Телекоммуникационная ссылка

7 Основные принципы взаимодействия MS и BTS

Начнем с того, что происходит при включении мобильного телефона. Чаще всего, даже если телефон выключен со вставленной батареей, он продолжает работать. В это время работает небольшая программа, называемая «загрузчиком». Загрузчик ожидает нажатия клавиши включения, запускает процесс зарядки при подключении зарядного устройства, а иногда и будильник.

Все зависит от конкретной модели телефона. Как только нажимается клавиша включения, начинается процесс загрузки операционной системы, которая сначала проверяет наличие SIM-карты, а затем запускает сканирование эфира в поисках сети оператора. Даже если SIM-карты нет, телефон все-равно подключается к ближайшей базовой станции, предоставляя возможность экстренного вызова.

Если SIM-карта на месте, выполняется запрос Location Update, уведомляющий сеть о текущем LAС абонента. Затем, базовая станция запрашивает IMEI телефона и IMSI SIM-карты, чтобы идентифицировать абонента (Identity Request). Если предоставленный IMEI отличается от того, с которым абонент подключался раньше, оператор может выслать настройки интернета.

Теперь подробнее остановимся на процессе подключения к сети. Каждая базовая станция обязательно имеет широковещательный канал CCCH, который располагается на нулевом таймслоте определенного ARFCN. В процессе сканирования эфира телефон последовательно переключает частоту тюнера, измеряя мощность принимаемого сигнала.

Как только BTS с наиболее сильным сигналом будет найдена, телефон переключается на ее канал синхронизации (SCH). Затем, получив первый Synchronization Burst, телефон определяет порядок следования таймслотов, а также идентификационные данные BSIC, которые состоят из NCC (Network Color Code) и BCC (Base station Color Code). Список разрешенных и запрещенных для подключения идентификаторов хранится на SIM-карте.

Как только телефон находит разрешенный BCCH, посылается RACH-запрос, базовая станция выделяет определенный физический канал, выполняет аутентификацию абонента, а также регистрирует его прибывание в VLR и HLR. После этого телефон находится в режиме IDLE.

При входящем звонке или SMS-сообщении, все базовые станции текущего LAC начинают рассылать Paging Requests, чтобы уведомить абонента о каком-либо событии. Если телефон его «услышал», он отвечает, сеть высылает пакет Immediate Assignment, описывающий выделенные абоненту ресурсы (частота, номер таймслота и т.д.). Очень похоже на Ping в Интернете. С этого момента телефон находится в режиме DEDICATED до момента разрыва соединения.

В случае, если абонент сам выступает в роли инициатора соединения, ему необходимо сначала выслать запрос CM Service Request, а затем дождаться Immediate Assignment от сети.

Техническое описание

EUTRAN – это часть «радиодоступа» ( RAN ) мобильной телефонной сети 4G LTE или LTE Advanced .

Он может передавать многие типы трафика ( голос и данные) в пакетном режиме, используя исключительно IP- протоколы . EUTRAN обеспечивает соединение между пользовательским оборудованием ( оборудование пользователя : мобильный телефон или смартфон ) и базовой сетью (EPC: «  Evolved Packet Core  ») оператора мобильной связи.

В LTE и LTE Advanced методами радиокодирования, используемыми между мобильными терминалами ( EU ) и антенной сетью, являются OFDMA ( нисходящая линия – нисходящая линия )

EUTRAN может использовать многие диапазоны радиочастот (например, диапазоны 800  МГц , 1800 и 2600  МГц в Европе), которые обычно распределяются или продаются операторам мобильной связи государственным учреждением ( ARCEP во Франции, ANRT в Марокко, FCC в США.

Штаты, ANF в Алжире). В зависимости от сетей и стран эти полосы частот могут быть уникальными (тогда они используют вариант TDD стандартов LTE / EUTRAN) или дуплексными и парными (вариант FDD ); в этом 2- м  случае одна из 2 полос используется для одного направления передачи ( нисходящая линия связи ), другая – для обратного направления ( восходящая линия связи ).

Базовые станции ( eNode B ) являются основным компонентом EUTRAN; они распределены по всей сети (необходимо несколько десятков тысяч базовых станций, чтобы полностью покрыть страну размером с Францию).

Существует два основных типа стандартизованных интерфейсов между функциональными объектами сети eUTRAN: интерфейсы S1 (S1-MME и S1-U), используемые для подключений к базовой сети (EPC), и интерфейсы X2, которые соединяют каждый eNode B с соседними eNode B, которые используются, в частности, для управления передачей мобильного телефона от одной радиоячейки к другой.

Интерфейс S1-MME поддерживает сигнальный и управляющий трафик для объекта управления мобильностью ( MME ), расположенного в центре сети Evolved Packet Core (EPC).

Интерфейс S1-U поддерживает потоки пользовательских данных (голос и данные), идущие или исходящие от SGW ( обслуживающего шлюза ), расположенного в центре сети.

Физическое подключение 4G eNode B к сердцевине сети LTE (называемое «EPC») осуществляется транзитной сетью, обычно состоящей из волоконно-оптических линий связи, поддерживающих протоколы IP ( IPv4 и IPv6 ).

“физиология”

Важнейшими причинами повышенного затухания сигналов являются теневые зоны, создаваемые зданиями или естественными возвышенностями на местности. Исследования условий применения подвижной радиосвязи в городах показали, что даже на очень близких расстояниях теневые зоны дают затухание до 20дБ.

Другой важной причиной затухания является листва деревьев. Например, на частоте 836МГц в летнее время, когда деревья покрыты листвой, уровень принимаемого сигнала оказывается приблизительно на 10дБ ниже, чем в том же месте зимой, при отсутствии листьев.

Важное явление, которое приходится учитывать при создании сотовых систем подвижной радиосвязи – отражение радиоволн, и, как следствие, их многолучевое распространение. С одной стороны, это явление полезно, так как оно позволяет радиоволнам огибать препятствия и распространяться за зданиями, в подземных гаражах и тоннелях.

Растягивание задержки сигнала получается из-за того, что сигнал, проходящий по нескольким независимым путям разной протяженности, принимается несколько раз. Поэтому повторяющийся импульс может выйти за пределы отведенного для него интервала времени и исказить следующий символ.

Релеевские замирания вызываются случайными фазами, с которыми поступают отраженные сигналы. Если,
например, прямой и отраженный сигналы принимаются и противофазе (со сдвигом фазы на 180°), то суммарный сигнал может быть ослаблен почти до нуля. Релеевские замирания для данного передатчика и заданной частоты представляют собой нечто вроде амплитудных “провалов”, имеющих разную глубину и распределенных случайным образом.

Эффект Доплера проявляется при движении приемника относительно передатчика и состоит в изменении частоты принимаемого колебания. Подобно тому, как тон шума движущегося поезда или автомобиля кажется неподвижному наблюдателю несколько выше при приближении транспортного средства и несколько ниже при его удалении, частота радиопередачи смещается при движении приемопередатчика.

Более того, при многолучевом распространении сигнала отдельные лучи могут давать смещение частоты в ту или другую сторону одновременно. В результате, за счет эффекта Доплера получается случайная частотная модуляция передаваемого сигнала подобно тому, как за счет релеевских замираний происходит случайная амплитудная модуляция.

Таким образом, в целом многолучевое распространение создает большие трудности в организации сотовой связи, в особенности для подвижных абонентов, что связано с медленными и быстрыми замираниями амплитуды сигнала в движущемся приемнике. Преодолеть эти трудности удалось с помощью цифровой техники, которая позволила создать новые методы кодирования, модуляции и выравнивания характеристик каналов.

История

Первая коммерческая сотовая сеть, 1G поколение, было запущено в Японии Nippon Telegraph and Telephone (NTT) в 1979 г., первоначально в столичном районе г. Токио. За пять лет сеть NTT была расширена, чтобы охватить все население Японии, и стала первой общенациональной сетью 1G.

Это был аналог беспроводная сеть. В Bell System разрабатывал сотовую технологию с 1947 года, и до 1979 года у них были действующие сотовые сети в Чикаго и Далласе, но коммерческое обслуживание было отложено из-за распад Bell System, с передачей сотовых активов в Региональные операционные компании Bell.

В беспроводная революция началось в начале 1990-х,[5][6][7] приводящий к переходу от аналога к цифровые сети.[8] Это стало возможным благодаря достижениям в МОП-транзистор технологии.

MOSFET, первоначально изобретенный Мохамед М. Аталла и Давон Канг в Bell Labs в 1959 г.,[9][10] был адаптирован для сотовых сетей к началу 1990-х годов с широким распространением силовой MOSFET, LDMOS (РЧ усилитель )

и RF CMOS (RF схема ) устройств, ведущих к развитию и распространению цифровых беспроводных мобильных сетей.[8][11][12]

Первая коммерческая цифровая сотовая сеть, 2G поколение, было запущено в 1991 году. Это вызвало конкуренцию в секторе, поскольку новые операторы бросили вызов действующим операторам аналоговых сетей 1G.

Концепции цифровых систем связи

Итак, для начала рассмотрим, как осуществляется звонок по мобильному телефону. Лишь только пользователь набирает номер, телефонная трубка (HS – Hand Set) начинает поиск ближайшей базовой станции (BS – Base Station) – приемопередающее, управляющее и коммуникационное оборудование, составляющее сеть.

В ее состав входят контроллер базовой станции (BSC – Base Station Controller) и несколько ретрансляторов (BTS – Base Transceiver Station). Базовые станции управляются мобильным коммутирующим центром (MSC – Mobile Service Center). Благодаря сотовой структуре, ретрансляторы покрывают местность зоной уверенного приема в одном или нескольких радиоканалах с дополнительным служебным каналом, по которому происходит синхронизация.

Точнее происходит согласование протокола обмена аппарата и базовой станции по аналогии с процедурой модемной синхронизации (handshacking), в процессе которого устройства договариваются о скорости передачи, канале и т.д. Когда мобильный аппарат находит базовую станцию и происходит синхронизация, контроллер базовой станции формирует полнодуплексный канал на мобильный коммутирующий центр через фиксированную сеть.

Центр передает информацию о мобильном терминале в четыре регистра: посетительский регистр подвижных абонентов или “гостей” (VLR – Visitor Layer Register), “домашний” регистр местных подвижных абонентов (HRL – Home Register Layer), регистр подписчика или аутентификации (AUC – AUthentiCator) и регистр идентификации оборудования (EIR – Equipment Identification Register).

Эта информация уникальна и находится в пластиковой абонентской микроэлектронной телекарточке или модуле (SIM – Subscriber Identity Module), по которому производятся проверка правомочности абонента и тарификация. В отличие от стационарных телефонов, за пользование которыми плата взимается в зависимости от нагрузки (числа занятых каналов), поступающей по фиксированной абонентской линии, плата за пользование подвижной связью взимается не с используемого телефонного аппарата, а с SIM-карты, которую можно вставить в любой аппарат.

Карточка представляет собой не что иное, как обычный флэш-чип, выполненный по смарт-технологии (SmartVoltage) и имеющий необходимый внешний интерфейс. Его можно использовать в любых аппаратах, и главное – чтобы совпадало рабочее напряжение: ранние версии использовали 5.

5В интерфейс, а у современных карт обычно 3.3В. Информация хранится в стандарте уникального международного идентификатора абонента (IMSI – International Mobile Subscriber Identification), благодаря чему исключается возможность появления “двойников” – даже если код карты будет случайно подобран, система автоматически исключит фальшивый SIM, и не придется в последствии оплачивать чужие разговоры.

При разработке стандарта протокола сотовой связи этот момент был изначально учтен, и теперь каждый абонент имеет свой уникальный и единственный в мире идентификационный номер, кодирующийся при передаче 64бит ключом. Кроме этого, по аналогии со скремблерами, предназначенными для шифрования/дешифрования разговора в аналоговой телефонии, в сотовой связи применяется 56бит кодирование.

На основании этих данных формируется представление системы о мобильном пользователе (его местоположение, статус в сети и т. д.) и происходит соединение. Если мобильный пользователь во время разговора перемещается из зоны действия одного ретранслятора в зону действия другого, или даже между зонами действия разных контроллеров, связь не обрывается и не ухудшается, поскольку система автоматически выбирает ту базовую станцию, с которой связь лучше.

Звонок из обычной телефонной сети мобильному пользователю осуществляется в обратной последовательности: сначала определяются местоположение и статус абонента на основании постоянно обновляющихся данных в регистрах, а затем происходят соединение и поддержание связи.

Максимальная мощность излучения подвижного аппарата в зависимости от его назначения (автомобильный постоянный или переносный, носимый или карманный) может изменяться в пределах 0.8-20 Вт (соответственно 29-43 дБм). В качестве примера в таблице приводятся классы станций и абонентских устройств по применяемой мощности, принятые в системе GSM-900.

Указание мощности в децибелах более удобно для расчета бюджета радиолинии, когда значения усиления и затухания в различных звеньях тракта передачи просто суммируются с соответствующими знаками. Как и финансовый бюджет, бюджет радиолинии определяет достаточность выделяемых средств для решения поставленной задачи – в данном случае для получения требуемого качества связи.

При анализе такого бюджета необходимо учитывать как факторы, добавляющие децибелы (например, мощность передатчика, коэффициент усиления антенны), так и факторы, уменьшающие децибелы (например, замирания). Обычно приемник требует определенного уровня сигнала в децибелах плюс некоторый запас на замирания, обеспечивающий гарантированное качество связи.

В отличие от аналоговых систем, в которых качество связи характеризуется влиянием внутренних и внешних помех, при рассмотрении цифровых каналов все виды помех сводятся к единственному их проявлению – появлению ошибок в отдельных передаваемых символах. Поэтому качество цифровых каналов передачи характеризуется просто частотой ошибок.

Системы подвижной радиосвязи строятся по схеме “точка-многоточие” (point-multipoint), поскольку абонент может находиться в любой точке соты, контролируемой базовой станцией. В простейшем случае круговой передачи мощность радиосигнала в свободном пространстве теоретически уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния.

Однако на практике сигнал затухает гораздо быстрее – в лучшем случае пропорционально кубу расстояния, поскольку энергия сигнала может поглощаться или уменьшаться на различных физических препятствиях, и характер таких процессов сильно зависит от частоты передачи.

Например, передача на частоте 1ГГц почти не зависит от осадков или влияния атмосферы, а при частоте 10ГГц эта зависимость может оказаться достаточно сильной. С другой стороны, чем ниже частота, тем меньше затухание и меньше требуемая мощность передачи.

Однако, из этого не следует, что и у передатчиков сотовой связи мощность повышается с увеличением частоты. Наоборот, в версии системы GSM, работающей в диапазоне 1800МГц, мощности передачи на порядок ниже, чем в системе GSM-900. Если взять за основу приведенную ранее таблицу, то мощность абонентского аппарата системы GSM-1800 находится в пределах от 1Вт (вместо 8Вт в GSM-900, класс 2) до 0.25Вт (класс 5), а мощность базовой станции от 20Вт (класс 1)

до 2Вт (класс 4), что объясняется размером сот. Однако на текущий момент для подвижных аппаратов системы GSM-900 мощность составляет максимум до 1Вт, реально же еще меньше. Поэтому цифры, приводимые в таблице ранее, на данный момент уже не актуальны, но приводятся для наглядности характеристики зависимости мощностей аппарата и базовой станции.

Система GSM-900 рассчитана на соты радиусом в несколько десятков километров (приблизительно до 35км), а система GSM-1800 – на соты радиусом в несколько километров. Таким образом, при уменьшении мощности на порядок охватываемая площадь соты уменьшается на два порядка.

Примечания и ссылки

Радиокодирование и принципы разделения радиоресурсов

Временное и частотное представление блока

ресурсов

LTE с использованием 12 поднесущих и длительностью 0,5 мс.

Базовые станции LTE обеспечивают одновременный доступ нескольких сотен активных абонентов к каждой ячейке мобильной сети. Чтобы разделить радиоресурс между пользователями, базовая станция использует как частотное ( FMMA ), так и временное ( TDMA ) мультиплексирование при передаче и при приеме.

Базовая единица, назначаемая абоненту, – это «  Блок ресурсов  » (см. Рисунок). Каждый ресурсный блок состоит из 12 поднесущих шириной 15  кГц и 7 временных символов общей длительностью 0,5 мс.

Двенадцать поднесущих, сгруппированных вместе в «  блок ресурсов  », имеют последовательные частоты; они ортогональны друг другу, что позволяет избежать «защитных полос» между поднесущими.

На нисходящей линии связи (к мобильному терминалу) «  блоки ресурсов  », динамически выделяемые мобильному устройству, могут иметь разные несмежные частоты, распределенные в полосе 20  МГц (максимум), что дает преимущество снижения риска. имеют большинство поднесущих, испытывающих помехи, потому что они распределены в более широком радиочастотном спектре.

С другой стороны, для восходящих линий связи (направление терминала к eNode B ) «блоки ресурсов», используемые терминалом LTE при передаче, должны иметь соседние (последовательные) частоты. Это ограничение возникает из -за кодирования SC-FDMA, используемого в радиоканалах восходящей линии связи, характеристика «SC» ( одна несущая ) которого требует использования для данного терминала группы смежных поднесущих.

Распределение радиоресурсов (выделение блоков ресурсов мобильному терминалу) переопределяется каждые мс (в конце каждого TTI  : «  интервал времени передачи  »), что соответствует длительности двух «  блоков ресурсов  ».

В оптимальном случае полосы частот LTE 20  МГц доступно 1200 поднесущих по 15  кГц (то есть 100 блоков ресурсов ) и 2000 « временных интервалов» по 0,5 мс в секунду, поэтому примерно 200000 блоков ресурсов доступны каждую секунду для каждая антенна, которая будет совместно использоваться активными мобильными терминалами, присутствующими в радиоячейке LTE.

Такое распределение блоков ресурсов в реальном времени позволяет как адаптироваться к переменной скорости приложений, таких как доступ в Интернет, так и не тратить впустую полосу пропускания радиосвязи за счет почти мгновенного перераспределения неиспользуемых ресурсов другому абоненту.

«  Блоки ресурсов  » используются в двух вариантах стандартов LTE и LTE Advanced: режим FDD (полный дуплекс) и режим TDD (полудуплекс), в этом втором случае каждая группа из двенадцати поднесущих переназначается каждую секунду. От 1 до 10 мс (от двух до двадцати блоков ресурсов ) поочередно для передачи при передаче, затем при приеме.

После того, как «блоки ресурсов» выделяется абонент, поднесущие , которые составляют их являются модулированным с использованием типа модуляции: QPSK , 16QAM, 64QAM или 256QAM адаптированы к качеству на радио канала передачи , в частности , к его звуку.

Сигналу к коэффициенту шума . При приеме «блоки ресурсов», соответствующие конкретному абоненту, изолируются (демультиплексируются), затем они демодулируются с использованием типа модуляции, выбранного передатчиком.

Рекомендации

Таблица частот lte

Таблица частот LTE, стандартизированных 3GPP и используемых во всем мире на начало 2022 года:

Улучшения по сравнению с сетями радиодоступа 2g и 3g

EUTRAN имеет упрощенную архитектуру (по сравнению с 3G UTRAN ) за счет интеграции в  функции управления базовыми станциями «  eNode B », которые ранее были реализованы в RNC ( контроллерах радиосети )

и BSC сетей UMTS RAN и GSM . Он обеспечивает превосходную производительность (пропускную способность и сокращение задержки ) благодаря обычно оптическим каналам связи с базовой сетью и удаленным антеннам (каналы CPRI ), а также упрощению сети.

OFDMA – радио кодирования и использование MIMO многомодовых антенн также способствует более высоким скоростям передачи бит и лучшей адаптации к неблагоприятным условиям радиосвязи (эхо – сигналы, несколько путей ), в частности , благодаря разложению сигнала в сотни подразделов.

Независимые носители (техника, аналогичная кодированию DMT, используемому в каналах xDSL ). Наконец, он предлагает большую гибкость в выборе полосы частот (от 1,4 до 20  МГц ) и возможность динамического распределения полосы пропускания для каждого абонента (через количество поднесущих и благодаря перераспределению. Время: каждые мс ), что делает его оптимизированный носитель для использования, где требуется быстро меняющаяся скорость, например, доступ в Интернет, интерактивные игры или картография ( GPS ).