозв'язку NMT-450 Скандинавських країн (The Nordіc Mobіle Telephone System) розроблений спільно Адміністраціями зв'язку Данії, Фінляндії, Норвегії і Швеції для організації спільного радіотелефонного зв'язку загального користування в Скандинавських країнах.

У NMT-450 рухливі станції цілком сумісні з усіма базовими станціями системи незалежно від країни. Усі мобільні абоненти мають можливість працювати в будь-який країн, що входять у систему.

Система призначена в основному для обслуговування наземних рухливих абонентів, однак, у деяких випадках може обслужити також і абонентів морських рухливих служб на невеликих відстанях від берега.

Система забезпечує: - входження в зв'язок і реєстрацію вартості розмови як з рухливої станції, так і, навпаки, в автоматичному режимі; - можливість організації зв'язку між рухливою станцією і будь-яким абонентом стаціонарної телефонної мережі чи з будь-якою іншою рухливою станцією, включеної в систему, незалежно від країни; - можливість автоматичного пошуку рухливого абонента в межах об'єднаних мереж (наприклад, Скандинавських країн).

Принцип роботи рухливої системи радіозв'язку заснований на взаємодії з фіксованою телефонною мережею. До складу мереж рухливого зв'язку входять:

MSC - центр комутації мобільного зв'язку;

BTS - базові станції;

MS - мобільні станції.

Центр комутації мобільного зв'язку (MSC) забезпечує керування системою рухливого радіозв'язку і є інтерфейсом між мобільною станцією і фіксованою телефонною мережею. Кожен MSC обслуговує групу базових станцій. Сукупність BTS , що обслуговуються одним MSC , утворить зону обслуговування (TA - traffіc area).

Система утворена таким чином, що в залежності від значимості абонентів вона може їм надавати деякі переваги, такі як скорочений набір, пріоритет і т.п.

На кожній базовій станції один канал використовується як канал виклику, він маркірується спеціальним сигналом упізнання. Один чи кілька інших каналів, коли вони вільні, маркіруються іншим сигналом, що показує, що канал вільний. Мобільні станції, що знаходяться в зоні дії базової станції, постійно працюють на прийом на каналі виклику. Однак, при визначених обставинах, MSC може допускати використання каналу виклику для ведення розмови. Ця можливість може бути використана тільки в тому випадку, коли на базовій станції немає вільних каналів зв'язку.

На додаток до сигналів, що розрізняють канали виклику і канали зв'язку, маються сигнали, що визначають зону обслуговування і країну, у якій знаходиться мобільна станція, а також сигнали, що позначають номер каналу. Усі службові сигнали є цифровими і передаються зі швидкістю 1200/1800 біт/с FFSK модуляцією (Fast Frequency Shіft Keyіng нулю відповідає частота 1800 Гц, а одиниці 1200Гц). Сама розмова представляє аналоговий сигнал (модуляція) так, що його можна підслухати "звичайним" приймачем.

Розробка системи стільникового зв'язку стандарту NMT-450 була закінчена в 1978 р., а експлуатація перших систем стільникового мобільного радіотелефонного зв'язку загального користування цього стандарту почався в 1981 р. ДО 1985 р. число абонентів системи досягло 180 тис., а ріст їхнього числа складав 5 тис. на місяць.

Споконвічно системи стандарту NMT (Nordic Mobile Telephone) були призначені для 5 північноєвропейських країн. Це були аналогові системи першого покоління, що працювали в діапазоні 450 - 467 МГц і мали 180 каналів зв'язку шириною по 25 КГц кожний. За рахунок багаторазового використання частот ефективне число каналів складало 5568. Середнє число каналів, що виділялося базовим станціям, було рівним 30. Стільники з радіусом, що знаходиться в діапазоні 5—25 км, покривали території цих країн.

Мережі на основі модифікацій даного стандарту знаходять застосування в багатьох країнах світу і в даний час завдяки великій зоні обслуговування, низькій ціні установки і запуску, масштабуванню і простоті технічного обслуговування.

Характерною рисою стандарту є те, що всі мобільні абоненти мають можливість працювати в кожній із країн, що входять у систему, завдяки тому, що мобільні станції цілком сумісні з усіма базовими станціями системи будь-якої країни. В даний час більш 40 країн світу використовують системи стільникового мобільного зв'язку стандартів NMT-450 і NMT-900, що працюють у діапазоні частот 450 і 900 МГц відповідно. Основне розходження між цими стандартами полягає в тім, що з підвищенням використовуваних частот стало можливим зменшення габаритів радіотелефону, а також розширення спектра послуг зв'язку та керування.

До основних достоїнств стандарту NMT варто віднести надійну роботу на відкритих просторах і можливість брати телефон із собою в поїздку в ті країни, де використовується цей стандарт. Система стільникового зв'язку стандарту забезпечує:

Входження в зв'язок і реєстрацію вартості розмови в автоматичному режимі.

Організацію зв'язку між мобільною станцією і будь-яким абонентом стаціонарної телефонної мережі чи з будь-якою включеною в систему мобільною станцією, незалежно від країни.

Автоматичний пошук мобільного абонента в межах об'єднаних мереж стільникового зв'язку.

Системи стільникового зв'язку цього стандарту, крім передачі мовних повідомлень на місцевому, міжміському і міжнародному рівнях, дозволяють відправляти телефакси і мати доступ до різних баз даних (швидкість передачі даних не повинна перевищувати 4,8 Кбіт/с), а також надають абонентам наступні сервісні послуги: переадресацію виклику на інший номер, обмеження виклику (тривалості розмови), конференц-зв'язок трьох абонентів, організацію користувальницьких груп зі скороченим набором номера і т.п.

Стандарт NMT-450 був удосконалений: збільшилася продуктивність системи зв'язку; підвищилося якість роботи; проведений захист доступу до мережі за допомогою системи ідентифікації абонента, що виключила можливість піратського використання каналу зв'язку. Ця дороблена версія стандарту одержала позначення NMT-450і. Основною її особливістю є застосування так званої SS N 7 (Сигналізації Номер 7 по специфікації МККТТ), що дозволяє швидше переключати абонентські станції на обслуговування іншою базовою станцією при переміщеннях абонента, виконувати функції їхньої ідентифікації і знижувати споживання енергії радіотелефонами.

Основні характеристики стандарту NMT-450 збережені й у більш новій його версії NMT-900. Основні технічні характеристики стандартів представлені в табл. 1.1.

Таблиця 1.1. Основні характеристики стандартів NMT-450 (NMT-450і)

Найменування параметра

NMT-450(NMT-450i)

Смуга частот:

для передачі мобільною станцією

для прийому мобільною станцією

453,0-457,5

463,0-467,5

Частотний рознос каналів, кгц

25 (20)

Кількість каналів

180 (225)

Дуплексний рознос каналів прийому і передачі, МГц

10

Потужність передавача базової станції, Ут

До 50

Потужність передавача мобільної станції, Ут

15

1,5

0,15

Радіус стільника, км

15-40

Як видно з табл. 1.1, робочі частоти стандарту NMT-450 знаходяться в двох смугах: 453,0 - 457,5 і 463,0 - 467,5 Мгц. Отже, рознос каналів прийому і передачі дорівнює 10 Мгц.

Оскільки загальне число каналів обмежене (рознос сусідніх каналів дорівнює 20 — 25 кгц), то для того, щоб збільшити абонентську ємність системи, передбачається організація малих зон зв'язку.

Система стільникового мобільного зв'язку стандарту NMT-450 призначена для обслуговування наземних мобільних абонентів, але може бути використана і морськими мобільними службами поблизу берега.

Принцип роботи системи мобільного зв'язку заснований на взаємодії з телефонною мережею загального користування. Структурна схема подібної типової мережі представлена на мал. 1.1.

До складу мереж стільникового мобільного зв'язку входять:

Центр комутації мобільного зв'язку (MSC).

Базові станції (BTS).

Рухливі станції (MS).

Різні контролери.

Центр комутації мобільного зв'язку забезпечує керування системою мобільного радіозв'язку і є сполучною ланкою між мобільними станціями і телефонною мережею загального користування. Кожен MSC обслуговує групу базових станцій, сукупність яких утворить його зону обслуговування (на мал. 3.7 зони обслуговування виділені сірим кольором).

Система спроектована таким чином, що, у залежності від типу абонентів, вона може надавати їм деякі переваги в обслуговуванні, наприклад, пріоритет виклику, скорочений набір і т.п.

Канали зв'язку кожної базової станції підрозділяються на розмовні канали і канали керування (виклику). По каналу керування передається спеціальний сигнал упізнання. По вільних розмовних каналах транслюється інший сигнал упізнання, що підтверджує, що канал вільний і може бути використаний для ведення переговорів. Усі мобільні станції, що знаходяться в зоні дії базових станцій, постійно працюють на прийом на частоті каналу керування. У випадку, коли всі розмовні канали зайняті, допускається використання каналу керування для ведення розмови.

Мал. 1.1. Структурна схема мережі стільникового мобільного зв'язку стандарту NMT-450

У системі NMT для обміну службовою інформацією між MSC, BTS і MS, крім службових сигналів, що визначають канали керування і розмовні канали, використовуються сигнали, що визначають зону обслуговування, країну, у якій знаходиться мобільний абонент, а також сигнали, що позначають номер каналу. Усі ці службові сигнали є цифровими і формуються за допомогою швидкої частотної маніпуляції FFSK (Fast Frequency Shift Keying). Принцип формування FFSK сигналу представлений на мал. 1.2. З цього малюнка видно, що цифровий сигнал, визначений як логічна одиниця, являє собою один період коливання частотою 1200 Гц, а сигнал логічного нуля - 1,5 періоду коливання частотою 1800 Гц. Таким чином, можна сказати, що цифровий сигнал передається по каналу зв'язку зі швидкістю 1200 біт/с.

 

Мал. 1.2. Принцип формування FFSK-сигналу

Мал.1.3. Структура робочого кудру NMT

Службова інформація в системі NMT передається в 64-розрядному пакеті і розташовується в середині повного робочого кадру. Кожен такий пакет містить п'ять полів (мал. 1.3):

Номер каналу N1N2N3, по якому передається дане повідомлення.

Префікс Р, що характеризує тип кадру.

Номер району обслуговування Y1Y2, де розташована базова станція з номером каналу N1N2N3.

Номер мобільної станції XI — Х7.

Інформаційне поле.

При передачі в напрямку MSC - MS інформаційне поле містить 12 біт; у напрямку MS - MSC номер району обслуговування Y1Y2 не передається, інформаційне поле містить 20 біт. У системі NMT як керуючий може використовуватися кожен з розмовних радіоканалів, що, на думку фахівців, підвищує ефективність керування стільниковою системою зв'язку.

    Загальна характеристика стандарту GSM

У цілому, система зв'язку стандарту GSM розрахована на використання в комерційній сфері. Вона надає користувачам широкий спектр послуг та можливість застосування різноманітного устаткування для передачі мовних повідомлень і даних, сигналів виклику й аварійних сигналів, а також можливість підключення до телефонних мереж загального користування, мережам передачі даних і цифрових мереж з інтеграцією служб.

У порівнянні з іншими широко розповсюдженими цифровими стандартами GSM забезпечує кращі енергетичні характеристики, більш високу якість зв'язку, його безпеку і конфіденційність. Прийнятна якість прийнятих мовних повідомлень у стандарті GSM забезпечується при відношенні сигнал/шум на вході приймача 9 дБ (для стандарту D-AMPS, наприклад, це співвідношення дорівнює близько 16 дБ), а енергетичні витрати в реальних каналах зв'язку (при завмиранні сигналів) на 6—10 дБ нижче в порівнянні зі стандартом D-AMPS.

Стандарт GSM, крім того, надає своїм користувачам ряд послуг, що не реалізовані (чи реалізовані частково) в інших стандартах стільникового зв'язку. До них відносяться:

Використання інтелектуальних SIM-карт для забезпечення доступу до каналу і послуг зв'язку.

Шифрування переданих повідомлень.

Закритий від прослуховування радіо інтерфейс.

Аутентифікація абонента й ідентифікація абонентського устаткування по криптографічних алгоритмах.

Використання служб коротких повідомлень, що передаються по каналах сигналізації.

Автоматичний роумінг абонентів різних мереж GSM у національному і міжнародному масштабах.

Міжмережевий роумінг абонентів GSM з абонентами мереж стандартів DCS1800, PCS 1900, DECT, а також із супутниковими мережами персонального радіозв'язку (Globalstar, Inmarsat-P).

Відповідно до Рекомендації СЕРТ 1980 р., що стосується використання частот мобільного зв'язку в діапазоні 862 - 960 МГц, стандарт GSM цифрової загальноєвропейської стільникової системи наземного мобільного зв'язку передбачає роботу передавачів у двох діапазонах частот. Смуга частот 890-915 МГц використовується для передачі повідомлень з мобільної станції на базову, а смуга частот 935 - 960 МГц - для передачі повідомлень з базової станції на мобільну (абоненту). Причому при переключенні каналів під час сеансу зв'язку, різниця між цими частотами постійна і дорівнює 45 МГц.

Рознос частот між сусідніми каналами зв'язку складає 200 кгц. Таким чином, у відведеній для прийому/передачі смузі частот шириною 25 МГц розміщається 124 каналу зв'язку.

У стандарті GSM використовується багатостанційний доступ з часовим поділом (ущільненням каналів - TDMA), що дозволяє на одній несучій частоті розмістити 8 мовних каналів одночасно. У якості мовноперетворюючого пристрою використовується мовний кодек RPE — LTP з регулярним імпульсним збудженням і швидкістю перетворення мови 13 Кбіт/с.

Обробка мови в даному стандарті здійснюється в рамках прийнятої системи переривчастої передачі мови DTX (Discontinuous Transmission), що забезпечує включення передавача тільки тоді, коли користувач починає розмову і відключає його в паузах і наприкінці розмови (мал.2.1). Система DTX керує детектором активності мови VAD (Voice Activity Detector), що забезпечує виявлення і виділення інтервалів мови із шумом і шуму без мови навіть у тих випадках, коли рівень шуму може бути одного рівня з рівнем мови.

Для захисту від помилок, що виникають у радіоканалах, застосовується блокове кодування і кодування з використанням функцій згортки з перемеженням. Підвищення ефективності кодування і перемеження при малій швидкості переміщення мобільних станцій досягається повільним переключенням робочих частот у процесі сеансу зв'язку (зі швидкістю 217 стрибків у секунду).

Для боротьби з інтерференційними завмираннями прийнятих сигналів, викликаними багатопроменевим поширенням радіохвиль в умовах міста, в апаратурі зв'язку використовуються еквалайзери, що забезпечують вирівнювання імпульсних сигналів зі средньоквадратичним відхиленням часу затримки до 16 мкс. Система синхронізації устаткування розрахована на компенсацію (до 233 мкс) абсолютного часу затримки сигналів. Це відповідає максимальної дальності зв'язку 35 км (максимальний радіус стільника).

Мал. 2.1. Структурна схема процесів обробки мови у стандарті GSM.

Для модуляції радіосигналу застосовується спектрально-ефективна гаусовська частотна маніпуляція з мінімальним частотним зсувом (GTMSK). Маніпуляція називається так тому, що послідовність інформаційних біт до модулятора проходить через фільтр нижніх частот з гаусовською амплітудно-частотною характеристикою, щоо дає значне зменшення ширини смуги частот випромінюваного сигналу. Формування GMSK-радіо-сигналу відбувається таким чином, що на інтервалі, що відповідає одному біту фаза несущої змінюється на 90°. Це найменша зміна фази, що може бути виявлена при даному типі маніпуляції. Вихідний сигнал з беззупинною зміною фази аналогічний сигналу, отриманому в результаті частотної модуляції з дискретною зміною частоти. Принцип формування GMSK сигналу представлений на мал. 2.2.

У стандарті GSM використовується модуляція з величиною нормованої смуги BT=0,3, де B — ширина смуги фільтра за рівнем -3 дБ; Т- тривалість передачі одного біта. Основою формувача GMSK-сигналу є квадратурний (I/O) модулятор, що складається з двох множувачів і одного суматора.

 

Мал. 2.2. Принцип формування GMSK-сигналу.

Модуляцію GMSK характеризують наступні властивості:

- Постійна за рівнем що обгинає, що дозволяє використовувати передавальні пристрої з підсилювачами потужності класу С;

- Вузький спектр на виході підсилювача потужності передавального пристрою, що забезпечує низький рівень позасмугового випромінювання;

- Гарна перешкодостійкість каналу зв'язку.

    Інтеграція елементів інтелектуальної мережі стандарту GSM

Кожен мобільний абонент на час користування системою стільникового зв'язку одержує стандартний модуль дійсності абонента (SIM-карту), що містить: міжнародний ідентифікаційний номер (IMSI), свій індивідуальний ключ аутентифікації (Кi), алгоритм аутентифікації (A3). За допомогою цієї інформації, у результаті взаємного обміну даними між мобільною станцією і мережею, здійснюється повний цикл аутентифікації і дозволяється доступ абонента до мережі, саме до мережі GSM.

Процедура перевірки дійсності абонента реалізується в такий спосіб (рис.3.1). Мережа передає на мобільну станцію деяке випадкове число (RAND). В апаратурі стільникового радіотелефону за допомогою індивідуального ключа Кі й алгоритму аутентифікації A3 відбувається перетворення отриманого числа (шляхом математичних обчислень) і обчислюється результат (SRES), тобто нове число. Це число мобільна станція посилає назад у мережу, що порівнює значення цього відгуку зі значенням, обчисленим безпосередньо мережею. Якщо обидва значення збігаються, то мобільна станція одержує доступ до мережі. У протилежному випадку зв'язок переривається, і індикатор мобільної станції показує, що впізнання не відбулося. Для забезпечення таємності обчислення відгуку відбувається потай (SIM-картою).

 

Мал. 3.1. Процедура перевірки абонента.

Центр керування й обслуговування (ОМС) забезпечує розподіл функцій і організацію взаємодії між MSC і підсистемою базових станцій (BSS). Його функції збігаються з функціями центра керування й обслуговування в звичайних мережах зв'язку. Розходження полягає лише в тім, що в мережах стандарту GSM центр ОМС забезпечує керування роботою радіо-підсистеми.

При передачі по одному мовному каналі в стандарті GSM використовується нормальний часовий інтервал NB (пакет) тривалістю 0,577 мс, що містить у собі: 114 біт зашифрованого повідомлення; дві кінцевих комбінації ТВ (Tail Bits) по 3 біти кожна; два контрольних біти, що розділяють зашифровані біти повідомлення й еталонну послідовність; захисний інтервал GP (Guard Period) тривалістю, рівною часу передачі 8,25 біта. Це означає, що інтервал NB містить 156,25 біт, а тривалість одного біта складає 3,69 мкс.

Цифровий інформаційний потік являє собою послідовність пакетів, що розташовуються у цих часових інтервалах (вікнах). Пакети формуються трохи коротше, ніж інтервали, їхня тривалість складає 0.546 мс, що необхідно для прийому повідомлення при наявності часової дисперсії в каналі поширення.

Однією з особливостей формування сигналів у стандарті GSM є використання повільних стрибків по частоті в процесі сеансу зв'язку - SFH (Slow Frequency Hopping). Головне призначення таких стрибків - забезпечення частотного рознесення в радіоканалах, що функціонують в умовах багатопроменевого поширення радіохвиль. Повільні стрибки частоти використовуються у всіх мобільних мережах, що підвищує ефективність кодування і перемеження при повільному русі абонентських станцій.

Принцип формування повільних стрибків по частоті полягає в тому, що повідомлення, передане у виділеному абоненту тимчасовому інтервалі TDMA- кадру 0,577 мс, у кожнім наступному кадрі передається (приймається) на новій фіксованій частоті (мал. 3.2). У відповідності зі структурою кадрів час для перебудови частоти складає близько 1 мс.

 

Мал. 3.2. Комбінована TDMA/FDMA схема організації каналів зв'язку у стандарті GSM і принцип формування повільних стрибків по частоті.

У процесі стрибків по частоті постійно зберігається рознос 45 МГц між каналами прийому і передачі (див. мал. 3.2). Всім активним абонентам, що знаходяться в одному стільнику, ставляться у відповідність непересічні послідовності переключення частот, що виключає взаємні перешкоди при прийомі повідомлень абонентами. Параметри послідовності переключень частот (частотно-тимчасова матриця і початкова частота) призначаються для кожної мобільної станції в процесі встановлення каналу зв'язку.

Список використаної літератури

    "Global radionavigation – the next 50 years and beyond". Benkers John M. J., Navigation. 2000. 53, №2, стор. 207-214, 1іл, Бібл. 6.

2. M.Mouly, M.B.Pautet. The GSM System for Mobile Communications. 1992.

3. Ю.А. Громаков. Сотовые системы подвижной радиосвязи. Технологии электронных коммуникаций. Том 48. "Эко-Трендз". Москва. 1994.

4. A. Mehrotra. Cellular Radio: Analog and Digital Systems. Artech House, Boston-London. 1994.

5. Ю.А. Громаков. Структура TDMA кадров и формирование сигналов в стандарте GSM. "Электросвязь". N 10. 1993.

6. W. Heger. GSM vs. CDMA. GSM Global System for Mobile Communications. Proceedings of the GSM Promotion Seminar 1994 GSM MoU Group in Cooperation with ETSI GSM Members. 15 December 1994.

7. Мир связи CONNECT № 7/2004

8. ISO/Draft International Standard: GDF – Geographic Data Files. – Version 4.0 – ISO/TC 204/WG3: CD. – 2001. – Р. 02–14.