Центр коммутации – Принципы построения систем сотовой связи

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 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:

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.

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.

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

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:

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 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.

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.:

Стандарт GSM предусматривает передачу данных:

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.

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:

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

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

Рис. 1.1.

 
Архитектура сети и интерфейсы GSM

Сеть GSM включает три основные части:

На рис. 1.1 не показан центр обслуживания, который наблюдает за надежным функционированием и изменениями на сети. Мобильная станция (MS) и подсистема базовых станций (BSS) связываются по Um-интерфейсу, также известному как “воздушный интерфейс” или радиолиния связи. Подсистема базовых станций взаимодействует с центром коммутации мобильной связи по A интерфейсу.

Мобильная станция (MS) состоит из подвижной аппаратуры (терминал) и карты с интегральной схемой, включающей микропроцессор, которая называется модулем абонентской идентификации (SIM — Subscriber Identification Module). SIM-карта обеспечивает при перемещении пользователя доступ к оплаченным услугам независимо от используемого терминала. Вставляя SIM-карту в другой терминал GSM, пользователь может принимать вызовы, делать вызовы с этого терминала и получать другие услуги.

Подвижная аппаратура однозначно определяется с помощью международного опознавательного кода мобильного оборудования (IMEI — International Mobile Equipment Identity). SIM-карта содержит международный опознавательный код мобильного абонента (IMSI — International Mobile Subscriber Identity), используемый для идентификации абонента, секретный код для удостоверения подлинности и другую информацию. IMEI и IMSI независимы — это дает возможность обеспечить наиболее вероятное опознавание личности при передвижении абонента. SIM-карта может быть защищена против неправомочного использования паролем или личным номером.

Применяются три типа оконечного оборудования подвижной станции:

Терминальное оборудование может состоять из оборудования одного или нескольких типов, такого как телефонная трубка с номеронабирателем, аппаратура передачи данных (DTE), телекс и т. д.

Различают следующие типы терминалов: ТЕ1 (Terminal Equipment 1) — терминальное оборудование, обеспечивающее связь с ISDN; ТЕ2 (Terminal Equipment 2) — терминальное оборудование, обеспечивающее связь с любым оборудованием через протоколы МККТТ V- или Х-серий (связь с ISDN не обеспечивает). Терминал ТЕ2 может быть подключен как нагрузка к МТ1 (подвижной станции с возможностью связи с ISDN) через адаптер ТА.

Подсистема базовых станций содержит два вида оборудования: базовая приемопередающая станция (BTS — Base Transceiver Station) и контроллер базовой станции (BSC — Base Station Controller). Они взаимодействуют через стандартизированный интерфейс A_bis (см. рис. 1.1).

На базовой приемопередающей станции размещается приемопередатчик, который для одной определенной соты реализует протоколы радиолинии с передвижной станцией. В большом городе обычно размещено большое количество BTS. Поэтому основные требования к BTS — прочность, надежность, портативность и минимальная стоимость.

Контроллер базовой станции управляет радиоресурсами для одного или более BTS: выбором и установлением соединения по радиоканалу, скачком частоты и хэндовером (переключением), как это будет показано ниже. BSC подключается между базовой приемопередающей станцией (BTS) и центром коммутации мобильной связи (MSC).

Центральный компонент подсистемы сети — центр коммутации мобильной связи (MSC). Он работает как обычный узел коммутации общедоступной телефонной сети (PSTN — Public Switched Telephone Network) или цифровой сети интегрального обслуживания (ISDN — Integrated Service Digital Network). Дополнительно он обеспечивает все функциональные возможности мобильного абонента, такие как регистрация, аутентификация, обновление местоположения, передача соединения (хэндовер) и маршрутизация вызова при передвижении абонента. Эти функции обеспечиваются совместно несколькими функциональными объектами, которые вместе формируют подсистему сети. MSC обеспечивает подключение к фиксированным сетям (таким как общедоступная телефонная сеть PSTN или цифровая сеть интегрального обслуживания ISDN). Передача сигналов между функциональными объектами в подсистеме сети использует ОКС № 7 (SS7) — отдельный канал сигнализации, такой же, как применяется для обмена в ISDN и в сетях общего пользования.

Центр коммутации подвижной связи обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается в процессе работы подвижная станция. MSC аналогичен ISDN коммутационной станции и реализует интерфейс между фиксированными сетями (PSTN, PDN, ISDN и т. д.) и сетью подвижной связи. Он обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами. Кроме выполнения функций обычной ISDN коммутационной станции на MSC возлагаются функции коммутации радиоканалов. К ним относятся “эстафетная передача”, в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении подвижной станции из соты в соту, и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностях.

Каждый MSC обеспечивает обслуживание подвижных абонентов, расположенных в пределах определенной географической зоны (например, Москва и область). MSC управляет процедурами установления вызова и маршрутизации. Для телефонной сети общего пользования (PSTN) MSC обеспечивает функции сигнализации по протоколу ОКС №7, передачи вызова или поддержки других видов интерфейсов в соответствии с требованиями конкретного проекта.

MSC формирует данные, необходимые для выписки счетов за предоставленные сетью услуги связи, накапливает данные по состоявшимся разговорам и передает их в центр расчетов (биллинг-центр). MSC составляет также статистические данные, необходимые для контроля работы и оптимизации сети. Он же поддерживает процедуры безопасности, применяемые для управления доступами к радиоканалам.

MSC не только участвует в управлении вызовами, но также управляет процедурами регистрации местоположения и передачи управления, кроме передачи управления в подсистеме базовых станций (BSS). Регистрация местоположения подвижных станций необходима для обеспечения доставки вызова перемещающимся подвижным абонентам от абонентов телефонной сети общего пользования или других подвижных абонентов. Процедура передачи вызова позволяет сохранять соединения и обеспечивать ведение разговора, когда подвижная станция перемещается из одной зоны обслуживания в другую. Передача вызовов в сотах, управляемых одним контроллером базовых станций (BSC), осуществляется этим BSC. Когда передача вызовов происходит между двумя сетями, управляемыми разными BSC, то первичное управление осуществляется в MSC. В стандарте GSM также предусмотрены процедуры передачи вызова между сетями (контроллерами), относящимися к разным MSC. Центр коммутации осуществляет постоянное слежение
за подвижными станциями, используя домашний регистр местоположения (HLR) и визитный регистр местоположения (VLR).

В HLR хранится та часть информации о местоположении какой-либо подвижной станции, которая позволяет центру коммутации доставить вызов определенной мобильной станции. Практически HLR представляет собой справочную базу данных о постоянно зарегистрированных в сети абонентах. В ней содержатся опознавательные номера и адреса, а также параметры подлинности абонентов, состав услуг связи, специальная информация о маршрутизации. Ведется регистрация данных об изменении местоположения и роуминге (“блуждании”) абонента, включая данные о временном идентификационном номере подвижного абонента (TMSI — Temporary Mobile Subscriber Identity) и соответствующем визитном регистре местоположения (VLR). Регистр HLR содержит международный идентификационный номер подвижного абонента (IMSI — International Mobile Subscriber Identity), состав услуг связи, специальную информацию о маршрутизации. Он используется для опознавания подвижной станции в центре
аутентификации (AUC — Authentication Center).

Домашний регистр местоположения (HLR ) вместе с MSC обеспечивает маршрутизацию вызова и изменения местоположения (роуминг) мобильной станции и содержит всю административную информацию каждого абонента, зарегистрированного в соответствующей сети GSM, наряду с текущим местоположением мобильных станций. Местоположение мобильных станций находится обычно в форме адреса данной мобильной станции в VLR. Фактическая процедура маршрутизации будет описана позже. Логически существует только один HLR в сети GSM, хотя он может быть реализован как распределенная база данных. К данным, содержащимся в HLR, имеют дистанционный доступ все MSC и VLR сети, и, если в сети имеются несколько HLR, в базе данных содержится только одна запись об абоненте, поэтому каждый HLR представляет собой определенную часть общей базы данных сети об абонентах. Доступ к базе данных об абонентах осуществляется по номеру IMSI (IMSI — International Mobile Station Identity) или по MSISDN-номеру подвижной станции
в сети ISDN (MSISDN — Mobile Station ISDN Number). К базе данных могут получить доступ MSC или VLR, относящиеся к другим сетям, в рамках обеспечения межсетевого роуминга абонентов.

Второе основное устройство, обеспечивающее контроль над передвижением подвижной станции из зоны в зону, — визитный регистр местоположения VLR. С его помощью достигается функционирование подвижной станции за пределами зоны, контролируемой HLR. Когда в процессе перемещения подвижная станция переходит из зоны действия одного контроллера базовой станции BSC, объединяющего группу базовых станций, в зону действия другого BSC, она регистрируется новым BSC, и в VLR заносится информация о номере области связи, которая обеспечит доставку вызовов подвижной станции. Для сохранности данных, находящихся в HLR и VLR, в случае сбоев предусмотрена защита устройств памяти этих регистров.

VLR включает в себя такие же данные, как и HLR, однако эти данные содержатся в VLR только до тех пор, пока абонент находится в зоне, контролируемой VLR.

В сети подвижной связи GSM соты группируются в географические зоны (LA — Location Area), которым присваивается свой идентификационный номер (LAC — Location Area Code). Каждый VLR содержит данные об абонентах в нескольких LA. Когда подвижный абонент перемещается из одной LA в другую, данные о его местоположении автоматически обновляются в VLR. Если старая и новая LA находятся под управлением различных VLR, то данные на старом VLR стираются после их копирования в новый VLR. Текущий адрес VLR абонента, содержащийся в HLR, также обновляется.

VLR обеспечивает также присвоение номера для услуг роуминга мобильной станции (MSRN — Mobile Station Roaming Number). Когда подвижная станция принимает входящий вызов, VLR выбирает его MSRN и передает его на MSC, который осуществляет маршрутизацию этого вызова к базовым станциям, находящимся рядом с подвижным абонентом.

Во время движения подвижная станция может покинуть зону, обслуживаемую одним MSC/VLR, и переместиться в зону, которую обслуживает другой MSC/VLR. В этом случае MSC/VLR участвует в передаче управления от одного MSC/VLR к другому. Он также присваивает новый временный мобильный опознавательный код станции TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) и передает его в HLR. Новый MSC/VLR инициирует процедуру установления подлинности абонента и его оборудования. Кроме случая, когда подвижный абонент меняет зону местоположения, временный номер может периодически изменяться по решению оператора с целью защиты от злонамеренного перехвата номеров участников разговора. В этом случае процедура изменения идет также с использованием VLR, для доступа к VLR могут использоваться идентификационные номера IMSI, TMSI и MSRN.

В заключение отметим, что VLR — это локальная база данных в данной зоне, которая содержит информацию о подвижном абоненте. Применение VLR позволяет сократить число запросов HLR, и это снижает сетевой трафик и уменьшает время обслуживания.

В табл. 1.1, 1.2 и 1.3 приведены примеры состава долговременных и временных данных, хранящихся в HLR и VLR.

Для защиты и аутентификации используются два устройства: регистр идентификации оборудования (EIR — Equipment Identity Register) и центр аутентификации (AUC — Authentication Center). Регистр идентификации оборудования — база данных, которая содержит список всей допустимой к обслуживанию подвижной аппаратуры на сети, где каждая мобильная станция идентифицирована ее международным опознавательным кодом мобильного оборудования (IMEI). IMEI может быть маркирован как запрещенный к обслуживанию, если станция украдена или такого типа, который не обслуживается. Центр аутентификации — защищенная база данных, которая накапливает копии ключей засекречивания, хранящихся в SIM-карте каждого абонента, и используется для аутентификации абонента и его оборудования, а также и шифрования для передачи по радиоканалу.

Каждый подвижный абонент имеет стандартный модуль подлинности абонента (SIM), который содержит: международный идентификационный номер (IMSI), свой индивидуальный ключ аутентификации (Ki), алгоритм аутентификации (A3).

С помощью записанной в SIM информации в результате взаимного обмена данными между подвижной станцией и сетью осуществляется полный цикл аутентификации и разрешается доступ абонента к сети.

EIR — регистр идентификации оборудования, содержит централизованную базу данных для подтверждения подлинности международного идентификационного номера оборудования подвижной станции (IMEI). Эта база данных относится исключительно к оборудованию подвижной станции. Она состоит из списков номеров IMEI, организованных следующим образом.

БЕЛЫЙ СПИСОК содержит номера IMEI, о которых есть сведения, что они закреплены за санкционированными подвижными станциями. Терминалу позволяют соединиться с сетью.

ЧЕРНЫЙ СПИСОК содержит номера IMEI подвижных станций, которые украдены, имеют некорректный тип мобильной станции для сети GSM или им отказано в обслуживании по другой причине. Терминалу не позволяют соединиться с сетью.

СЕРЫЙ СПИСОК содержит номера IMEI подвижных станций, у которых существуют проблемы, выявленные по данным программного обеспечения, но не являющиеся основанием для внесения в “черный список”. Терминал находится под наблюдением сети ввиду возможных проблем.

К базе данных EIR получают дистанционный доступ MSC данной сети, а также MSC других подвижных сетей.

Как и в случае с HLR, сеть может иметь более одного EIR, при этом каждый EIR управляет определенной группой оборудования, имеющей свой идентификационный номер IМЕI. В состав MSC входит транслятор, который при получении номера IМЕI выбирает адрес EIR — он содержит данные о части оборудования, имеющей этот номер.

ОМС (Operations and Maintenance Center) — центр эксплуатации и технического обслуживания, является центральным элементом сети GSM, который обеспечивает контроль и управление другими компонентами сети, а также контроль качества ее работы. ОМС соединяется с другими компонентами сети GSM по каналам пакетной передачи протокола Х.25. Он обеспечивает функции обработки аварийных сигналов, предназначенных для оповещения обслуживающего персонала, и регистрирует сведения об аварийных ситуациях в других компонентах сети. В зависимости от характера неисправности ОМС позволяет обеспечить ее устранение автоматически или при активном вмешательстве персонала. Центр может провести проверку состояния оборудования сети и прохождения вызова подвижной станции. ОМС позволяет производить управление нагрузкой в сети.
Функция эффективного управления включает сбор статистических данных о нагрузке от компонентов сети GSM, запись их в дисковые файлы и вывод на дисплей для визуального анализа. ОМС обеспечивает управление изменениями программного обеспечения и базами данных о конфигурации элементов сети. Загрузка программного обеспечения в память может производиться из ОМС в другие элементы сети или из них в ОМС.

NMC (Network Management Center) — центр управления сетью, дает возможность рационального иерархического управления сетью GSM. Он обеспечивает эксплуатацию и техническое обслуживание на уровне всей сети, поддерживаемой центрами ОМС, которые отвечают за управление региональными сетями. NMC отвечает за управление трафиком во всей сети и обеспечивает диспетчерское управление сетью при сложных аварийных ситуациях, как, например, выход из строя или перегрузка узлов. Кроме того, он контролирует состояние устройств автоматического управления, задействованных в оборудовании сети, и отражает на дисплее состояние сети для операторов NMC. Это позволяет операторам контролировать региональные проблемы и при необходимости оказывать помощь ОМС, обслуживающему конкретный регион. Таким образом, персонал NMC знает состояние всей сети и может дать указание персоналу ОМС изменить стратегию решения региональной проблемы.

NMC следит за состоянием маршрутов сигнализации и соединений между узлами, чтобы не допускать условий для возникновения перегрузки в сети. Контролируются также маршруты соединений между сетью GSM и PSTN во избежание распространения условий перегрузки между сетями. При этом персонал NMC координирует вопросы управления сетью с персоналом других NMC. NMC обеспечивает также возможность управления трафиком для сетевого оборудования подсистемы базовых станций (BSS). Операторы NMC в экстремальных ситуациях могут задействовать такие процедуры управления, как “приоритетный доступ”, когда только абоненты с высоким приоритетом (экстренные службы) могут получить доступ к системе.

NMC может брать на себя ответственность в каком-либо регионе, когда местный ОМС не способен обслуживать нагрузку, при этом ОМС действует в качестве транзитного пункта между NMC и оборудованием сети. NMC обеспечивает операторов функциями, аналогичными функциям ОМС.

NMC является также важным инструментом планирования сети, так как контролирует сеть и ее работу на сетевом уровне, а следовательно, снабжает планировщиков сети данными, определяющими нагрузочные параметры сети.

ADC (Administration Center) — административный центр — сетевая служба, ответственная за организацию связи, административное управление сетью и соблюдение установленных правил доступа.

ТСЕ (Transcoder Equipment) — транскодер, обеспечивает преобразование выходных сигналов передачи речи и данных MSC (64 Кбит/с ИКМ) к виду, соответствующему рекомендациям GSM по радиоинтерфейсу. В соответствии с этими требованиями скорость передачи речи, представленной в цифровой форме, составляет 13 Кбит/с. Этот канал передачи цифровых речевых сигналов называется “полноскоростным”. Стандартом предусматривается в перспективе использование полускоростного речевого канала (скорость передачи 6,5 Кбит/с).

Снижение скорости передачи обеспечивается применением специального речепреобразующего устройства, использующего кодирование с линейным предсказанием (LPC — Linear Predictive Coding), долговременное предсказание (LTP — Long Term Predicting), возбуждение регулярной импульсной последовательностью (RPE — иногда называется RELP).

Транскодер обычно располагается вместе с MSC. Передача цифровых сообщений по направлению к контроллеру базовых станций (BSC) ведется с добавлением к потоку со скоростью передачи 13 Кбит/с дополнительных битов (stuffing). Таким образом, скорость передачи данных становится 16 Кбит/с. Затем осуществляется уплотнение с кратностью 4 в стандартный канал 64 Кбит/с. Так формируется определенная рекомендациями GSM

З0-канальная ИКМ линия, обеспечивающая передачу 120 речевых каналов. Шестнадцатый канал (64 Кбит/с) (slot) выделяется отдельно для передачи информации сигнализации и часто содержит сигналы ОКС № 7 или процедуры доступа к звену передачи данных для канала “D” — LAPD (Link Access Procedure for the D – channel).

В других каналах (64 Кбит/с) могут передаваться также пакеты данных, согласующиеся с протоколом X.25 МККТТ.

Внутренние интерфейсы [22, 27, 32, 49] показаны на рис. 1.1 и перечислены в табл. 1.4.

Примечание: X-интерфейс предназначен для связи OMC различных GSM

А-интерфейс. Интерфейс между MSC и BSS (подсистема базовых станций –BSC– BTS) обеспечивает передачу сообщений для управления BSS, передачи вызова (хэндовер), управления при изменении местоположения. А-интерфейс объединяет каналы связи и линии сигнализации. Последние используют протокол ОКС № 7 МККТТ. Полная спецификация A-интерфейса соответствует требованиям серии 08 Рекомендации ETSI/GSM.

Abis-интерфейс. Интерфейс служит для связи между BSC с BTS и определен Рекомендациями ETSI/GSM для процессов установления соединений и управления оборудованием, передача осуществляется цифровыми потоками со скоростью 2,048 Мбит/с. Возможно использование физического интерфейса 64 Кбит/с.

В-интерфейс. Интерфейс между MSC и VLR. Когда MSC необходимо определить местоположение подвижной станции, он обращается к VLR. Если подвижная станция инициирует процедуру изменения местоположения, то MSC информирует свой VLR, который заносит всю изменяющуюся информацию в свои регистры. Эта процедура происходит всегда, когда MS переходит из одной области в другую. В случае если абонент запрашивает специальные дополнительные услуги или изменяет некоторые свои данные, MSC также информирует VLR, который регистрирует изменения и при необходимости сообщает о них HLR.

С-интерфейс. Интерфейс используется для обеспечения взаимодействия между MSC и HLR. MSC может послать сообщение HLR в конце сеанса связи для того, чтобы абонент мог оплатить разговор. Когда сеть фиксированной телефонной связи не способна выполнить процедуру установления соединения подвижного абонента, MSC может запросить HLR с целью определения местоположения абонента, чтобы послать вызов MS.

D-интерфейс. Интерфейс между HLR и VLR используется для расширения обмена данными о положении подвижной станции и управления процессом связи. Основные услуги, предоставляемые подвижному абоненту, заключаются в возможности передавать или принимать сообщения независимо от местоположения. Для этого HLR должен пополнять свои данные. VLR сообщает HLR о положении MS, управляя ею и изменяя информацию в процессе обновления местоположения, а также посылает все необходимые данные для обеспечения обслуживания подвижной станции.

Е-интерфейс. Интерфейс обеспечивает взаимодействие между разными MSC при осуществлении процедуры handover — “передачи” абонента из зоны в зону при его движении в процессе сеанса связи без ее перерыва.

О-интерфейс. Интерфейс между BSC и ОМС предназначен для связи BSC с ОМС, используется в сетях с пакетной коммутацией МККТТ Х.25.

M-интерфейс. Внутренний BSC-интерфейс контроллера базовой станции обеспечивает связь между различным оборудованием BSC и оборудованием транскодирования (ТСЕ); использует стандарт ИКМ-передачи 2,048 Мбит/с и позволяет организовать из четырех каналов со скоростью 16 Кбит/с один канал на скорости 64 Кбит/с.

Um-радиоинтерфейс. Интерфейс между MS и BTS определен в сериях 04 и 08 Рекомендаций ETSI/GSM [76–79].

X-интерфейс. Сетевой интерфейс между ОМС разных сетей и так называемый управляющий интерфейс между ОМС и элементами сети, определен ETSI/GSM Рекомендациями 12.01 и является аналогом интерфейса Q.3, который определен в многоуровневой модели открытых сетей ISO OSI.

Соединение сети с ОМС могут обеспечиваться системой сигнализации МККТТ ОКС №7 или сетевым протоколом Х.25. Сеть Х.25 может соединяться с объединенными сетями или с PSDN в открытом или замкнутом режимах.

GSM-протокол управления сетью и обслуживанием также должен удовлетворять требованиям Q.3 интерфейса, который определен в ETSI/GSM Рекомендациях 12.01.

Соединение с PSTN

Соединение с телефонной сетью общего пользования осуществляется MSC по линии связи 2 Мбит/с в соответствии с системой сигнализации ОКС № 7. Электрические характеристики 2 Мбит/с интерфейса соответствуют Рекомендациям МККТТ G.732.

Соединение с ISDN

Для соединения с создаваемыми сетями ISDN предусматриваются четыре линии связи 2 Мбит/с, поддерживаемые системой сигнализации ОКС №7. Система сигнализации ОКС № 7 будет рассмотрена в дальнейшем.

Соединения с международными сетями GSM

В настоящее время обеспечивается подключение сети российской сети GSM к общеевропейским сетям GSM. Эти соединения осуществляются на основе протоколов систем сигнализации ОКС№7 четвертого уровня (SCCP — Signaling Connection Control Part) и межсетевого коммутационного центра мобильной связи (GMSC — Gateway MSC). Центр представляет узловую станцию, осуществляющую объединение сети GSM с одной или более наземными сетями. В ее функции входит преобразование форматов сигналов, конвертирование сетевых протоколов, а также взаимодействие с ТфОП.

Сеть GSM составлена из географических областей [81]. Как показано на рис. 1.2, эти области включают ячейки, зоны местоположения (LA’s — Location Areas), зоны обслуживания MSC/VLR и мобильную наземную сеть общего пользования (PLMN — Public Land Mobile Network).

Сота — область радиоохвата одного приемопередатчика одной BTS. Сеть GSM определяет каждую соту с помощью опознавательного кода глобального идентификатора соты (CGI — Cell Global Identity), номера, который назначается каждой соте.

Зона местоположения (LA — Location Area) — группа сот. Это область, в которой вероятнее всего может в данный момент перемещаться абонент.

Рис. 1.2.

 
Географические зоны системы GSM

Каждая зона местоположения обслуживается одним или более контроллерами базовых станций и только единственным центром коммутации мобильной связи — MSC (см. рис. 1.2). Каждой зоне местоположения (LA) назначен идентификатор зоны нахождения абонента (LAI — Location Area Identification).

Зона обслуживания MSC/VLR представляет собой часть сети GSM, которая обслуживается одним MSC и зарегистрирована в VLR данного MSC (рис. 1.3).

Мобильная наземная сеть общего пользования (PLMN — Public Land Mobile Network) — это совокупность зон обслуживания, принадлежащих одному сетевому оператору.

Рис. 1.3.

 
Зона местоположения (LA)

Рис. 1.4.

 
Мобильная наземная сеть (PLMN)

Повторное использование частот — способ организации связи, при котором одни и те же частоты многократно используются в разных зонах обслуживания [27, 32, 49, 101]. Применение частотно-территориального планирования с повторным использованием частот позволяет увеличить пропускную способность при ограниченном количестве частотных каналов.

Расстояние повторного использования частот (Frequency reuses distance) — расстояние между центрами двух удаленных сот, начиная с которого допускается повторное использование. В общем случае оно определяется по формуле , где — число ячеек в кластере, — радиус ячейки (радиус окружности, описанной вокруг гексагональной ячейки).

Кластер (cluster). Кластер — это группа из близко расположенных сот, в пределах которых недопустимо повторное использование из-за опасности превышения уровня взаимных помех. Размер кластера определяется по формуле:

Из этой формулы видно, что кластер может содержать только определенное число сот.

При:

Приведенное соотношение для показывает, что чем меньше радиус ячейки , тем выше коэффициент повторяемости частот ( ), а следовательно, и эффективность использования выделенного диапазона частот. Отношение называется коэффициентом снижения внутриканальных помех и характеризует степень взаимного влияния удаленных сот, в которых используются одни и те же частотные каналы. Для приведенных выше значений значение равно: .

Пример распределений частот при повторном использовании показан на рис. 1.5 (4-элементный кластер) и рис. 1.6 (7-элементный кластер).

Рис. 1.5.

 
Повторное использование частот при 4-элементном кластере

Рис. 1.6.

 
Повторное использование частот при 7-элементном кластере

Сота, в которой обслуживание абонентов осуществляется базовой станцией с секторной антенной, называется секторизованной сотой. При этом зона покрытия антенны разделяется на секторы. Секторизация позволяет повысить пропускную способность системы сотовой связи без уменьшения размеров зоны покрытия или снижения мощности, излучаемой базовой станцией. Ширина направленности секторной антенны соответствует угловому размеру сектора. В системах сотовой связи обычно используют антенны с шириной диаграммы направленности 120° (трехсекторная антенна). Обычно применяются кластеры размерностью 3/9, 4/12, 7/21, где первая цифра обозначает число сот в кластере, а вторая — число секторов. На рис. 1.7-а показан пример применения 3-секторной антенны для кластера 3/9. В этом примере распределяются 9 групп частот и применяются шестисекторные антенны — с шириной диаграммы направленности 60°. На рис. 1.7-б показана
разработанная корпорацией Motorola сотовая сеть с шириной одного из вариантов диаграммы направленности 60° и 12 группами несущих частот [22]. Этот кластер содержит 4 элемента и 6-секторную антенну (размер кластера 4/24).

Рис. 1.7.

 
Повторное использование частот в: а) 3-секторной соте; б) 6-секторной соте

Очевидно, что использование радиоканалов в мобильной сети GSM отличается от их применения в стационарной сети. Принцип использования каналов в системе GSM показан на рис. 1.8.

В стационарной сети абонентские линии (абонентские каналы трафика) закреплены за телефонным аппаратом. Когда известен номер абонента, то при исходящей или входящей связи не требуется выбор абонентской линии.

В сети GSM определены два типа каналов трафика: полноскоростные речевые каналы, работающие на полной скорости (TCH/F — Traffic Channel/Full) — 22,8 Кбит/с, и полускоростные речевые каналы, работающие на половинной скорости (TCH/H — Traffic Channel/Half) — 11,4 Кбит/с. Половинная скорость позволяет вдвое увеличить число каналов в одном и том же частотном диапазоне.

В мобильной связи каналы трафика доступны любому абоненту. Поэтому в процессе установления соединения может быть выбран любой канал, к которому может быть подключена станция. Поскольку в свободном состоянии абонентская линия не имеет связи с каналами трафика, она нуждается в канале управления, например, для передачи сигнала “вызов”, “setup”, номера вызывающего абонента и т. п.

Поэтому для передачи запроса сети на установление соединения применяется канал, направленный от сети к MS. Это канал случайного доступа (RACH — Random Access Control Channel).

Поскольку запрос на установление соединения передается только в начале соединения и в дальнейшем выделяется канал для обмена управляющей информацией, этот канал является общим для всех станций зоны местонахождения.

Общему каналу всегда требуется процедура доступа для избежания и разрешения конфликтов. В данном случае чаще всего применяется процедура случайного многостанционного доступа с временным разделением типа ALOHA (TDMA — Time DivisionMultiple AccessALOHA). Принцип такого доступа основан на том, что все станции используют один канал связи, контролируя его работу, а передача осуществляется в случайные моменты времени, что уменьшает вероятность конфликтов. Такой доступ подробно описан в курсе лекций “Абонентские оконечные устройства и сети доступа“.

Рис. 1.8.

 
Принцип использования каналов трафика и сигнальных каналов в системе GSM

В ответ на сигнал вызова выбирается автономный специализированный канал управления (SDCCH — Stand-alone dedicated Control Channel), по которому в дальнейшем передается служебная информация от MS в течение установления вызова прежде, чем будет найден канал трафика (TCH).

Для входящей связи передача сигнала “занятие” к MS реализуется по широковещательному каналу коротких сообщений (канал вызова) (PCH — Paging Channel), общему для всей соты. Это широковещательный канал коротких сообщений, который передает сигнал “вызов” всем станциям зоны местоположения (LA). Получив такой сигнал, станция MS определяет свой номер и отвечает на широковещательный сигнал так же, как при исходящем вызове, — сигналом запроса по каналу случайного доступа (RACH — Random Control Channel).

Далее сигналы установления соединения проходят как и при исходящей связи.

Порядок обмена сигналами для входящего и исходящего соединения приведен на рис. 1.9 [14].

увеличить изображение
Рис. 1.9.

 
Порядок обмена сигналами для входящего и исходящего соединения

На рисунке показаны некоторые особенности передачи сигналов. Ниже даны некоторые пояснения. Нарисованные слева коды сигналов будут рассмотрены далее.

При входящей связи BTS и MS пункта назначения (работа других элементов сети на данном рисунке не изображается):

1. передает широковещательный сигнал всем станциям в зоне обслуживания данного MSC. Сигнал передается по отдельному каналу управления – широковещательному каналу коротких сообщений — РСН (Paging Channel);
2. после чего MS по каналу управления (канал со случайным доступом — RACH, Random Access Channel) посылает запрос на срочное назначение индивидуального канала управления на время обмена сигналами. Слова “произвольный доступ” означают применение методов случайного доступа, наиболее распространенным из которых является ALOHA (см. курс лекций “Абонентские оконечные устройства и сети доступа“). Принцип работы при таком методе заключается в том, что все станции работают по одному каналу связи, контролируя его работу, передача осуществляется в случайный момент времени. BTS выбирает канал для обмена управляющими сигналами (SDCCH — Stand-alone dedicated Control Channel);
3. BTS запрашивает данные аутентификации. Проводится аутентификация с помощью данных, полученных ранее при реализации процедуры аутентификации и защиты пользователя. В ответ на запрос MS передает накопленный в SIM-карте зашифрованный отклик (SRES — Signed Response), что позволяет BTS установить подлинность MS;
4. после чего BTS передает запрос ключа шифрования;
5. и получает ответный ключ шифрования. Если ключ правильный, то далее проводится процедура установления соединения, которая совпадает с процедурой исходящего соединения.

Теперь можно рассмотреть подробнее весь состав сигнальных каналов.

Сигнальные каналы радиоинтерфейса [32, 33] используются для установления вызова, широковещательной рассылки коротких сообщений (paging), технического обслуживания вызова, синхронизации и т. д. (рис. 1.10).

увеличить изображение
Рис. 1.10.

 
Состав каналов радио интерфейса системы GSM

Имеется 3 группы сигнальных каналов [29, 32, 33, 110].

Широковещательные каналы (BCH — Broadcast Channel). Доставляют информацию от станции к абоненту (downstream) и предназначены главным образом для коррекции частоты и синхронизации. Это единственный тип канала, допускающий связь “от точки — ко многим точкам”, при которой короткие сообщения могут быть переданы одновременно нескольким мобильным телефонам.

BCH включают следующие каналы:

• широковещательный канал управления (BCCH — Broadcast Control Channel). Общая информация, касающаяся сот; например, код зоны местоположения (LAC — Location Area Code), сетевой оператор, доступ, параметры, список соседних ячеек и т. д. MS получают сигналы через BCCH от многих BTS в пределах той же самой сети или различных сетей;
• канал подстройки частоты (FCCH — Frequency Correction Channel). Канал связи от сети к MS, предназначенный только для коррекции частот MS и передачи частоты к MS. Он также используется для вхождения в синхронизм, обеспечивая соблюдение заданной дистанции между временными интервалами и позицией первого временного интервала кадра TDMA (множественного доступа с временным уплотнением);
• канал синхронизации (SCH — Synchronizing Channel). Исходящий канал от MS к сети; отвечает за синхронизацию кадра TDMA и идентификацию базовой станции. SCH обеспечивает MS всей информацией, необходимой для синхронизации с BTS.

Общие каналы управления (CCCH — Common Control Channels): группа канала связи от абонента к станции и каналы связи от сети к MS. Эти каналы используются, чтобы передать информацию между сетью и MS. Общие каналы управления CCCH включают следующие каналы:

PCH и AGCH передают информацию в одном канале, называемую широковещательным сообщением, и каналом предоставления доступа, как это будет показано далее.

Специализированные каналы управления (DCCH — Dedicated Control Channel). Предназначены, например, для обслуживания: роуминга, изменения местоположения, передачи соединения (хэндовер), шифрования и т. д.

DCCH включают следующие каналы:

• автономный выделенный канал управления (SDCCH — Stand-Alone Dedicated Control Channel): канал, соединяющий MS и BTS, для передачи сигналов в течение установления вызова прежде, чем будет найден канал трафика (TCH);
• низкоскоростной совмещенный канал управления (SACCH — Slow Associated Control Channel): передает непрерывные сообщения об измерениях (например, напряженность поля). Параллельно с ним могут работать TCH или SDCCH необходим, например, для решений хэндовера; применяется подобно TCH или SDCCH для несрочных процедур, например, для измерения радиосигналов, управления мощностью (только исходящий канал от сети к MS);
• быстродействующий объединенный канал управления (FACCH — fast associated control channel): его функции сродни SDCCH, но он может использоваться временно для работы как TCH в режиме перераспределения каналов (borrowing mode) совместно с SDCCH, если скорость данных SACCH (низкоскоростного выделенного канала управления) недостаточна.

Дополнительная пропускная способность применяется, например, для процедур, связанных с установлением подлинности (аутентификацией), установлением соединения, хэндовером и т. д.

Почти все сигнальные каналы используют формат нормального пакета, кроме RACH (пакет произвольного доступа), FCCH (пакет коррекции частоты) и SCH (пакет синхронизации).

Cледующий пример [33, 36, 40, 81, 84, 86, 98, 107] описывает обслуживание вызова от абонента стационарной сети к абоненту мобильной сети GSM (рис. 1.11):

Рис. 1.11.

 
Обслуживание вызова от абонента стационарной сети к абоненту мобильной сети GSM

В рассматриваемом примере порядок действий следующий:

1. Входящий вызов поступает от стационарной сети ТфОП на вход шлюза MSC (GMSC — Gateway MSC).
2. На основе международного мобильного идентификационного номера станции (IMSI — International Mobile Station Identity) вызываемого абонента определяется домашний регистр местоположения (HLR).
3. Затем запрашивают соответствующий визитный регистр местоположения (VLR) для того, чтобы определить для мобильной станции номер для услуг роуминга (рис. 1.12) — MSRN (Mobile Station Roaming Number).
4. Он передается назад в HLR GMSC.
5. Затем соединение переключается к соответствующему MSC.
6. MSC вырабатывает запрос VLR.
7. Теперь визитный регистр местоположения (VLR) делает запрос зоны местоположения (LA — Location Area) и о состоянии (доступности) мобильного абонента. Если MS отмечена как доступная, то выполняется п. 8.
8. Передается широковещательный вызов по всей зоне нахождения, записанной в визитном регистре местоположения (VLR).
9. Мобильный абонентский телефон отвечает на широковещательный запрос из текущей радиосоты.
10. После этого выполняются все необходимые процедуры безопасности (аутентификация и обмен шифровальными ключами). Если они выполнены успешно, то выполняется п. 11.
11. Визитный регистр местоположения (VLR) указывает для MSC, что вызов закончен, и передает MSC временный мобильный опознавательный код станции (TMSI — Temporary Mobile Station Identity).
12. MSC передает MS TMSI и информирует его о начале работы.

На рис. 1.12 отдельно отображен процесс изменения номеров в процессе установления входящего вызова.

Рис. 1.12.

 
Принцип изменения номера

При каждом включении телефона после выбора сети начинается процедура регистрации (рис. 1.13). Рассмотрим наиболее общий случай — регистрацию не в домашней, а в чужой, так называемой гостевой, сети (будем предполагать, что услуга роуминга абоненту разрешена).

Рис. 1.13.

 
Процесс регистрации

1. MS по широковещательному каналу управления (BCCH) проводит сканирование свыше 16 соседних сот, и формируется список шести лучших кандидатов на возможную передачу соединения, основанную на полученной напряженности поля сигналов.
2. MS находит канал BCCH с наиболее высоким уровнем сигнала, проводит синхронизацию, расшифровывает идентификатор BTS и передает эту информацию к BSC и MSC.
3. По запросу MSC производит запрос MS с номером IMSI.
4. MS передает IMSI абонента. IMSI начинается с кода страны “приписки” его владельца, далее следуют цифры, определяющие домашнюю сеть, а уже потом — уникальный номер конкретного подписчика. Начало IMSI соответствует коду страны и оператору (например, 250 — Россия, 99 — Билайн).
5. По номеру IMSI VLR гостевой сети определяет домашнюю сеть и запрашивает ее HLR.
6. Домашний регистр мобильного центра коммутации (MSC/HLR) передает всю необходимую информацию об абоненте в VLR, который сделал запрос, а у себя размещает ссылку на этот VLR, чтобы в случае необходимости знать, где “искать” абонента.
7. MSC совместно с VLR проводит проверку полномочий.
8. В положительном случае MSC включает MS в обслуживание.

После процедуры идентификации и взаимодействия гостевого VLR с домашним HLR запускается счетчик времени, задающий момент перерегистрации в случае отсутствия каких-либо сеансов связи. Обычно период обязательной регистрации составляет несколько часов. Перерегистрация необходима для того, чтобы сеть получила подтверждение, что телефон по-прежнему находится в зоне ее действия. Дело в том, что в режиме ожидания “трубка” только отслеживает сигналы, передаваемые сетью, но сама ничего не излучает. Процесс передачи начинается только в случае установления соединения, а также при значительных перемещениях относительно сети (ниже это будет рассмотрено подробно), — в таких случаях таймер, отсчитывающий время до следующей перерегистрации, запускается заново. Поэтому при “выпадении” телефона из сети (например, был отсоединен аккумулятор, или владелец аппарата зашел в метро, не выключив телефон) система об этом не узнает.

При первой установке абонента в сети выполняется операция закрепления международного идентификационного номера мобильной станции (IMSI — International Mobile Station Identity). Обратная закреплению процедура — открепление — позволяет сети знать, что передвижная станция недостижима, и устраняет необходимость напрасно распределять каналы и передавать широковещательные сообщения. Процедура закрепления похожа на обновление местоположения и сообщает, что мобильная станция доступна снова.

Все пользователи случайным образом разбиваются на 10 равноправных классов доступа (с номерами от 0 до 9). Абоненту присваивается класс доступа. Существует несколько специальных классов с номерами с 11 по 15 (разного рода аварийные и экстренные службы, служебный персонал сети). Информация о классе доступа хранится в SIM-карте. Особый, 10-й класс доступа позволяет совершать экстренные звонки (по номеру 112), если пользователь не принадлежит к какому-либо разрешенному классу или вообще не имеет IMSI (SIM). В случае чрезвычайных ситуаций или перегрузки сети некоторым классам может быть на время закрыт доступ в сеть.

Активация IMSI и закрепление/открепление осуществляется оператором на базе определенной соты.

При подвижной связи в случае включенной мобильной станции осуществляется постоянное слежение за местоположением даже в случае отсутствия соединения. В частности, это необходимо для установления входящей связи. Включенная мобильная станция информируется о входящем вызове широковещательным сообщением, передаваемым по широковещательному каналу коротких сообщений (PCH — Paging Channel).

Один из вариантов определения местоположения — периодически сообщать о расположении объектов в каждой соте. При этом, если объект редко меняет свое местоположение (соту), такая процедура лишь понапрасну расходовала бы пропускную способность радиосети. Другой крайний случай — уведомлять систему при изменении местоположения мобильной станции широковещательным сообщением. но и это очень расточительно из-за большого количества мобильных станций, обновляющих свое местоположение. Компромиссное решение, используемое в GSM, — оповещение о местоположении при смене группы сот в зоне местоположения, приводящей к ухудшению связи. Обновляющие сообщения требуются при перемещении между областями местоположения, и передвижные станции просматриваются в сотах их текущей области.

Процедуры обновления местоположения и соответствующая последующая маршрутизация используют центр коммутации мобильной связи (MSC) и два регистра местоположения: домашний регистр местоположения (HLR) и визитный регистр местоположения (VLR). Когда передвижная станция:

Тогда это перемещение должно регистрироваться сетью, чтобы отметить текущее местоположение. В нормальном случае сообщение обновления местоположения передают новому центру коммутации мобильной связи — MSC (визитному регистру местоположения VLR), который записывает информацию в области памяти местоположения и затем передает ее домашнему регистру местоположения — HLR абонента. Информация, передаваемая HLR, — обычно через ОКС № 7, — это адрес нового VLR, хотя это может быть номер направления. Если абонент имеет право на обслуживание в новой области местоположения, HLR передает набор абонентской информации, необходимой для управления вызовом, новому центру коммутации мобильной связи (MSC/VLR) и посылает сообщение старому MSC/VLR об отмене старой регистрации.

Так как к радиосреде имеют доступ много устройств и абонентов, требуется аутентифицировать пользователей [56, 107]. Эта процедура (рис. 1.14) устанавливает подлинность и принадлежность к сети абонента и оборудования, определяет права и полномочия абонента и право доступа к сетевым ресурсам. Аутентификация проводится с помощью двух функциональных объектов: SIM-карты в мобильной станции и центра аутентификации (AuC — Authentication Center).

Рис. 1.14.

 
Обеспечение аутентификации абонента и защиты информации

При регистрации AuC в домашней сети генерирует 128-битовое случайное число — RAND, пересылаемое телефону. Внутри SIM с помощью ключа Ki (ключ идентификации — так же, как и IMSI, он содержится в SIM) и алгоритма идентификации А3 вычисляется 32-битовый ответ — SRES (Signed respons) по формуле . Точно такие же вычисления проделываются одновременно и в AUC (по выбранному из HLR Ki пользователя). Если SRES, вычисленный в телефоне, совпадет со SRES, рассчитанным AuC, то процесс авторизации считается успешным и абоненту присваивается TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity — временный номер мобильного абонента). TMSI служит исключительно для повышения безопасности взаимодействия подписчика с сетью и может периодически меняться (в том числе при смене VLR).

То же самое случайное начальное число и абонентский ключ засекречивания также используются, чтобы вычислить ключ шифрования, который применяет алгоритм шифрования речи. Этот ключ шифрования, вместе с номером кадра TDMA, алгоритму нужен, чтобы создать последовательность на 114 битов, применяя операцию “исключающее ИЛИ” (XOR) с 114 битами пакета (два блока на 57 битов).

Другой уровень защиты выполняется в MS непосредственно для защиты оборудования от несанкционированного использования. Как упомянуто ранее, каждый терминал GSM идентифицирован уникальным международным опознавательным кодом мобильного оборудования (IMEI — Mobile Equipment Identity). Список IMEI в сети сохраняется в регистре идентификации оборудования (EIR — Equipment Identity Register), и в ответ на запрос IMEI к EIR ему возвращается одно из следующих состояний, в соответствии с тем, в каком списке находится номер абонента:

Более детально вопросы безопасности сетей связи рассмотрены в курсе лекций “Криптография и безопасность сетей”

В сотовой сети радиоресурсы и фиксированные линии связи в течение вызова не остаются занятыми постоянно. Хэндовер (передача соединения), или хэндофф (handoff), как его называют в Северной Америке, — это переключение каналов и линий по мере перемещения подвижного объекта по различным каналам или ячейкам сотовой сети. Обнаружение и измерение уровня радиосигналов для хэндовера составляют одну из основных функций уровня RRM (Radio Resources Management).

Хэндоверы принято разделять на четыре типа, указанных цифрами на рис. 1.15:

1. Смена каналов в пределах одной базовой станции.
2. Смена канала одной базовой станции на канал другой станции, но находящейся под управлением того же BSC.
3. Переключение каналов между базовыми станциями, контролируемыми разными BSC, но одним MSC.
4. Переключение каналов между базовыми станциями, за которые отвечают не только разные BSC, но и разные MSC.

Рис. 1.15.

 
Варианты хэндовера

В общем случае проведение хэндовера — задача MSC. Но в двух первых случаях, называемых внутренними хэндоверами, чтобы снизить нагрузку на коммутатор и служебные линии связи, процесс смены каналов управляется BSC, а MSC лишь информируется о происшедшем.

Первые два типа передачи соединения называются внутренними передачами соединения и включают только один контроллер базовой станции (BSC). Чтобы сохранять способность обмена сигналами, достаточно взаимодействия базовых станций (BSC), без использования управления центра коммутации мобильной связи (MSC). После окончания передачи соединения (хэндовера) необходимо уведомить об этом событии коммутации мобильной связи (MSC).

Последние два типа передачи соединения называются внешними передачами соединения и обрабатываются центрами коммутации мобильной связи (MSC), участвующими в соединении. Важный аспект — то, что первоначальный MSC (anchor MSC — анкерный центр ), который обеспечивает доступ к сети, остается ответственным за большинство переключений.

Передачи соединения (хэндовер) могут быть инициализированы или мобильной станцией, или центром коммутации мобильной связи (MSC). MS по широковещательному каналу управления (BCCH) проводит сканирование не менее 16 соседних сот, и формируется список шести лучших кандидатов на возможную передачу соединения, основанную на полученной напряженности поля сигналов. Эта информация передается к BSC и MSC не менее одного раза в секунду для использования алгоритмом передачи соединения (хэндовера).

Алгоритм момента времени, когда должно быть принято решение передачи соединения (хэндовер), не определен в рекомендациях GSM. Есть два основных используемых алгоритма, оба тесно связаны с управлением мощностью. Это объясняется тем, что базовая станция (BSC) обычно не знает, является ли плохое качество сигнала следствием замирания из-за многолучевости или следствием перемещения мобильной станции к другой ячейке. Особенно часто это происходит при маленьких городских ячейках.

Алгоритм “минимально допустимая характеристика” [49] дает приоритет управлению мощностью, а не передаче соединения (хэндоверу). Когда сигнал ухудшился до некоторой заданной точки, уровень мощности мобильной станции увеличивается с помощью управления. Если дальнейшее увеличение мощности не улучшает сигнал, то начинают передачу соединения (хэндовер). Это наиболее простой и наиболее общий метод, но он создает эффект “расплывчатой границы” соты, когда мобильная станция передает сигналы, используя пиковую мощность, проходя некоторое расстояние вне границы ячейки исходной соты в другую соту.

“Метод бюджета мощности” [49] предоставляет приоритет передаче соединения (хэндоверу). Целью является поддержание или улучшение качества сигнала при том же самом или более низком уровне мощности. В этом случае отсутствует проблема “расплывчатой границы” соты и уменьшаются межканальные помехи, но весьма усложняется алгоритм.

Рассмотрим процесс обмена сигналами, показанный на рис. 1.16, как хэндовер 4-го типа (см.рис. 1.15 [33]). Ниже приводится его описание.

1. Когда MS включена, она периодически извещает о качестве сигналов BTS1 с помощью сообщения об измерении. Эти сообщения передаются в каждом SACHH (низкоскоростной выделенный канал управления) с периодичностью 480 мсек. Сообщение об измерении содержит измерения качества сигналов соседних ячеек.
2. Если качество сигнала хорошее, то MS не предпринимает никаких действий. Когда MS достигает границы между зонами обслуживания MSC2 и MSC1, она извещает BTS1, что получает слабый сигнал.
3. BTS1 принимает решение об инициализации процесса хэндовер для того, чтобы улучшить качество обслуживания MS, и передает результаты измерений BSC1, включая измерения качества сигналов соседних ячеек BSC1.
4. BSC1 проводит анализ результатов измерения, чтобы определить зону обслуживания с лучшим качеством.
5. Если BSC1 решает запросить хэндовер, то он передает MSC1 номер используемой соты и список целевых сот с лучшими показателями, чем у используемой соты. При этом станция BTS2 включена в список целевых сот. На BSC1 включается таймер, чтобы ограничить время ожидания начала хэндовера (поступления сигнала от MSC1 о начале процесса хэндовера).
6. MSC1 передает запрос на хэндовер к MSC2. При этом из регистра MSC1 (это может быть VLR или HLR) передаются данные для маршрутизации и аутентификации. На MSC1 включается таймер, чтобы ограничить время ожидания начала хэндовера в зоне обслуживания MSC2 (время ответа от BSC2).
7. На MSC2 запрос на передачу соединения обрабатывается как новый исходящий вызов и выбирается канал для нового вызова. Новые данные записываются в VLR MSC2. VLR MSC2 обеспечивает присвоение номера “блуждающей” подвижной станции (MSRN — Mobile Station Roaming Number). Процедурами установления подлинности во время обработки вызова управляет VLR MSC2.
8. Передача подтверждения запроса хэндовера от MSC2 (начало хэндовера) к MSC1. На MSC1 отключается таймер, ограничивающий время ожидания начала хэндовера (см. п. 7), так как получена команда о начале хэндовера. Если MSC1 был центром визита, то данные на VLR MSC1 стираются. Если он был домашним центром, то текущий адрес VLR абонента, содержащийся в HLR, также обновляется.
9. MSC1 передает сообщение BSC1, что соединение закончено.
10. BSС1 освобождает канал и информирует MSC1, что разъединение закончено.
11. MSC1 освобождает оборудование и передает MSC2 сигнал окончания процедуры.

Рис. 1.16.

 
Обмен сигналами при хэндовере

Роуминг — одна из самых важных функций сотовой связи. Необходимость в роуминге возникает каждый раз, когда абонент изменяет свое местоположение и перемещается в сеть, принадлежащую другому оператору. Роуминг бывает локальный (переезд внутри города или в пригород), национальный (в другой город или область) и международный (переезд в другую страну).

При перемещении абонента в другую сеть ее центр коммутации мобильной связи (MSC/VLR) запрашивает информацию в первоначальной сети (MSC/HLR) и при наличии подтверждения полномочий абонента регистрирует его. Данные о местоположении абонента постоянно обновляются в центре коммутации первоначальной сети (MSC/HLR), и все поступающие туда вызовы автоматически переадресовываются в ту сеть, где в данный момент находится абонент.

По способу регистрации различают следующие виды роуминга:

Для обеспечения роуминга необходимо выполнение следующих условий:

При организации роуминга недостаточно провести только технические мероприятия по соединению различных сетей сотовой связи. Очень важно еще решить проблему взаиморасчетов между операторами этих сетей.

Кроме того, для организации передачи сигнальных сообщений при автоматическом роуминге нужно создать соответствующие сигнальные каналы и программное обеспечение. Это требует определенных затрат. Поэтому между областями обслуживания различных операторов должна быть большая потребность в обслуживании роуминговой связи [9] — больше, чем просто трафик от “случайно заехавших” абонентов.

• GSM (Global System for Mobile Communication), глобальная система для мобильной связи — это стандарт европейской мобильной наземной системы.
• Основные услуги, поддерживаемые GSM: телефонная связь, передача коротких сообщений, доступ к службам “Видеотекст”, “Телетекст”, “Телефакс” (группа 3).
• Особенностью GSM, которая отсутствует в старых аналоговых системах, является служба передачи коротких сообщений (SMS — Short Message Service). SMS — двунаправленное обслуживание коротких алфавитно-цифровых (не свыше 160 байтов) сообщений.
• Сеть GSM может быть разделена на две больших части: мобильные станции (MS), которые перемещаются с абонентом; подсистема базовых станций, которая управляет радиолинией связи с мобильной станцией.
• Мобильная станция (MS) состоит из подвижной аппаратуры (терминал) и карточки с интегральной схемой, включающей микропроцессор, которая называется модуль абонентской идентификации (SIM — Subscriber Identification Module).
• Подсистема базовых станций содержит два вида оборудования: базовая приемопередающая станция (BTS — Base Transceiver Station) и контроллер базовой станции (BSC — Base Station Controller).
• Центральный компонент подсистемы сети — центр коммутации мобильной связи (MSC). Он работает как обычный узел коммутации общедоступной телефонной сети (PSTN — Public Switched Telephone Network) или цифровой сети интегрального обслуживания (ISDN — Integrated Service Digital Network). Дополнительно он обеспечивает все функциональные возможности мобильного абонента, такие как регистрация, аутентификация, обновление местоположения, передачи соединения (хэндовер) и управление маршрутизацией при передвижении абонента. Центр коммутации осуществляет постоянное слежение за подвижными станциями, используя регистры: регистр домашнего местоположения (HLR) и регистр визитного местоположения (VLR).
• В HLR хранится та часть информации о местоположении какой-либо подвижной станции, которая позволяет центру коммутации доставить вызов определенной мобильной станции.
• С помощью визитного регистра местоположения VLR достигается функционирование подвижной станции за пределами зоны, контролируемой HLR.
• В сети подвижной связи GSM соты группируются в географические зоны (LA — Location Area), которым присваивается свой идентификационный номер (LAC — Location Area Code). Каждый VLR содержит данные об абонентах в нескольких LA.
• VLR обеспечивает присвоение номера для услуг роуминга мобильной станции (MSRN — Mobile Station Roaming Number). Кроме того, VLR управляет распределением новых временных мобильных опознавательных кодов станции (TMSI — Temporary Mobile Subscriber Identity) и передает их в HLR.
• Для защиты и аутентификации используются два устройства: регистр идентификации оборудования (EIR — Equipment Identity Register) и центр аутентификации (AuC — Authentication Center). Регистр опознавательного кода оборудования (EIR) — база данных, которая содержит список всей допустимой к обслуживанию подвижной аппаратуры на сети, где каждая мобильная станция идентифицирована ее международным опознавательным кодом мобильного оборудования (IMEI — International Mobile Equipment).
• ОМС (Operations and Maintenance Center) — центр эксплуатации и технического обслуживания, является центральным элементом сети GSM, который обеспечивает контроль и управление другими компонентами сети и контроль качества ее работы.
• NMC (Network Management Center) — центр управления сетью, позволяет вести рациональное иерархическое управление сетью GSM. Он обеспечивает эксплуатацию и техническое обслуживание на уровне всей сети, поддерживаемой центрами ОМС, которые отвечают за управление региональными сетями. NMC занимается управлением трафиком во всей сети и принимает диспетчерское управление сетью при сложных аварийных ситуациях, как, например, выход из строя или перегрузка узлов.
• ADC (Administration Center) — административный центр. Сетевая служба, ответственная за организацию связи, административное управление сетью и соблюдение установленных правил доступа.
• ТСЕ (Transcoder Equipment) — транскодер, обеспечивает преобразование выходных сигналов передачи речи и данных MSC (64 Кбит/с ИКМ) к виду, соответствующему рекомендациям GSM по радиоинтерфейсу.
• А-интерфейс — интерфейс между MSC и BSS (подсистема базовых станций –BSC BTS), обеспечивает передачу сообщений для управления BSS, передачи вызова (хэндовер), управления при изменении местоположения.
• В-интерфейс — интерфейс между MSC и VLR. Когда MSC необходимо определить местоположение подвижной станции, он обращается к VLR.
• С-интерфейс — интерфейс используется для обеспечения взаимодействия между MSC и HLR.
• D-интерфейс — интерфейс между HLR и VLR, используется для расширения обмена данными о положении подвижной станции и управления процессом связи.
• Е-интерфейс — интерфейс между MSC, обеспечивает взаимодействие между разными MSC в осуществлении процедуры handover — “передачи” абонента из зоны в зону при его движении в процессе сеанса связи без ее перерыва.
• A_bis-интерфейс — интерфейс между BSC и BTS, служит для связи BSC с BTS и определен Рекомендациями ETSI/GSM для процессов установления соединений и управления оборудованием.
• О-интерфейс — интерфейс между BSC и ОМС, предназначен для связи BSC с ОМС, используется в сетях с пакетной коммутацией МККТТ Х.25.
• M-интерфейс — внутренний BSC-интерфейс контроллера базовой станции, обеспечивает связь между различным оборудованием BSC и оборудованием транскодирования.
• U_m-радиоинтерфейс — интерфейс между MS и BTS.
• X-интерфейс — сетевой интерфейс между ОМС разных сетей и сетью, так называемый управляющий интерфейс между ОМС и элементами сети.
• Способ организации связи, при котором одни и те же частоты многократно используются в разных зонах обслуживания, называется повторным использованием частот. Применение частотно-территориального планирования с повторным использованием частот позволяет увеличить пропускную способность при ограниченном количестве частотных каналов.
• Расстояние повторного использования частот (Frequency reuse distance) — расстояние между центрами двух удаленных сот, начиная с которого допускается повторное использование.
• Группа из близко расположенных сот, в пределах которых недопустимо повторное использование из-за опасности превышения уровня взаимных помех, называется кластером.
• Сота, в которой обслуживание абонентов осуществляется базовой станцией с секторной антенной, называется секторизованной сотой. В системах сотовой связи обычно используют антенны с шириной диаграммы направленности 120° (трехсекторная антенна). Применяются шестисекторные антенны — с шириной диаграммы направленности 60°.
• Сигнальные каналы радиоинтерфейса используются для установления вызова, широковещательной рассылки коротких сообщений (paging), технического обслуживания вызова, синхронизации и т. д.
• Имеются 3 группы сигнальных каналов: широковещательные каналы (BCH — Broadcast Channel), общие каналы управления (CCCH — Common Control Channels), специализированные каналы управления (DCCH — Dedicated Control Channel).
• При первой установке абонента в сети выполняется операция закрепления международного опознавательного кода мобильной станции (IMSI — International Mobile Station Identity). Обратная закреплению процедура — открепление — позволяет сети знать, что передвижная станция недостижима, и устраняет необходимость напрасно распределять каналы и передавать широковещательные сообщения.
• При подвижной связи в случае включенной мобильной станции осуществляется постоянное слежение за местоположением даже в случае отсутствия соединения. В частности, это необходимо для установления входящей связи.
• Так как к радиосреде имеют доступ много устройств и абонентов, требуется аутентифицировать пользователей. Эта процедура устанавливает подлинность и принадлежность к сети абонента и оборудования, определяет права и полномочия абонента и право доступа к сетевым ресурсам.
• Хэндовер (передача соединения) — это переключение каналов и линий по мере перемещения подвижного объекта по различным каналам или ячейкам сотовой сети.
• Есть два основных используемых алгоритма: алгоритм “минимально допустимая характеристика” дает приоритет управлению мощностью, а не передаче соединения (хэндоверу), а “метод бюджета мощности” предоставляет приоритет передаче соединения (хэндоверу).
• Роуминг — одна из функций сотовой связи. Необходимость в роуминге возникает каждый раз, когда абонент изменяет свое местоположение и перемещается в сеть, принадлежащую другому оператору. Роуминг бывает локальный (переезд внутри города или пригород), национальный (в другой город или область) и международный (переезд в другую страну).

В лекции описаны: общая структура протоколов и сигнальные протоколы, частотный план в стандарте GSM, структура кадров трафика и управления. Показаны принципы преобразования речи, кодирование, модуляция и демодуляция, шифрование и дешифрование.

Основное описание протоколов сети GSM дано в документах ETSI. Эти документы представляют некоторые группы, расположенные по версиям [76–79].

Рассмотренные выше функции регистрации (registration), аутентификации (authentication), маршрутизации вызова (call routing) и обновление координат местоположения, механизм передачи соединения (handover) выполняются подсистемой сети главным образом с использованием протоколов системы мобильной связи, основанных на протоколах системы ОКС № 7 [1, 10, 11, 36]. Структура этих протоколов показана на рис. 2.1.

Сигнальный протокол в GSM разделен на три уровня [49], [10, 17, 117] в зависимости от интерфейса, как показано на рис. 2.1.

Участок “мобильная станция — базовая станция” работает со следующими уровнями. Уровень 1 — физический уровень, который использует структуры канала, рассмотренные выше, по воздушному интерфейсу. Уровень 2 — уровень звена передачи данных по U_m интерфейсу, уровень звена передачи данных — это модифицированная версия LAPD-протокола, используемого в ISDN; она называется LAPDm [93, 94]. Уровень 3 — сигнальный протокол из GSM, использующий также модифицированную версию LAPD; самостоятельно разделен на 3 подслоя.

Управление радиоресурсами (RRM — Radio Resources Management) управляет установкой, обслуживанием и конечным устройством, радио- и фиксированными каналами, включая хэндовер.

Управление передвижением (MM — Mobility Management) управляет обновлением местоположения и процедурами регистрации, так же как защитой и аутентификацией.

Управление соединением (Connection Management) обрабатывает общий процесс управления установлением соединения и сигнализацией и управляет дополнительными услугами, а также службой передачи коротких сообщений.

Рис. 2.1.

 
Структура протоколов GSM

При взаимодействии базовой телефонной станцией (BTS) и контроллером базовой станции (BSC) используется интерфейсный протокол сообщение трансивера (приемопередатчика) базовой станции (BTSM — Base Transceiver Station Message). он также называется интерфейс A_bis.

Передача сигналов между различными объектами в фиксированной части сети (интерфейс A) использует протоколы на уровне 1 MTP1 (Message Transfer Part — подсистема передачи сообщений) на уровне 1 и на уровне 2 — SCCP (Signaling Connection Control Part — система управления соединением каналов сигнализации) [1, 10, 11, 35], принадлежащие системе сигнализации ОКС № 7. На уровне 3 применяют перечисленные выше протоколы GSM — MM и CM.

Подсистема 3 уровня BSSMAP прикладная система управления базовой станцией предназначена для связи контроллера базовой станции (BSS) с центром коммутации мобильной связи (MSC).

Для передачи сигнальных сообщений между центром коммутации мобильной связи (MSC) и системой базовой станции (Base Station System) [1, 10, 11, 17, 35] используются MTP (Message Transfer Part) и подсистемы управления соединением канала сигнализации SCCP (Signaling Connection Control Part), которые являются частями системы ОКС № 7. Рассмотрим кратко содержание этой подсистемы.

Система управления соединением канала сигнализации (SCCP — Signaling Connection Control Part) управляет логическими соединениями в сети ОКС для передачи блоков данных сигнализации. Она выполняет функции третьего уровня (сетевой уровень) модели взаимодействия протоколов ОКС [10, 11, 35, 115]. SCCP предоставляет возможность осуществлять по сети ОКС передачу данных для управления соединением и при техническом обслуживании, непосредственно не связанную с конкретным каналом речи или передачи данных.

Подсистема SCCP предоставляет два класса услуг: ориентированных на соединение и не ориентированных на соединение.

В первом случае перед началом обмена данными устанавливается соединение. Доставка сообщений может быть гарантирована в порядке их передачи. Для ориентированных на соединение услуг различаются постоянные и кратковременные (полупостоянные) соединения для сигнализации. При этом для полупостоянных соединений предусмотрены три фазы: фаза установления соединения (примитив “N – соединение”), фаза обмена данными (примитив “N – данные”) и фаза освобождение соединения (примитив “N – разъединение”).

При реализации услуг, не ориентированных на соединение, SCCP обеспечивает передачу данных в двух режимах: с контролем последовательности доставки сообщений и без контроля. В последнем случае не гарантируется прием данных в порядке их передачи, так как они маршрутизируются в сети сигнализации по-разному и могут быть повторно запрошены при воздействии помех.

Структура сообщения SCCP детально рассмотрена в [1, 10, 11, 35]. Ниже приведем только часть заголовков, посвященных подвижной системе.

Примеры типов сообщений для системы, ориентированной на соединение, следующие:

Последнее сообщение содержит следующие параметры (рис. 2.2).

Рис. 2.2.

 
Сообщения “разрешенная подсистема”

Само сообщение “разрешенная подсистема” имеет код 0000 0001 Указанный на этом рисунке “номер задействованной подсистемы” может быть закодирован следующим образом.

В табл. 2.1 выделены “жирным” коды, относящиеся к передаче сигналов мобильных систем (не обязательно к системе GSM).

Одна из пользовательских функций подсистемы управления соединением канала сигнализации SCCP (Signaling Connection Control Part) — прикладная часть системы базовой станции (BSSAP — Base Station System Part). Она предназначена для обслуживания взаимодействия BSS и MSC (см. рис. 2.1). В случае соединения типа “точка — точка” BSSAP использует сигнальное соединение с активной мобильной станцией, имеющей один или более активизированных процессов для передачи сообщений уровня 3. В случае конференц-связи или широковещательного вызова имеется всегда одно соединение в соте, связанное с данным вызовом, и одно дополнительное соединение в системе базовой станции (BSS — Base Station System) для передачи сообщений уровня 3. Есть дополнительное соединение для “главного абонента” при широковещательном вызове или конференц-связи. Дополнительные соединения могут также потребоваться для любых мобильных станций при конференц-связи группы
или широковещательном вызове, при которой сеть решает разместить выделенные или временно закрепленные каналы.

Пользовательские функции BSS (BSSAP — Base Station System Application Part) далее подразделены на две отдельных функции:

При применении BSSMAP (Base StationManagement Application Part) используются процедуры без установления соединения и ориентированные на соединение. Rec. ETSI GSM 08.08 указывает для каждой процедуры уровня 3, должно ли использоваться соединение или нужно работать без установления соединения. Процедуры, ориентированные на соединение, задействуются, чтобы поддержать DTP (Direct Transfer Application Part). Функция распределения, размещенная в BSSAP, выполняет разделение между данными этих двух частей.

BSSAP сообщения включают следующие поля (рис. 2.3).

Рис. 2.3.

 
Формат заголовка BSSAP

Длина – Параметр, указывающий последующую длину сообщения уровня 3.

Разделение (Discrimination)

Разделяет сообщения, принадлежащие указанным выше двум протоколам: BSSMAP (Base StationManagement Application Part) и DTAP (Direct Transfer Application Part).

Идентификатор управления звеном передачи данных (DLCI — Data Link Control Identifier)

Применяется только для DTAP (Direct Transfer Application Part). Используется в MSC для передачи сообщений к BSS (Base StationSubsystem), чтобы указать тип данных, исходящих первоначально от соединения по радиоинтерфейсу.

Прикладная система управления базовой станцией (BSSMAP) взаимодействует с обеими частями и SCCP (Signaling Connection Control Part), ориентированными на соединение и не ориентированными на соединение.

Прикладная система управления базовой станцией (BSSMAP) поддерживает все процедуры между MSC, и BSS, которые требуют интерпретации и обработки информации, связанной с обслуживанием отдельных вызовов, и управления ресурсами. Некоторые из процедур BSSMAP в конечном итоге вызываются сообщениями управления радиоресурсами (Radio Resource), определенными в ETSI [76–79].

Формат протокола BSSMAP (Base StationManagement Application Part) следующий (рис. 2.4).

Рис. 2.4.

 
Формат сообщений протокола BSSMAP

Тип сообщения

Поле из одного байта, определяющее тип сообщения. Это обязательное поле уникально определяет функцию и формат каждого сообщения BSMAP.

Информационный элемент

Каждый информационный элемент кодирован единственным кодом из восьми бит (идентификатором). Длина информационного элемента может быть фиксированная или переменная и может включать или не включать в себя индикатор длины.

Прикладная часть для прямой передачи (DTAP)

DTAP (Direct Transfer Application Part) применяется для передачи сообщений управления соединением и управления подвижностью между MS и MSC. Сообщения прямой передачи не обрабатываются в системе BSS, а только преобразуются в соответствующие сигналы радиоинтерфейса и обратно. Для передачи сообщений DTAP используется следующий формат (рис. 2.5).

Рис. 2.5.

 
Формат передачи сообщений DTAP

Формат идентификатора транзакции приведен на рис. 2.6.

Рис. 2.6.

 
Формат идентификатора транзакции

Флаг указывает, какой стороной назначена транзакция. Если MS, то флаг имеет значение 0, если MSC, то 1.

Значение идентификатора транзакции является целым числом и назначается инициатором. Оно уникально и на той стороне интерфейса, которая явилась инициатором этой связи, и не меняется в течение времени жизни транзакции, имеет смысл только в данном интерфейсе и остается в нем неизменной, после чего может использоваться вновь.

Поле дискриминатор протокола указывает тип подуровня (RR, CM, MM), к которому принадлежит сообщение.

Тип сообщения и информационные элементы приведены для каждого подуровня (RR, CM, MM) ниже.

Уровень управления радиоресурсами (RRM — Radio Resource Management) наблюдает за установлением соединения по радио и фиксированной сети между подвижной станцией и центром коммутации подвижной связи (MSC). Главные функциональные компоненты этого уровня — подвижная станция и подсистема базовых станций, центр коммутации подвижной связи (MSC). Уровень RRM предназначен для управления радиосеансом [49, 56]. Сеанс — это время, которое мобильная станция находится в режиме соединения и управляет конфигурацией радиоканалов, включая распределение специализированных каналов.

Радиосеанс всегда инициализируется подвижной станцией с помощью процедуры доступа, либо для исходящего вызова, либо в ответ на широковещательный вызов при входящем вызове. Уже рассмотренные выше процедуры исходящего вызова и широковещательного вызова, такие как назначение выделенного канала для сигнализации мобильной станции, и структура широковещательного подканала, устанавливаются на уровне RRM.

Кроме того, уровень RRM осуществляет управление радиохарактеристиками, такими как управление мощностью, прерывистая передача и прием.

Уровень управления мобильностью (ММ — Mobility Management) относится к верхнему уровню управления радиоресурсами (RRM — Radio Resources Management) и выполняет функции, которые возникают при передвижении абонента, а также функции защиты и аутентификации. Управление местоположением включает процедуры, которые дают системе информацию о текущем местоположении включенных передвижных станций так, чтобы управлять маршрутизацией входящих вызовов.

Уровень управления соединением (СМ) отвечает за управление вызовом, управление дополнительными видами услуг и управление службой передачи коротких сообщений. Каждое из них можно рассматривать как отдельный подслой в пределах уровня управления соединением (СМ). Процедура управления вызовом почти совпадает с процедурами цифровой сети ISDN, указанными в Q.931, хотя маршрутизация к (от) подвижному объекту, очевидно, является в GSM уникальной. Другие функции подслоя управления вызовом включают: установление соединения, выбор типа обслуживания (включая чередование услуг в течение вызова) и отбой.

Как уже упоминалось выше, система протоколов взаимодействия 3-го уровня на участке MS — BTS (CM, MM, RR) является подмножеством протокола 3-го уровня LAPD. Ниже приведены некоторые форматы и команды, касающиеся протоколов участка MS — BTS [49, 56]. Содержание каждого сигнала понятно из его названия; для более детального рассмотрения этих сигналов можно рекомендовать [10, 11, 17].

Обмен сигнальной информацией по протоколу LAPD производится в виде сообщений, каждое из которых имеет следующий вид (рис. 2.7).

Рис. 2.7.

 
Вид сообщения протоколов LAPD 3-его уровня

Сообщение содержит следующие области: дискриминатор протокола, метка соединения и тип сообщения.

Дискриминатор протокола служит для того, чтобы отделить процедуры управления вызовом от любых других сообщений, а также отделить сообщения, передаваемые в ЦСИО (ISDN), от сообщений других систем, в частности, GSM.

Дискриминатор протокола кодируется в соответствии со следующей таблицей [39, 17].

Из других полей формата сообщений уровня 3 в протоколах GSM используется поле “Тип сообщения”. В табл. 2.3–2.5 приведены значения, которые применяются на уровнях CM, MM, RR. Заглавные буквы в английском значении терминов обозначают буквы, входящие в сокращенное обозначение сообщений.

BTSM

BTSM представляет протокол взаимодействия BSC — BTS (Base Station Controller — Base Transceiver Station) или интерфейс A_bis. Сообщения передаются в формате LAPD, поле “тип сообщения” состоит при этом из двух байт (используется бит расширения). В первом байте передается дискриминатор сообщения, во втором — тип сообщения.

Дискриминатор протокола

Используется один из кодов табл. 2.2 в разделе сообщения управления вызовом (0011xxxx).

Дискриминатор сообщений

Однобайтовое поле, указывающее на тип обработки поступающих сообщений.

Первый бит применяется для указания прозрачности (transparent). Для указания типа обработки используются 7 последних битов октета.

Тип сообщения

Представляет однобайтное сообщение, старший бит которого отведен для возможности расширения сообщения, а остальные предназначены для кодирования типа сообщений, отображающего функции этого сообщения. Коды типа сообщений приведены в табл. 2.7.

Применение рассматриваемых команд легко устанавливается из их названия, поэтому, не останавливаясь на описании, приведем пример их использования при установлении соединения от станции ISDN к мобильной станции.

Этот пример был предварительно рассмотрен для участка MS — BTS (см. рис. 1.9). В данном случае приведены конкретные команды и сигналы на других участках. На рис. 2.8 сообщения на участке MS — BTS полностью совпадают с указанными на рис. 1.9, но в начале каждой команды указан уровень протокола, которому принадлежит сообщения (RR, MM, CM). По коду сигнала можно определить, к какому классу принадлежит сообщение (например, сообщения организации соединения, сообщения информационной фазы соединений, сообщения разъединения).

К этому рисунку дадим некоторые дополнительные комментарии.

На рис. 2.8 используются следующие команды системы ISDN:

Команда SABM (Set Asynchronous Balanced Mode) — “установить сбалансированный асинхронный режим” — используется в протоколе LAPD для установления по сети режима, предшествующего входу в синхронизм, для передачи в этом режиме команд управления. При этом отсутствует механизм защиты от ошибок (сообщение не нумеровано). В диаграмме она используется, чтобы указать, что обмен идет в асинхронном режиме.

UA — Unnumbered Acknowledge — ненумерованное подтверждение, используется для подтверждения сигналов в асинхронном режиме.

На рис. 2.8 отмечены символами:

Следует также обратить внимание, что многие сигналы идут транзитом через BTS и BSC. Эти сигналы в дискриминаторе сообщений содержат тип обработки Transparent — прозрачный режим.

увеличить изображение
Рис. 2.8.

 
Команды обмена при установлении связи. Станция ISDN-MS

На рис. 2.9 показан обмен сигналами для случая “отбой от MS” и “без задержки повешена трубка”.

Рис. 2.9.

 
Обмен сигналами при одном из вариантов отбоя

На рис. 2.10 показан принцип образования каналов в системе GSM [32, 36, 49, 115].

Для радиодоступа GSM 900 выделены две полосы частот:

Полосы по 25 МГц разделены на 124 пары каналов, работающих в дуплексном режиме с интервалом несущей частоты по 200 кГц, используя многостанционный доступ с частотным разделением каналов (FDMA — Frequency Division Multiple Access). Каждый радиоканал с шириной полосы 200 кГц разделен на временные соты, которые создают 8 логических каналов. При этом используется методика, известная как многостанционный доступ с временным разделением (TDMA — TIME DEVISION MULTIPLE ACCESS). Напомним: многостанционный доступ заключается в том, что группа пользователей имеет возможность использовать одну несущую частоту в разные моменты времени. Принцип доступа к этим каналам и разрешение ситуаций конкуренции за ресурс — различный и был рассмотрен в учебном курсе “Абонентские сети доступа”.

Канал, переносящий информацию (канал трафика, или логический канал), определится номером несущей частоты и номером одного из 8 временных положений. Информация переносится в виде коротких пакетов (burst), объединенных в кадры.

Многостанционный доступ с временным разделением (TDMA — Time Division Multiple ACCESS), содержащий 8 слотов и 248 физических полудуплексных каналов, составляет группу из 1984 полудуплексных каналов. При размере кластера 7 (см. повторное использование частот) число каналов в одной соте равно примерно 283 (1984 / 7) полудуплексных каналов. Как было показано ранее, разбиение, содержащее семь наборов частот, достаточно, чтобы охватить произвольно большую область, используя повторное применение частот с учетом допустимого расстояния между сотами.

Рис. 2.10.

 
Образование каналов в системе GSM

Каналы трафика (TCH) используются для доставки данных и речи. Структура образования кадров трафика (TCH) показана на рис. 2.11. [33, 36, 49, 115].

Мультикадр трафика содержит 26 кадров временного доступа (TDMA), каждый из которых состоит из 8 пакетов ( burst¹⁾ ) трафика. Длительность мультикадра трафика — 120 мс. Поэтому длительность кадров временного доступа 120 мс / 26 = 4,615 мс, а длительность временного положения (слота) трафика равна 120/(26 x 8)=15/26=0,577 мкс. Из 26 кадров 24 используются для трафика, один (12-й кадр) — как низкоскоростной выделенный канал управления (SACCH — Slow Associated Control Channel) и один (25-й) в настоящее время не используется.

Рис. 2.11.

 
Структура кадров трафика радио доступа системы GSM

Пакет содержит:

TCH прямого и обратного направления разделены во времени на 3 периода передачи пакета. Поэтому мобильная станция не может одновременно получать и принимать один и тот же канал, что упрощает ее электронное устройство.

Данные передаются в пакетах, которые помещены в слоты. Общее число бит в мультикадре трафика равно 156,25 бит x 8 x 26 = 32500 бит. Эти биты передаются за 120 мсек. Поэтому скорость передачи информации в битах — 270,833 Кбит/с (32500/0,12=270,833 Кбит/с). Время передачи одного бита 3,69 мкс. Чтобы нейтрализовать влияние ошибок в настройке времени, дисперсию времени и т. д., пакет данных немного короче, чем временной интервал. Он составляет для одного пакета 148 бит из 156.25 битов, передаваемых в пределах слота.

В дополнение к каналам THC’s с полной скоростью могут применяться каналы THC’s с полускоростью. THC’s с полускоростью фактически могут удвоить емкость системы, так как в них предусматривается кодирование речи в пределах 11,4 Кбит/с вместо 22,8 Кбит/с. Полускоростные THC’s каналы также используются для передачи сигналов управления. В рекомендациях они названы автономными специализированными каналами управления (SDCCH — Stand-alone Dedicated Control Channels) [81].

Если применяется полускоростное кодирование, то число слотов увеличивается до 16. При этом в четных кадрах мультикадра содержится информация 0–7-го слота, а в нечетных — 8–15-го.

Кадры управления уже рассматривались выше. Структура этих кадров и мультикадров показана на рис. 2.12. По сравнению с приведенными на рис. 2.11 кадрами, мультикадр состоит из 51 кадра TDMA, каждый из которых содержит 8 слотов.

Рис. 2.12.

 
Структура кадров управления

Содержания слотов управления и защитный интервал зависят от их назначения и указаны на рис. 2.13.

Рис. 2.13.

 
Структуры слотов управления

Слот подстройки частоты (FB — Frequency correction Burst) предназначен для синхронизации частот мобильной станции. Для передачи этих слотов выделяется канал подстройки частоты (FCCH — Frequency Correction Channel).

Слот синхронизации (SB — Synchronization Burst) предназначен для синхронизации по времени базовой и мобильной станций. Слот содержит синхропоследовательность (64 бита), зашифрованную информацию о номере кадра TDMA и коде идентификации базовой станции два блока (по 39 бит каждый). Для передачи этих слотов выделяется отдельный канал синхронизации (SCH — Synchronizing Channel).

Пустой слот (DB — Dummy Burst) — этот вспомогательный пакет содержит два поля по 58 бит, не несущих информации. Такой пакет передается с целью оповещения о том, что станция находится в работоспособном состоянии.

Слот доступа (AB — Access Burst) предназначен для разрешения доступа MS к BSS, передается по каналу права доступа (RACH — Random Access Channel). Этот слот передается в качестве первого запроса, когда станции еще не вошли в синхронный режим и неизвестно время прохождения сигнала. Он содержит концевую комбинацию (TB) — в данном случае она состоит из 3 бит; последовательность синхронизации для базовой станции — 41 бит, что позволяет базовой станции начать процесс синхронизации и обеспечить правильный прием последующих 36 бит. Большой защитный интервал (68,25 бит длительностью 252 мкс) обеспечивает максимальное время для защиты кадров от эффекта межсимвольного искажения.

Все слоты имеют одинаковую длину 156,25 бит и длительность 235,833 мкс. Все слоты, кроме слота доступа, имеют концевые биты (TB — Tail Bit) по 3 бита каждый, и защитный интервал 8,25 бит.

На рис. 2.14 показано объединение информации управления и трафика в единый поток.

Рис. 2.14.

 
Объединение мультикадров трафика и управления в единый поток

Для передачи быстродействующего объединенного канала управления (FACCH — Fast Associated Control Channel) и низкоскоростного выделенного канала управления (SACCH — Slow Associated Control Channel) применяются каналы трафика. Как уже было показано на рис. 2.11, пакет трафика может использоваться и для передачи трафика, и для передачи кадров управления.

Для чего применяются однобитовые флажки, которые указывают тип информации?

Из 26 кадров 24 используются для трафика, один (12-й кадр) — как низкоскоростной выделенный канал управления (SACCH — Slow Associated Control Channel). Один (25-й) в настоящее время не задействован, но при полускоростном режиме он может использоваться для организации второго канала SACCH. Для передачи в 12-м кадре может работать 8 слотов.

Поскольку один канал SACCH при полноскоростном режиме занимает один слот с информационным полем 114 бит (см. рис. 2.11), а время передачи 0,12 с, то скорость передачи по этому каналу 114/0,12=950 бит/с.

Слоты канала FACCH передаются со скоростью слота трафика. Остальные каналы управления передаются в мультикадре управления (рис. 2.12), содержащем 51 кадр. Организация каналов [13, 29] управления в таком мультикадре показана на рис. 2.15.

увеличить изображение

Организация мультикадра управления (а-д)

Рис. 2.15.

 
Организация мультикадра управления (е)

Каналы BCCH/CCCH могут использоваться всеми абонентами, находящимися в данной соте.

При передаче в направлении от сети к MS весь мультикадр разбивается на 5 групп по 10 кадров в каждой. Каждая группа начинается кадром канала FCCH, за которым следует SCH. Остальные 8 кадров разделяются на два блока по 4 кадра. Первая группа перового блока предназначена для передачи канала BCCH. Второй блок этой группы и остальные 8 блоков (всего 9 блоков), принадлежащие другим группам, предназначены для передачи кадров класса общего каналов управления — CCCH, а именно, входящих в него PCH и AGCH. Эти блоки называются блоками передачи каналов вызова. Таким образом, в рассматриваемом случае используются 4 кадра для передачи BCCH, 5 кадров для передачи FCCH, 5 кадров для SCH и 36 кадров (9 блоков вызова) для AGCH либо PCH.

Линия от MS к сети используется только для передачи кадров канала RACH.

В табл. 2.8 сведены итоговые сведения по организации логических каналов.

Рис. 2.16 показывает последовательность действий при преобразовании речи в радиоволны и обратном преобразовании.

Рис. 2.16.

 
Последовательность действий при преобразовании речи в радиоволны и обратном преобразовании

Примечание. Форматы, приведенные на рис. 2.15.д и рис. 2.15.е, применяются в случае небольшой загрузки каналов управления и не указаны в таблице

На основании субъективных показателей качества речи и сложности реализации (которая связана со стоимостью, задержкой обработки и потребляемой мощностью) для GSM выбрано долговременное линейное предсказание с возбуждением регулярной импульсной последовательностью (RPE — LPC). В основе этого метода положен принцип предсказания, когда информация от предыдущих временных отсчетов используется, чтобы предсказать текущий временной отсчет. Коэффициенты линейной комбинации предыдущих временных отсчетов, плюс, закодированная форма остаточных, разность между предсказанным и фактическим временным отсчетом, представляют сигнал. Речь разделена на 20 временных отсчетов в миллисекунду, каждый из которых закодирован как 260 битов, что составляет полную скорость передачи информации 13 Кбит/с. Это так называемое кодирование речи на полной скорости (Full Rate). В настоящее время в системе GSM используются усовершенствованные кодеры GSM 06.10 и GSM 06.20.
Основная блок-схема таких кодеров приведена на рис. 2.17. Она отличается наличием двух устройств: медленного анализатора (синтезатора) и быстрого анализатора, улучшающих систему предсказания [30, 36].

Рис. 2.17.

 
Основная блок-схема кодеров GSM 06.10 и GSM 06.20

Некоторыми североамериканскими операторами GSM1900 был реализован алгоритм преобразования речи “усовершенствованная полная скорость” (EFR — Enhanced Full-Rate).Он обеспечивает улучшенное речевое качество, используя существующую скорость 13 Кбит/c [85, 70].

Из-за влияния естественных или искусственных электромагнитных помех закодированная речь или сигналы данных, передаваемые по радиоинтерфейсу, должны быть защищены от ошибок. GSM использует сверточное кодирование (convolution encoding) и чередование блоков (block interleaving) [8, 25]. Конкретные алгоритмы для речи и для различных скоростей передачи данных отличаются между собой. Метод, используемый для речевых блоков, описан ниже.

Рассмотрим речевой кодер-декодер, который производит блок на 260 битов для каждых 20 временных отсчетов речи каждые 20 мс (рис. 2.18).

Рис. 2.18.

 
Один отсчет речевого сигнала: 1блок = 260 бит (20мс)

Субъективные испытания показали, что которые некоторые биты этого блока были более важны для качества речевого восприятия, чем другие. Поэтому биты разделены на три класса:

Классу Ia биты добавлен циклический избыточный код на 3 бита для обнаружения ошибок. Если ошибка обнаружена, кадр оценивается как значительно поврежденный и удаляется. Он может быть заменен немного уменьшенной версией предыдущего правильно полученного кадра. Это 53 бита, вместе с 132 битами класса Ib и конечной последовательностью (TB — Tail Bit) на 4 бита (всего 189 битов).

Напомним, что сверточное кодирование (convolution coding) [6, 22] — это метод передачи с исправлением ошибок, при котором каждое поле входной последовательности длины K преобразуется в канальный поток данных длины n. Здесь K — длина кодового ограничения (constrain length); она указывает длину регистра сдвига, запоминающего поле входного потока. Каждый бит выходной последовательности получается как результат суммирования по модулю 2 нескольких последовательно передаваемых K символов входной последовательности. Отношение длины исходной информационной последовательности к длине кодированной последовательности называется скоростью кодирования (code rate) и обозначается r.

На рис. 2.19 показан принцип сверточного кодирования при K=3 и r=1/2. При этом выполняется следующая последовательность действий:

Рис. 2.19.

 
Пример входной последовательностей данных для сверточного кодирования с параметрами длиной ограничения кода K=3 и скоростью кодирования r =1/2

В стандарте GSM используется сверточный кодер с кодовым ограничением

K=5. Каждый входной бит закодирован двумя битами выходного потока (r=1/2), базируясь на комбинации предыдущих 5 входных битов. Таким образом, сверточный кодер передает на выход 378 битов, к которым добавляются 78 остающихся бит класса II биты, которые являются незащищенными. Следовательно, каждые 20-миллисекундные временные отсчеты речи закодированы в виде 456 битов (рис. 2.20) и требуют скорости передачи информации в битах 22,8 Кбит/с.

Рис. 2.20.

 
Принцип кодирования пакета трафика.

Цифровой сигнал модулируется на аналоговую несущую частоту, используя гауссовскую манипуляцию с минимальным частотным сдвигом (GMSK — Gaussian-filtered Minimum Shift Keying).

GMSK [3, 22] является одним из вариантов минимальной частотной манипуляции (MSK). Это вид частотной модуляции, который отображает двоичные импульсные сигналы двумя сигнальными частотами, сдвинутыми по фазе на 180° на каждом тактовом интервале.

Гауссовская минимальная манипуляция (GMSK) отличается тем, что импульсы входной последовательности сглаживаются с помощью фильтра нижних частот и приводятся к форме гауссовской кривой. Такая форма обеспечивает более низкий уровень внеполосного излучения и уменьшает влияние на соседние каналы. Но этот способ по сравнению с другими имеет меньшую спектральную эффективность. В частности, он позволяет передавать около 0,7 бит/с на Гц (теоретическая спектральная эффективность для квадратурной фазовой манипуляции равна 2 бит/с-Гц) и увеличивает энергетические затраты.

GMSK был выбран по другим схемам модуляции как компромисс между спектральной эффективностью, сложностью передатчика и уменьшением побочного излучения. Сложность передатчика связана с потребляемой мощностью, которая должна быть минимальна для передвижной станции. Побочное излучение в заданной ширине полосы должно строго управляться, чтобы ограничить помехи от соседнего канала и совместить сосуществование GSM и старых аналоговых систем (по крайней мере в настоящее время).

Для оценки правильности передачи 50 битов, чувствительных к ошибкам (категория Ia), используется избыточность в виде трех битов, которые получаются уже рассмотренными ранее методами с использованием полинома . При обнаружении ошибок нарушенный блок заменяется образом предыдущего блока, чтобы исключить помехи в разговоре (шорохи и трески).

Для декодирования сверточного кода применяется алгоритм Витерби [7]. Алгоритм состоит в том, что получаемая часть входной последовательности (например, 2 бита) анализируется, чтобы получить все возможные исходные последовательности, из которых она может быть получена. Из таких последовательностей выбирается наиболее “правдоподобная” (согласно вероятности перехода). Обоснование этого метода требует достаточно сложного математического аппарата, поэтому приведем ссылку на один из массы источников — [3], который отличается доступным изложением.

Перестановка (перемежение) информации — это изменение позиций блоков информации относительно друг друга, которое позволяет разнести стоящие рядом символы, принадлежащие одному и тому же сообщению. При этом групповые ошибки преобразуются в одиночные и эффективно исправляются, например, сверточным декодером. Имеется несколько алгоритмов перестановки (перемежения) [41, 49], например, перестановка блоков информации в соответствии с таблицей (табличное перемещение), диагональное перемещение и т. д. Ниже рассмотрен один, наиболее простой [115] алгоритм, который используется чаще всего в сочетании с другими.

Принцип перестановки в данном случае заключается в том, что временные отсчеты GSM величиной 456 бит (для полной скорости передачи речи) разбиваются на 8 групп по 57 бит. Каждая такая группа передается в различных пакетах трафика и в различных кадрах. Биты в каждом пакете пронумерованы и разделены на четные и нечетные, и в соответствии с этим включаются в различные пакеты трафика. Принцип перестановки информации показан на рис. 2.21 [115].

Рис. 2.21.

 
Принцип перестановки информации

Основной недостаток принципа перестановки — это вносимая задержка из-за накопления пакетов информации, их перестановки и передачи.

В GSM защита информации представлена средствами шифрования передачи. Метод шифрования не зависит от типа передаваемых данных (речь, пользовательские данные или сообщения сигнализации). Оно применяется только к нормальным пакетам (normal burst).

Шифрование достигается преобразованием с помощью операции “исключающее ИЛИ”. Эта операция проводится между псевдослучайной многоразрядной последовательностью и 114 полезными битами нормального пакета (все информационные биты кроме 2 контрольных флагов). Псевдослучайная последовательность получается на основе номера пакета и сеансового ключа (session key). Ключ устанавливается в начале сеанса путем обмена сигналами между приемником и передатчиком, используется только в течение одного сеанса связи. После окончания сеанса ключ автоматически стирается.

Расшифровка использует тот же самый ключ шифрования. Более детально процесс шифрования и дешифрования дан в курсе лекций “Криптография и безопасность сетей”.

Подавление искажений из-за многолучевого распространения (multipath propagation)

В диапазоне 900 МГц радиоволны отражаются от всего — зданий, холмов, автомобилей, самолетов и т. д. Таким образом, приемной антенны может достигнуть много отраженных сигналов, каждый с различной фазой, и вызвать замирание (fade). Замирание — явление, при котором в течение определенного интервала времени происходит то постепенное усиление, то ослабление сигнала. Подавление искажений используется, чтобы извлечь желательный сигнал из нежелательных отражений. Оно работает, определяя, как известный переданный сигнал искажен замиранием из-за многолучевого распространения, и настраивает обратный фильтр, чтобы извлечь остальную часть переданного сигнала. Этот известный сигнал — 26 битов обучающей последовательности, передаваемой в середине каждого временного интервала пакета. Практическая реализация компенсатора не определена в спецификациях GSM.

Скачок частоты

Передвижная станция позволяет применять любую из заданных частот: это означает, что частота может изменяться между передатчиком и приемником и управляться в пределах одного кадра TDMA. GSM использует это свойство, чтобы осуществить медленный скачок частоты, когда мобильная станция и BTS передают каждый на различной несущей частоте. Алгоритм скачка частоты является широковещательным и управляет по широковещательному каналу управления (BCCH — Broadcast Control Channel). Так как замирание из-за многолучевости зависит от несущей частоты, медленные скачки частоты помогают облегчить проблему помех. Кроме того, межканальные помехи в действительности случайны и взаимно не связаны.

Прерывистая передача

Уменьшение межканальных помех — цель любой сотовой системы, так как это позволяет обеспечить лучшее обслуживание для данного размера ячейки или использование меньших ячеек, что увеличивает полную емкость системы. Прерывистая передача (DTX — Discontinuous transmission mode) — метод, преимущество которого основано на том, что фактически человек при нормальном сеансе связи говорит меньше 40 процентов времени. Поэтому возможно выключать передатчик в течение периодов молчания. Дополнительное преимущество — в том, что DTX экономит энергию мобильной станции.

Самый важный компонент DTX устройство обнаружения голосовой активности (VAD — Voice Activity Detection). Оно должно отличать речь от шумов, — задача, которая не так тривиальна, как это кажется. Если речевой сигнал неправильно интерпретируется как шум, передатчик выключается и возникает очень раздражающий эффект, названный клиппированием на приемном конце. Если, с другой стороны, шум ошибочно интерпретируется слишком часто как речевой сигнал, эффективность DTX резко уменьшается. Другой фактор, который следует учитывать, — это то, что, когда передатчик выключен, на приемном конце устанавливается полная тишина из-за цифрового характера GSM. Чтобы дать знать пользователю на приемном конце, что соединение существует, требуется подключение шума комфорта, который бы соответствовал характеристикам фоновых шумов, поступающих с передающего конца.

Прерывистый прием

Другой метод сохранения энергии в подвижной станции — прерывистый прием. Широковещательный канал коротких сообщений (Paging Channel), используемый основной станцией, чтобы сигнализировать о вызове базовой станции к мобильной станции, структурирован в подканалы. Каждая подвижная станция должна принимать только свой собственный подканал. В режиме ожидания вызова, в период времени между последовательными подканалами, мобильная станция может ставиться в режим, когда энергия почти не потребляется.

Управление мощностью

Есть пять классов определенных подвижных станций согласно их пиковой мощности передатчика, с номиналами, равными 20, 8, 5, 2 и 0,8 ваттам. Чтобы снизить межканальные помехи и сохранить мощность, приемопередатчики мобильных станций и базовые станции работают на самой низкой мощности, которую выбирают для поддержания приемлемого качества сигнала. Уровни мощности могут изменяться вверх или вниз ступенчато по 2 децибела от пиковой мощности вниз к минимуму 13 dBm (20 милливатт).

Подвижная станция измеряет силу сигнала или качество сигнала (основанное на коэффициенте битовых ошибок — BER) и передает информацию на контроллер базовой станции (BSC), который в конечном счете решает, заменить ли и когда заменить уровень мощности. Управление мощностью должно быть выполнено тщательно, поскольку она может стать причиной неустойчивой работы сети. В этой зоне имеются соседние подвижные станции, которые увеличивают свою мощность в ответ на увеличение межканальных помех, вызванных другими подвижными станциями. Практически это явление маловероятно, но находится в стадии изучения.

• Функции, которые выполняются подсистемой сети, главным образом используют протоколы системы мобильной связи, основанные на протоколах системы ОКС № 7.
• Радиоинтерфейс между MS BSC уровня 3 из GSM использует сигнальный протокол, который представляет собой модифицированную версию LAPD, разделенную на 3 подслоя: управление радиоресурсами (RRM — Radio Resources Management), управление передвижением (MM — Mobility Management) и управление соединением (Connection Management).
• Для передачи сигнальных сообщений между центром коммутации мобильной связи (MSC) и системой базовой станции (Base Station System) используются MTP (Message Transfer Part) и подсистемы управления соединением канала сигнализации SCCP (Signaling Connection Control Part), которые являются частями системы ОКС.
• Прикладная часть системы базовой станции (BSSAP — Base Station System Part) предназначена для обслуживания взаимодействия BSS — MSC. Она подразделяется на две отдельных функции: прикладная часть для прямой передачи (DTAP — Direct Transfer Application Part), используется для передачи транзитных сообщений между MSC и MS; и основная прикладная часть системы базовой станции (BSSMAP — Base Station System Management Application Part), которая поддерживает другие процедуры между MSC и BSS (Base Station System), связанные с MS управлением ресурсами, управлением передачей соединения (хэндовером), или в данной соте, или в пределах всей BSS (Base Station System).
• Уровень управления радиоресурсами (RRM) наблюдает за установлением соединения по радио и фиксированной сети между подвижной станцией и центром коммутации подвижной связи (MSC).
• Уровень управления мобильностью (ММ — Mobility Management) выполняет функции, которые связаны с передвижением абонента, а также функции защиты и аутентификации.
• Уровень управления соединением (СМ) отвечает за управление вызовом, дополнительными видами услуг и службой передачи коротких сообщений.
• Для радиодоступа GSM 900 выделены две полосы частот:
• Полосы по 25 МГц разделены на 124 пары каналов. Они работают в дуплексном режиме с интервалом несущей частоты по 200 кГц, используя многостанционный доступ с частотным разделением каналов (FDMA — Frequency Division Multiple Access). Каждый радиоканал с шириной полосы 200 кГц разделен на временные соты, которые создают 8 логических каналов. При этом применяется методика, известная как многостанционный доступ с временным разделением (TDMA — TIME DEVISION MULTIPLE ACCESS).
• Мультикадр трафика содержит 26 кадров временного доступа (TDMA), каждый из которых состоит из 8 пакетов трафика. Из 26 кадров 24 используются для трафика, один (12-й кадр) — как низкоскоростной выделенный канал управления (SACCH — Slow Associated Control Channel) и один (25-й) в настоящее время не задействован.
• Пакет трафика содержит два поля данных по 57 бит, поле обучающей последовательности и “;хвостовые биты” (tail bits). Каналы трафика прямого и обратного направления разделены во времени на 3 периода передачи пакета. Поэтому мобильная станция не может одновременно получать и принимать один и тот же канал, что упрощает ее электронное устройство.
• В дополнение к каналам трафика с полной скоростью могут применяться каналы THC’s с полускоростью. Канал трафика с полускоростью фактически может удвоить емкость системы, так как в нем предусматривается кодирование речи в пределах 11,4 Кбит/с вместо 22,8 Кбит/с.
• Мультикадр управления состоит из 51 кадра TDMA, каждый из которых содержит 8 слотов.
• Содержания слотов управления и защитный интервал зависит от их назначения. Используются слоты: подстройки частоты, синхронизации, пустой, доступа.
• Для передачи быстродействующего объединенного канала управления (FACCH — Fast Associated Control Channel) и низкоскоростного выделенного канала управления (SACCH — Slow Associated Control Channel) применяются каналы трафика. Остальные каналы управления передаются в мультикадре управления, содержащем 51 кадр и имеющем специальную структуру.
• На основании субъективных показателей качества речи и сложности реализации (которая связана со стоимостью, задержкой обработки и потребляемой мощностью) для GSM выбрано долговременное линейное предсказание с возбуждением регулярной импульсной последовательностью (RPE — LPC).
• GSM использует сверточное кодирование (convolution encoding) и чередование блоков (block interleaving). Цифровой сигнал модулируется на аналоговую несущую частоту, используя гауссовскую манипуляцию с минимальным частотным сдвигом (GMSK — Gaussian-filtered Minimum Shift Keying).
• Для защиты информации от помех применяется перестановка (перемежение) информации. Она представляет собой изменение позиций блоков информации относительно друг друга, которое позволяет разнести стоящие рядом символы, принадлежащие одному и тому же сообщению. При этом групповые ошибки преобразуются в одиночные и эффективно исправляются, например, сверточным декодером.
• В GSM защита информации представлена средствами шифрования передачи. Шифрование достигается преобразованием с помощью “исключающее ИЛИ”. Эта операция проводится между псевдослучайной многоразрядной последовательностью и 114 полезными битами нормального пакета (все информационные биты кроме 2 контрольных флагов).
• Подавление искажений, вызванных замиранием из-за многолучевого распространения, производится с помощью обучающей последовательности, передаваемой в середине каждого временного интервала пакета, а также с помощью медленных скачков частоты.
• Уменьшение межканальных помех достигается прерывистой передачей (DTX — Discontinuous transmission mode), а сохранение энергии в подвижной станции — прерывистым приемом.
• Существует пять классов определенных подвижных станций согласно их пиковой мощности передатчика, с номиналами, равными 20, 8, 5, 2, и 0,8 ваттам. Чтобы снизить межканальные помехи и сохранить мощность, приемопередатчики мобильных станций и базовые станции работают на самой низкой мощности, которую выбирают, чтобы поддержать приемлемое качество сигнала.

1. Определить число физических каналов в каждой соте сети GSM при:
2. Определить число сот в кластере сети, показанной на рисунке.
3. Определить максимальный радиус соты при распространении в свободном пространстве (без препятствий), если мощность излучения BTS PBTS = 55 Вт, пороговая чувствительность PMS = –100 дБм (т. е. Вт).

   Для определения следует использовать формулу отношения мощности в точке приема (PMS) и в точке передач (PBTS) (при отсутствии помех):

4. Определить число сот в кластере при заданном отношении расстояния между ячейками к радиусу ячейки
5. Задано число сот в кластере. Определить отношение
6. Используя рис. 2.15-а, определите скорость каналов управления:
7. Используя рис. 2.15-б, определите скорость каналов управления:
8. Используя рис. 2.15-в и г, определите скорость каналов управления:
9. Используя рис. 2.15-д, определите скорость каналов управления:
10. Используя рис. 2.15-е, определите скорость каналов управления:

Лекция посвящена принципам построения и архитектуре мобильной системы CDMA, использующей многостанционный доступ с кодовым разделением.

Многостанционный доступ с кодовым разделением (CDMA — Code Division Multiple Access) — технология, отличающаяся от доступа с частотным разделением и доступа с временным разделением [45, 80, 105]. Она не использует для разделения каналов ни частоты, ни времени, хотя по многим признакам она напоминает частотный доступ (рис. 3.1).

Рис. 3.1.

 
Упрощенная структурная схема системы с кодовым разделением каналов

Каждый входной цифровой сигнал складывается (“модулируется”) с отдельной “несущей”, в качестве которой выступает псевдослучайная последовательность (ПСП). ПСП передается со скоростью большей, чем скорость исходного сигнала, после чего полученные сигналы объединяются в единый поток. При этом полоса частот, используемая в радиоканале, гораздо шире, чем полоса исходного сигнала. Этот процесс получил название расширение спектра (Spreading Specter) [119]. Псевдослучайные последовательности выбираются таким образом, чтобы на приемном конце их можно было разделить (отфильтровать) и отделить сигнал от его псевдослучайной последовательности (“несущей”). Передача единого объединенного потока осуществляется в одной полосе частот с помощью одного из видов фазовой манипуляции. Поэтому системы, основанные на CDMA, не требуют разделения полосы частот
на отдельные каналы, что, в свою очередь, облегчает процесс хэндовера (переход из одной соты в другую).

Псевдослучайные последовательности должны иметь нулевую корреляцию, т. е. быть взаимонезависимы.

Существует два способа множественного (многостанционного) доступа с кодовым разделением каналов (CDMA):

Для первого способа разделения применяются ортогональные функции Уолша [119, 120] и функции, получаемые на их базе. Это набор ортогональных последовательностей длиной , в которых используются только два значения: 1 и –1.

Функции являются цифровыми “аналогами синусоид”. При кодировании обычно символ 1 заменяется на 0, а –1 на 1.

Рассмотрим систему двоичных чисел от 0 до (числа от 0 до 15), которые приведены в табл. 3.1.

Она представляет собой функцию, содержащую четыре переменных ( ).

Если предположить, что каждый разряд этих чисел поступает согласно десятичному номеру в таблице, то это можно изобразить следующими диаграммами (рис. 3.2), которые представляют периодические функции, подобные синусу (инверсные переменные подобны косинусу).

На основе этих функций могут быть получены любые другие функции Уолша на конечном отрезке от 0 до .

Вторая трактовка функций Уолша — это диаграмма коэффициентов при отображении двоичных чисел в двоичную систему.

Рис. 3.2.

 
Базисные периодические функции Уолша

Известно, что для перехода от двоичных чисел к их десятичным эквивалентам применяются весовые коэффициенты, сумма которых дает соответствующее число:

где — число разрядов двоичного числа, — значение k-го разряда двоичного числа.

В этом случае каждая диаграмма на рис. 3.2 указывает моменты появления чисел, в которые входит заданный числовой коэффициент. Например, весовой коэффициент 2 входит в числа 2, 3, 6, 7, 10, 11, 14, 15. Этот ряд чисел отображается периодической функцией Уолша, обозначенной на рис. 3.2 как диаграмма переменной .

Как было сказано выше, для объединения нескольких каналов при кодовом разделении каналов необходимо, чтобы псевдослучайные коды были разделимы с помощью корреляционного фильтра. Для этого они должны достаточно различаться. Степень подобия (похожести) функций в математике отображается с помощью корреляции. Различаются взаимная корреляция — сравнение двух функций, ортогональная корреляция — при полной независимости двух функций и автокорреляция — сравнение функции с собой при сдвиге во времени.

1. Взаимная корреляция (cross correlation) для двух периодических функций с периодом определяется формулой:
   Она измеряет подобие двух сигналов, сдвинутых во времени.
2. Ортогональная корреляция — это частный случай взаимной корреляции, когда эта функция равна нулю:
   Эти сигналы могут передаваться одновременно, поскольку они не создают взаимных помех.
3. Автокорреляция периодического сигнала определяется следующей формулой:
   Она определяет подобие данной функции с ее же версией, сдвинутой во времени.

Для дискретных функций интегрирование можно заменить суммированием.

В системах многостанционного доступа с кодовым разделением каналов применяются ортогональные функции Уолша. Одним из необходимых (но не достаточных) свойств такого кода является его сбалансированность, т. е. одинаковое число нулей и единиц.

Ниже (табл. 3.2) показаны ортогональные функции Уолша длины [3, 22, 101, 120, 121].

Заметим, что при кодировании обычно символ 0 заменяется на 1, а 1 на –1.

На рис. 3.3 приведены диаграммы, соответствующие этим последовательностям.

Ортогональные функции Уолша могут быть сгенерированы с использованием итерационного процесса построения матрицы Адамара [22] начиная с . Матрица Адамара сформирована:

Коды Уолша—Адамара длины 2 и 4 будут получены соответственно:

Рис. 3.3.

 
Диаграммы ортогональных функций Уолша.

Полученная матрица с точностью до порядка следования совпадает с ортогональными функциями, приведенными в табл. 3.2. Для того чтобы облегчить сравнение, справа от матрицы приведены номера функций по табл. 3.2 и диаграмме рис. 3.3.

Рассмотрим пример вычисления ортогональности полученных функций. Разберем взаимную корреляцию (без сдвига) функций и .

Согласно полученному результату эти две функции ортогональны.

Однако ортогональные функции Уолша имеют недостатки. Система должна быть синхронизирована. При сдвиге синхронизации функции корреляция увеличивается.

Для сдвинутых по времени и несинхронизированных сигналов взаимная корреляция может быть не равна нулю. Они могут интерферировать друг с другом. Вот почему кодирование с помощью функций Уолша может применяться только при синхронном CDMA.

Неортогональные (асинхронные) псевдослучайные функции могут быть сгенерированы с применением сдвиговых регистров, сумматоров (сложение по модулю 2) и контуров обратной связи. Рис. 3.4 иллюстрирует такой принцип.

Рис. 3.4.

 
Генератор последовательности максимальной длины (m – последовательности)

Максимальная длина последовательности определяется длиной регистра и конфигурацией цепи обратной связи (на рис. 3.4 цепи обратной связи обозначены , ). Регистр длиной битов может порождать свыше различных комбинаций нулей и единиц. Так как цепь обратной связи выполняет линейные операции, то если все регистры будут иметь нулевое значение, выход цепи обратной связи также будет нулевой. Поэтому, если установить все разряды на нуль, то цепь обратной связи будет всегда давать нулевой выход для всех последующих тактовых циклов, так что необходимо исключить эту комбинацию из возможных последовательностей. Таким образом, максимальная длина любой последовательности равна . Генерируемые последовательности называются последовательностями максимальной длины, или m-последовательностями.
Основное свойство таких последовательностей: автокорреляционная функция m-последовательности имеет пик при нулевом сдвиге и малый уровень боковых выбросов в остальных случаях. Это позволяет более четко выделять каналы. Конфигурации обратной связи для m-последовательности сведены в таблицу и могут быть найдены в [61].

Последовательности, порождаемые регистрами сдвига, имеют еще много вариантов. В частности, известны последовательности Голда, порождаемые совокупностью двух регистров, последовательности Касами, порождаемые тремя регистрами, и т. д. [23, 61].

Рассмотрим систему трех каналов, которая использует три ортогональных расширяющих последовательности, применяющие ортогональные функции Уолша:

• 1-й канал (–1, –1, –1, –1);
• 2-й канал (-1, 1, -1, 1);
• 3-й канал (–1, –1, 1, 1).

Предположим, что нам надо передать следующую информацию:

Комбинация расширяющей последовательности с информацией канала получается умножением всех разрядов последовательности на значение информационного бита. На рис. 3.5 показано получение такой последовательности для каждого из каналов. Это является аналогом частотной модуляции каналов.

Рис. 3.5.

 
Преобразование исходной информации для трех каналов с помощью ортогональных последовательностей Уолша

Теперь результаты расширения спектров каждого из каналов объединяются (суммируются), как это показано на рис. 3.6 и в табл. 3.3.

Рис. 3.6.

 
Пример ортогонального кодирования для каналообразования

На рис. 3.7 и в табл. 3.4 показан пример восстановления первоначального сигнала с использованием ортогональных функций для канала 2.

Рис. 3.7.

 
Пример восстановления первоначального сигнала с использованием ортогональных функций.

Для восстановления исходного сигнала каждый разряд суммарного сигнала умножается на соответствующий разряд расширяющей последовательности канала 2, после чего полученные результаты суммируются в пределах одного периода последовательности. Каждый интегральный сигнал дает максимальное значение, равное либо 4, либо –4. В зависимости от этого исходный символ будет соответственно 1 или –1.

Аналогично могут быть получены значения исходной последовательности в канале 1 и 3.

Если попытаться восстановить сигнал с использованием ортогональной последовательности, не входящей в суммарный сигнал, то получается ноль для каждого периода интеграции (табл. 3.5).

В заключение этого раздела приведем некоторые определения, которые применяются в системах CDMA.

Длительность тактового интервала одного бита расширяющего сигнала называются чипом. Интервал представляет собой период одного информационного разряда, и — период одного чипа (см. рис. 3.6). Чиповая скорость(chip rate) часто используется, чтобы характеризовать систему передачи с широким спектром и обычно измеряется в Мбит/с.

База сигнала (processing gain — PG), иногда называемая коэффициент расширения спектра (spreading factor — SF), определяется как отношение чиповой скорости ( ) к скорости передачи информации ( ).

Это равенство представляет число чипов, содержащихся в одном информационном разряде. Чем выше значение базы сигнала ( ), тем больше расширение. Высокий также означает, что больше кодов может быть распределено на том же самом частотном канале.

Сети и устройства с применением многостанционного доступа с кодовым разделением каналов построены на основе стандартов, разработанных Ассоциацией производителей средств связи (TIA — Telecommunication Industry Association). В основном это стандарты [71–75]:

На базе серии стандартов реализована станция 2-го поколения cdma One. В дальнейшем эти идеи получили развитие в стандарте широкополосной системы 3-го поколения CDMA – 2000 [65, 82, 83].

На рис. 3.8 приведена обобщенная структурная схема сети сотовой подвижной радиосвязи CDMA IS-95.

Основные элементы этой сети (BTS, BSC, MSC, ОМС) по составу совпадают с элементами, используемыми в сотовых сетях с временным разделением каналов (например, GSM — см. рис. 1.1). Основное отличие заключается в том, что в состав сети CDMA IS-95 включены устройства оценки качества и выбора блоков (SU — Selector Unit). Кроме того, для реализации процедуры мягкого переключения между базовыми станциями, управляемыми разными контроллерами (BSC), вводятся линии передачи между SU и BSC (Inter BSC Soft handover). В центре коммутации подвижных объектов (MSC) добавлен преобразователь – транскодер (TCE — Transcoder Equipment), который преобразует выборки речевого сигнала, формат данных из одного цифрового формата в другой.

Рис. 3.8.

 
Архитектура сети CDMA

В CDMA каналы для передачи от базовой станции к мобильной станции называются прямыми (Forward). Каналы для приема базовой станцией информации от мобильной называются обратными (Reverse) [14, 31, 48, 59, 60, 75]. Для обратного канала IS-95 определяет полосу частот от 824 до 849 МГц. Для прямого канала — 869–894 МГц. Прямой и обратный каналы разделены интервалом в 45 МГц. Пользовательские данные упакованы и передаются в канале с пропускной способностью 1,2288 Мбит/с. Нагрузочная способность прямого канала — 128 телефонных соединений со скоростью трафика 9,6 Кбит/c. Состав каналов в CDMA в стандарте IS-95 показан на рис. 3.9.
В IS-95 применяются различные типы модуляции для прямого и обратного каналов. В прямом канале базовая станция передает одновременно данные для всех пользователей, находящихся в соте, используя для разделения каналов различные коды для каждого пользователя. Также передается пилотный сигнал, он имеет больший уровень мощности, обеспечивая пользователям возможность синхронизировать частоты. В обратном направлении подвижные станции отвечают асинхронно (без использования пилотного сигнала), при этом уровень мощности, приходящий к базовой станции от каждой подвижной станции, одинаков. Такой режим возможен благодаря контролю мощности и управлению мощностью подвижных абонентов по служебному каналу.

Данные в прямом канале трафика группируются в кадр длительностью 20 мс. Пользовательские данные после предварительного кодирования и форматирования перемежаются с целью регулирования текущей скорости передачи данных, которая может изменяться. Затем спектр сигнала расширяется перемножением с одной из 64 псевдослучайных последовательностей (на основе функций Уолша) до значения 1,2288 Мбит/с. Каждому мобильному абоненту назначается ПСП, с помощью которого его данные будут отделены от данных других абонентов. Ортогональность ПСП обеспечивается одновременной синхронной кодировкой всех каналов в соте (т. е. используемые в каждый момент времени фрагменты являются ортогональными). Как уже упоминалось, в системе передается пилотный сигнал (код) для того, чтобы мобильный терминал мог управлять характеристиками канала, принимать временные метки, обеспечивая фазовую синхронизацию для когерентного детектирования.
Для глобальной синхронизации сети в системе используются еще радиометки от GPS(Global Position System)-спутников.

Пилотный канал (Pilot Channel) предназначен для установления начальной синхронизации, контроля уровня сигнала базовой станции по времени, частоте и фазе, идентификации базовой станции.

Канал синхронизации (SCH — Synchronizing Channel) обеспечивает поддержание уровня излучения пилотного сигнала, а также фазу псевдослучайной последовательности базовой станции. Канал синхронизации передает синхросигналы мобильным терминалам со скоростью 1200 бод.

Широковещательный канал коротких сообщений, канал вызова (Paging Channel) используется для вызова подвижной станции. Количество каналов — до 7 на соту. После приема сигнала вызова мобильная станция передает сигнал подтверждения на базовую станцию. После этого по каналу широковещательного вызова на подвижную станцию передается информация об установлении соединения и назначении канала связи. Работает со скоростью 9600, 4800, 2400 бод.

Рис. 3.9.

 
Каналы трафика и управления системы CDMA

Канал прямого трафика (FTCH — Forward Traffic Channel) предназначен для передачи речевых сообщений и данных, а также управляющей информации с базовой станции на мобильную; передает любые пользовательские данные.

Для предоставления разных услуг связи в CDMA используются два типа каналов. Первый из них называется основным, а второй — дополнительным. Услуги, предоставляемые через эту пару каналов, зависят от схемы организации связи. Каналы могут быть адаптированы для определенного вида обслуживания и работать с разными размерами кадра, используя любое значение скорости из двух скоростных рядов: RS-1 (1200, 2400, 4800 и 9600 бит/с) или RS-2 (1800, 3600, 7200 и 14400 бит/с). Определение и выбор скорости приема осуществляется автоматически.

Рис. 3.10.

 
Структура прямых каналов

Каждому логическому каналу назначается свой код Уолша, как это указано на рис. 3.10. Всего в одном физическом канале может быть 64 логических канала, т. к. последовательностей Уолша, которым в соответствие ставятся логические каналы, всего 64, и каждая из них имеет длину по 64 бита. Из всех 64 каналов:

• на 1-й канал назначается первый код Уолша (W0), которому соответствует пилотный канал;
• на следующий канал назначается тридцать второй код Уолша (W32), следующим семи каналам также назначаются свои последовательности Уолша (W1, W2, W3, W4, W5, W6, W7), которым соответствуют каналы вызова;
• 55 каналов предназначены для передачи данных по каналу прямого трафика.

Канал доступа (ACH — Access Channel) обеспечивает связь подвижной станции с базовой станцией, когда подвижная станция еще не использует канал трафика. Канал доступа применяется для установления вызовов и ответов на сообщения, передаваемых по каналу вызова (Paging Channel), команд и запросов на регистрацию в сети. Каналы доступа совмещаются (объединяются) с каналами вызова.

Канал обратного трафика (RTCH — Reverse Traffic Channel) обеспечивает передачу речевых сообщений и управляющей информации с мобильной станции на базовую станцию.

Следующий этап преобразования сообщения — кодирование с помощью кодов Уолша [14, 121]. Это повышает скорость информационного потока с 9,6 (19,2) Кбит/с до 1,2288 Мбит/с.

Рис. 3.11.

 
Структурная схема формирования сигнала передатчиком базовой станции

Рассмотрим структурную схему формирования сигнала передатчиком базовой станции (рис. 3.11).

В прямом и обратном канале эта схема повторяется. Последовательность функционирования соответствует цифрам на рисунке.

1. Речевой сигнал поступает на речевой кодер. Для передачи речи по каналам системы CDMA используются вокодеры с линейным предсказанием и кодовым возбуждением (CELP — Code Excited Linear Prediction) [67]. Базовая скорость передачи данных в канале составляет 9,6 Кбит/с, что достигается добавлением дополнительных корректирующих двоичных символов к цифровому потоку вокодера 8,55 Кбит/с (диапазон скоростей этого типа вокодеров от 4 до 16 Кбит/с).
2. Сигнал поступает на блок помехоустойчивого кодирования. Для реализации на приемной стороне прямой коррекции ошибок (без повторного запроса и передачи сообщения) в канале используется сверточное кодирование (convolution encoding) (см. часть 1 “GSM”). На передающей стороне используется кодирование с характеристиками: длина кодового ограничения , скорость кодирования .Для этого поступающий цифровой поток разбивается на пакеты длительностью по 20 мс и подается на сверточный кодер. На его выходе число битов удваивается ( ), и при входной скорости 9,6 Кбит/с выходная скорость равна 19,2 Кбит/с (384 бита в 20 мс).
3. Далее сигнал поступает в блок перемежения сигнала, предназначенный для борьбы с пачками ошибок в эфире. Пачки ошибок — искажение нескольких бит информации подряд. Данные перемежаются, т. е. перемешиваются во временном интервале 20 мс. Это делается для того, чтобы равномерно распределить в потоке данных потерянные во время передачи биты. Известно, что ошибочно принятые символы обычно формируют группы. В то же время схема прямой коррекции ошибок работает наилучшим образом, когда ошибки распределены равномерно во времени. Это происходит после осуществления на приемной стороне процедуры, обратной перемежению при передаче.

   Принцип перемежения в данном случае следующий. Процесс перемежения битов осуществляется в пределах каждого блока длительностью 20 мс, содержащего при скорости передачи 19,2 Кбит/c 384 бита. Поток данных записывается в матрицу (24 строки x 16) по строкам. Как только матрица заполнена, начинается передача информации по столбцам со скоростью записи. Следовательно, когда в эфире искажаются подряд несколько битов информации, при приеме пачка ошибок, пройдя через обратную матрицу, преобразуется в одиночные ошибки.

4. Сигнал поступает в блок шифрования (защита от подслушивания), на информацию накладывается маска (псевдопоследовательность) длиной 42 бита. Эта маска является секретной. При несанкционированном перехвате данных в эфире невозможно декодировать сигнал, не зная маски. Метод перебора всевозможных значений не эффективен, т. к. при генерации этой маски, перебирая всевозможные значения, придется генерировать 8,7 триллиона масок длиной 42 бита.

   Для шифрования применяется скремблирование информационной цифровой последовательности — производится суммирование по модулю 2 с другой цифровой последовательностью, формируемой с помощью длинного кода с периодом символов при скорости 1,2288 Мбит/с (длительность чипа 813,8 нс). Маска формируется генератором псевдослучайной последовательности.

5. После шифрования цифровой поток преобразуется с помощью длинного кода и логической операции “исключающее ИЛИ” (сложение по модулю два). Как уже говорилось, длинными кодами (кодами максимальной длины) являются коды, которые могут быть получены с помощью регистра сдвига или элемента задержки заданной длины. Максимальная длина двоичной последовательности, которая может быть получена с помощью генератора, построенного на основе регистра сдвига, равна двоичных символов, где — число разрядов регистра сдвига. В аппаратуре стандарта IS-95 длинный код формируется в результате нескольких последовательных логических операций с псевдослучайной двоичной последовательностью, генерируемой в 42-разрядном регистре сдвига. Такой регистр сдвига применяется во всех базовых станциях этого стандарта для обеспечения режима синхронизации всей сети. Так как информационный поток имеет скорость 19,2 Кбит/с,
   то в прямом канале с тактовой частотой 1,2288 Мбит/с используется только каждый 64-й символ длинного кода.

   Поскольку все пользователи получают объединенный сигнал, для выделения информации необходимо передавать опорный сигнал (по пилотному каналу). В этом канале передается нулевой информационный сигнал. Код Уолша для пилотного канала формируется из нулевого ряда матрицы Уолша. В пилотном канале передается мощный сигнал, который содержит только короткий код. Обычно на нем излучается около 20 % общей мощности. Опорный сигнал необходим для последующей фазовой демодуляции. Короткий код позволяет многократно использовать в каждой ячейке один и тот же набор кодов Уолша. Каждая базовая станция имеет свой временной сдвиг при формировании кода и поэтому может быть однозначно определена в сети. Основано это на свойстве псевдослучайных двоичных кодов: значение автокорреляционного момента приближается к нулю для всех временных смещений более одной битовой длины.

6. На этом этапе кодирования сигнала происходит расширение спектра частот, т. е. каждый бит информации кодируется последовательностями ПСП1 и ПСП2, построенными по функции Уолша, которые генерируются со скоростью 1,2288 Мбит/с. Канальная скорость потока данных (19,2 Кбит/с) увеличивается в 64 раза. Следовательно, в блоке модуляции сигнала скорость манипуляции сигнала возрастает, отсюда и расширение спектра частот. Принцип преобразования сообщения — кодирование с помощью кодов Уолша — уже рассматривался выше. Один ряд матрицы Уолша ставится в соответствие каналу связи между абонентом и базовой станцией. Если на входе кодера “0”, то посылается соответствующий ряд матрицы (кода Уолша), если “1” — посылается последовательность, сформированная путем логического отрицания соответствующего ряда матрицы (кода Уолша). Соответственно расширяется и спектр сигнала. Также функция Уолша отвечает за отсев ненужной информации от других абонентов.
   В момент начала сеанса связи абоненту назначается частота, на которой он будет работать, и один из 64 возможных логических каналов, который определяет функция Уолша.
7. На заключительном этапе двоичный поток разделяется между синфазным и квадратурным каналами (I- и Q-каналами) для последующей передачи с использованием квадратурной фазовой манипуляции (QPSK). Цифровой поток в каждом из каналов преобразуется с помощью короткого кода и логической операции “исключающее ИЛИ”.

   Короткий код представляет собой псевдослучайную двоичную последовательность длиной двоичных символов, генерируемую со скоростью 1,2288 Мбит/с. Эта последовательность является общей для всех базовых и подвижных станций в сети. Короткий код формируется в 15-разрядном регистре сдвига с линейной обратной связью. Он формируется на базе двух порождающих полиномов:

   Блок перемножения сигнала на две функции (их называют ПСП1 — ПСП2) предназначен для перемешивания сигнала блока модуляции.

   Скорость следования символов равна 1,2288 Мбит/с. Период последовательности из 32768 чипов составляет . Все абоненты одной соты или сектора используют одну и ту же пару псевдопоследовательностей. Эти псевдопоследовательности для различных ячеек и секторов различаются временным сдвигом относительно нулевой последовательности. Всего на длине 32768 чипов приняты 511 сдвигов на 64 чипа каждый относительно последовательности с нулевым сдвигом. Это позволяет идентифицировать 512 сот (секторов).

   Заметим, что использование псевдопоследовательностей при модуляции позволило развить новые технологии на основе CDMA [24]: многостанционный доступ со скачкообразной перестройкой частоты (FH CDMA — Frequency HoppingCDMA) и многостанционный с псевдослучайной перестройкой по времени (TH-CDMA — Time Hopping CDMA). Принципы работы этих технологий изложены в [24].

8. Блок модуляции сигнала. В стандарте CDMA используется квадратурная фазовая манипуляция ФМ4, ОФМ4. Результирующий двоичный поток в каждом канале проходит через цифровой фильтр с конечной импульсной характеристикой, что позволяет ограничить полосу излучаемого сигнала. Частота среза фильтра составляет около 615 кГц. Полученные аналоговые сигналы поступают на соответствующие входы I/Q-модулятора. Для уменьшения занимаемой полосы частот на выходе модулятора устанавливают фильтр, который формирует специальный вид сигнала “приподнятый косинус”.

Структурная схема приема прямого канала на мобильной станции показана на рис. 3.12. Она содержит устройства, которые осуществляют действия, обратные по отношению схеме формирования сигнала передатчиком базовой станции.

Рис. 3.12.

 
Структурная схема приема прямого канала на мобильной станции

В обратном канале использован другой алгоритм формирования спектра, поскольку сигналы от удаленных терминалов достигают базовой станции по различным путям. Пользовательские данные также сгруппированы во фреймы длительностью 20 мс.

Структура формирования сигнала передатчика обратного канала (от мобильной станции к базовой) аналогична показанной на рис. 3.11. Отличия заключаются в следующем. В обратном канале применяется сверточное кодирование со скоростью 1/3. Это повышает скорость передачи данных с базовой скорости 9,6 до 28,8 Кбит/с, и перемежение в пакете производится на интервале 20 мс. После перемежения выходной поток разбивается на слова по шесть битов в каждом. Шестибитовому слову можно поставить в соответствие один из 64 кодов Уолша; порядковый номер этого кода соответствует двоичному числу, выражаемому этими шестью битами. Таким образом, каждый абонентский терминал использует весь их набор. После этой операции скорость потока данных повышается до .

Далее поток преобразуется с помощью длинного кода, аналогичного коду, который используется базовой станцией. На этом этапе происходит разделение пользователей.

Абонентская емкость системы определяется обратным каналом. Для ее увеличения применяются регулирование мощности в обратном канале, методы пространственного разнесения приема на базовой станции и др.

Окончательное формирование потоков данных происходит таким же образом, как и в базовой станции, за исключением дополнительного элемента задержки на 1/2 длительности символа в Q-канале для реализации смещенной QPSK.

Структурная схема приемника обратного канала (на базовой станции) аналогична схеме, приведенной на рис. 3.12. Однако в приемнике принимается объединенный поток от нескольких мобильных станций (в едином частотном спектре). Там же происходит разделение абонентских сигналов в соответствии с кодом Уолша.

Все базовые станции используют для кодирования каналов один и тот же короткий код, но со сдвигом с шагом 64 чипа. Таким образом, возможно 511 сдвигов по отношению к коду с нулевым сдвигом.

Работа сети CDMA по порядку выполнения этапов и сигналам похожа на другие сети подвижной связи и, в частности, на рассмотренную ранее сеть GSM. Однако она имеет свои особенности, связанные с кодированием сигналов, шифрованием. Наиболее заметными отличиями являются возможность проведения “мягкого хэндовера” и принципы управления мощностью, которые будут рассмотрены далее.

После включения MS настраивается на рабочую частоту сети и ищет сигнал базовой станции (в сети используется общий для всех базовых и подвижных станций короткий код). Вероятно, что MS обнаружит несколько сигналов разных базовых станций, которые можно различить по временному сдвигу псевдопоследовательности. Подвижная станция выбирает сигнал с большим уровнем и таким образом получает когерентную опору для осуществления последующей демодуляции сигнала синхронизации. Этому сигналу поставлен в соответствие 32-й код Уолша (W32). В нем передается информация о будущем содержании 42-разрядного регистра сдвига, используемого для формирования длинного кода. Эта информация посылается с опережением относительно информационного канала на 320 мс. Поэтому подвижная станция имеет достаточно времени для декодирования сообщения и загрузки информации в регистр. Таким образом достигается синхронизация с сетевым временем. После этого подвижная станция
начинает мониторинг одного из каналов вызова. Если абонент пытается войти в сеть, то его станция будет пытаться осуществить соединение с базовой по одному из каналов доступа. В этом случае для формирования длинного кода используется двоичная маска, параметры которой индивидуальны для каждой базовой станции сети. Если одновременно несколько пользователей пытаются осуществить соединение, то возникает конфликт. Если базовая станция не подтверждает попытку соединения по каналу вызова, то абонентская выжидает произвольное время и делает следующую попытку.

Порядок обмена при соединении от MS (исходящее сообщение) и к MS (входящее сообщение) показан на рис. 3.13 [14, 60].

Рис. 3.13.

 
Порядок обмена сигналами для входящего и исходящего соединения CDMA

Он во многом совпадает с уже рассмотренным выше для системы GSM. Однако для передачи используются другие каналы и другое содержание сигналов. Ниже даются некоторые комментарии к рисункам.

1. Базовая станция передает мобильной станции вызов (запрос на соединение).
2. Мобильная станция передает ответ на запрос (сигнал “запрос назначения”), сообщая свой международный идентификационный номер (MIN — Mobile Identification, IMSI) и электронный номер оборудования (ESN — Electronic Serial Number).
3. Базовая станция принимает “запрос назначения”, выбирает и назначает канал трафика, выбирая длинный код, общий для всех каналов данной базовой станции, после чего посылает сообщение о назначении прямого канала.
4. Мобильная станция выполняет процедуру назначения конкретного канала и высылает базовой станции преамбулу, которая содержит наряду со стандартными данными (код отправителя, код назначения) еще и данные для настройки на конкретно выбранный канал, чтобы базовая станция могла настроиться и выбрать канал обратного трафика.
5. Базовая станция выбирает канал обратного трафика и передает для MS по прямому каналу запрос на аутентификацию.
6. Мобильная станция проводит процедуру аутентификации абонента (рассматривается здесь далее) и передает ответ об аутентификации.
7. Базовая станция передает на исходную станцию сигнал о включении зуммера посылки вызова и передает мобильной станции сигнал готовности к обмену, содержащий информацию о номере вызывающего абонента (CIN — Calling Identification Number).
8. Мобильная станция передает сигнал на посылку вызова входящему абоненту и выводит на табло информацию CIN. Далее мобильная станция ждет сигнала ответа абонента. После получения этого сигнала он передает команду на снятие сигнала “посылка вызова” и передает на базовую станцию сигнал подтверждения готовности к обмену (окончание соединения).
9. Базовая станция включает приборы разговорного тракта в положение “обмен” и передает подтверждение соединения на базовую станцию.
10. Далее проходит обмен речевой информацией или данными.

Порядок обмена сигналами от BTS к MS

1. Мобильная станция при поступлении вызова абонента передает сигнал запроса о назначении канала. Этот сигнал, как и в предыдущем случае (п. 2) , содержит идентификационный номер (MIN — Mobile Identification, IMSI) и электронный номер оборудования (ESN — Electronic Serial Number).
2. После принятия этого сигнала соединения обмен сигналами повторяет предыдущий алгоритм.

Безопасность связи обеспечивается также применением процедур аутентификации и шифрования сообщений. Принцип выполнения этих процедур показан на рис. 3.14 (для мобильной станции). В CDMA используется стандартный алгоритм аутентификации и шифрования речи в сотовой связи (CAVE — Cellular Authentication Voice Encryption) [123] для генерации ключа на 128 битов. Ключ назвается “общие секретные данные” (SSD — Shared Secret Date). Эти данные генерируются на основе A-ключа, который хранится в мобильной станции, и полученного от сети псевдослучайного числа. Алгоритм CAVE генерирует общие секретные данные (SSD). Они разделяются на две части: SSD-A (64 бита) — чтобы создавать цифровую подпись (authentication signature), и SSD-B (64 бита) — для генерации ключей, для шифрования речи и передачи сигнала сообщения. SSD может быть использован при роуминге поставщиками услуг для местной аутентификации.
Новые общие секретные данные (SSD) могут быть сгенерированы, когда мобильная станция перемещается к чужой сети или возвращается к домашней сети.

увеличить изображение
Рис. 3.14.

 
Принцип аутентификации и шифрования информации в системе CDMA на мобильной станции

Цифровая подпись генерируется длиной 18 бит и посылается базовой станции, чтобы проверить принадлежность абонента к данной системе, установить его права и полномочия. При этом используется один из двух алгоритмов:

Мобильная станция и сеть ведут учет истории вызовов. Это обеспечивает возможность обнаружить незаконное производство мобильных телефонов или SIM-карт.

A-ключ может перепрограммироваться, для этого должны быть изменены данные на мобильной станции и в сетевом центре аутентификации.

Это можно выполнить:

Замена A-ключа на мобильной станции через OTASP обеспечивает простой способ быстро отключать обслуживание мобильной станции нелегальному пользователю или инициировать ввод новых услуг легальному абоненту.

Мобильные станции используют общие секретные данные типа B (SSD-B) и алгоритм аутентификации и шифрования речи в сотовой связи (CAVE), чтобы генерировать маску частного длинного кода (Private Long Code Mask). Эта маска позволяет создать режим частного характера связи.

Он содержит сотовый ключ алгоритма шифрования сообщения — 64 бита (CMEA — Cellular Message Encryption Algorithm) и ключ данных — 32 бита (Data Key). Маска частного длинного кода используется и в мобильной станции, и в сети для изменения характеристик длинного кода. Измененный длинный код применяется для скремблирования речи, которое добавляет дополнительный уровень секретности по радиоинтерфейсу CDMA. Маска частного длинного кода не используется для шифрования информации. Она просто заменяет известное значение, применяемое при кодировании CDMA сигнала, частным значением, известным только в мобильной станции и сети.

Поэтому при таком кодировании чрезвычайно трудно подслушивать сеансы связи, не зная маску частного длинного кода.

Дополнительно мобильная станция и сеть применяют ключ CMEA вместе с усовершенствованным алгоритмом CMEA (ECMEA — Enhanced CMEA), чтобы зашифровывать сообщения передачи служебных сигналов, передаваемых по радиоканалу. Отдельный ключ данных и алгоритм шифрования используются мобильной станцией и сетью, чтобы зашифровать и расшифровывать данные на каналах CDMA.

• Многостанционный доступ с кодовым разделением (CDMA — Code Division Multiple Access) — технология, использующая для разделения каналов псевдослучайную последовательность. Передача единого объединенного потока осуществляется в одной полосе частот с помощью одного из видов фазовой манипуляции. Поэтому системы, основанные на CDMA, не требуют разделения полосы частот на отдельные каналы.
• При кодовом разделении полоса частот, используемая в радиоканале, гораздо шире, чем полоса исходного сигнала. Этот процесс получил название расширение спектра (Spreading Specter).
• Есть два способа разделить пользователей при множественном доступе с кодовым разделением каналов (CDMA): ортогональный многостанционный доступ и неортогональный многостанционный доступ, или асинхронный многостанционный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA).
• Для первого типа разделения применяются ортогональные функции Уолша и функции, получаемые на их базе. Это набор ортогональных последовательностей длиной , в которых используются только два значения: 1 и –1. Функции являются цифровыми “аналогами синусоид”. При кодировании обычно символ 1 заменяется на 0, а –1 на 1.
• Для объединения нескольких каналов при кодовом разделении каналов необходимо, чтобы псевдослучайные коды были разделимы с помощью корреляционного фильтра.
• Различаются взаимная корреляция — сравнение двух функций, ортогональная корреляция — при полной независимости двух функций и автокорреляция — сравнение функции с собой при сдвиге во времени.
• Ортогональные функции Уолша могут быть сгенерированы с использованием итерационного процесса построения матрицы Адамара.
• Неортогональные (асинхронные) псевдослучайные функции могут быть сгенерированы, используя сдвиговые регистры, сумматоры (сложение по модулю 2) и контуры обратной связи.
• Последовательности для каждого из каналов получаются путем умножением всех разрядов расширяющей последовательности на значение информационного бита.
• Для восстановления исходного сигнала каждый разряд суммарного сигнала умножается на соответствующий разряд расширяющей последовательности данного канала, после чего полученные результаты суммируются в пределах одного периода последовательности. Каждый интегральный сигнал имеет максимальное значение. В зависимости от этого вычисляется значение исходного символа.
• Основные элементы этой сети (BTS, BSC, MSC, ОМС) по составу совпадают с элементами, используемыми в сотовых сетях с временным разделением каналов.
• В состав сети CDMA IS-95 включены устройства оценки качества и выбора блоков (SU — Selector Unit). Кроме того, для реализации процедуры мягкого переключения между базовыми станциями, управляемыми разными контроллерами (BSC), вводятся линии передачи между SU и BSC (Inter BSC Soft handover).
• В CDMA каналы для передачи информации в направлении от базовой к мобильной станции называются прямыми (Forward), для приема базовой станцией от мобильной — обратными (Reverse). Для обратного канала IS-95 определяет полосу частот от 824 до 849 МГц. Для прямого канала — 869–894 МГц. Прямой и обратный каналы разделены интервалом в 45 МГц. Пользовательские данные упакованы и передаются в канале с пропускной способностью 1,2288 Мбит/с.
• В состав прямых каналов входят: пилотный канал (PICH), канал синхронизации, канал (SCH), канал широковещательного вызова, (PCH), прямой канал трафика (FTCH). В состав обратных каналов входят: канал доступа (ACH), канал обратного трафика (RTCH).
• Для передачи речи по каналам системы CDMA используются вокодеры с линейным предсказанием и кодовым возбуждением (CELP — Code Excited Linear Prediction).
• Базовая скорость передачи данных в канале составляет 9,6 Кбит/с, в прямом канале используется сверточное кодирование (convolution encoding): длина кодового ограничения , скорость кодирования (в обратном канале применяется сверточное кодирование со скоростью 1/3).
• Процесс перемежения битов осуществляется в пределах каждого блока длительностью 20 мс, содержащего при скорости передачи 19,2 Кбит/c 384 бита, с помощью матрицы.
• Для шифрования на информацию накладывается маска (псевдопоследовательность) длиной 42 бита.
• После включения MS настраивается на рабочую частоту сети и ищет сигнал базовой станции (в сети используется общий для всех базовых и подвижных станций короткий код). Подвижная станция выбирает сигнал с большим уровнем и таким образом получает когерентную опору для осуществления последующей демодуляции сигнала синхронизации.
• Безопасность связи обеспечивается также применением процедур аутентификации и шифрования сообщений. В CDMA используется стандартный алгоритм аутентификации и шифрования речи в сотовой связи (CAVE — Cellular Authentication Voice Encryption).

По характеру передачи разделяют [22, 111]:

При жесткой передаче соединения (hard handover) процесс переключения проводится без разрыва связи, но сопровождается ухудшением связи в момент переключения частот. Чаще всего прерывание и восстановление связи воспринимается абонентом как “щелчок” в трубке.

При жестком хэндовере осуществляется переход к новой базовой станции: в системе CDMA изменяются пилотные сигналы (используется новый набор, относящийся к новой соте) и проводится подстройка кадров трафика под систему синхронизации новой соты.

Сценарии жесткого хэндовера включают:

При мягкой передаче соединения (soft handover) предусматривается одновременная работа мобильной станции (MS) более чем с одной базовой станцией. В процессе хэндовера мобильная станция передает одну и ту же информацию обеим базовым станциям. Каждая базовая станция получает от мобильной станции сигнал с соответствующей задержкой распространения и затем передает его на устройство оценки качества и выбора кадров (SU — Selector Unit). Другими словами, две копии одного и того же кадра передаются SU, который выбирает лучший кадр и бракует другой. Переключение рабочего канала с одной базовой станции на другую происходит без ухудшения качества соединения, при этом используется пилот-сигнал из одного и того же набора соты. Такой процесс еще называют хэндовером с разнесением каналов (diversity handover). Разнесение улучшает характеристики канала в сети с замираниями. Главное преимущество мягкого хэндовера — разнесение трасс
для прямых и обратных каналов трафика, чтобы уменьшить интерференцию. Соответственно, требуется меньший расход энергии для передачи информации и для передачи сигналов от мобильных станций, что приводит к более длительному сроку использования заряда аккумулятора.

При более мягкой передаче (softer handover) во время хэндовера между секторами одной соты мобильная станция передает одну и ту же информацию обоим секторам одной соты. Канальный комплект соты получает сигналы от обоих секторов, объединяет оба входящих сигнала и передает устройству оценки качества и выбора кадров (SU) только один кадр. В этом случае не требуется задействовать несколько канальных комплектов, как это нужно в случае мягкого хэндовера. При мягком хэндовере такое объединение в одном канальном комплекте сигналов от двух сот не дает хорошего эффекта, поскольку сигналы от различных сот менее коррелированы, чем сигналы от секторов одной и той же ячейки.

Термин “пилот-сигнал” в системе CDMA означает кодовую последовательность, передаваемую вместе с другими сигналами в общей полосе частот. Все пилот-сигналы передаются с помощью пилотного канала (PICH), направленного от базовой станции к мобильной станции. Пилот-сигналы разделяются с помощью псевдослучайных последовательностей и передаются на одной и той же частоте. Пилотные сигналы содержат указание обслуживаемой соты или сектора. Излучение пилот-сигнала осуществляется непрерывно и в широковещательном режиме, чтобы его могли принять все мобильные станции, расположенные в зоне обслуживания данной базовой станции (BS). С помощью пилот-сигнала обеспечивается кадровая синхронизация и когерентное восстановление несущей (полностью совпадающей с исходной несущей). Мобильная станция различает следующие четыре группы пилотных сигналов.

Она содержит пилот-сигналы, связанные с каналами трафика, идущими от базовой станции (разделенными с помощью функций Уолша) и назначенными мобильной станции. Сигналы от этих трех разнесенных каналов (three fingers) объединяются с помощью приемника, суммирующего эти сигналы с соответствующими весовыми коэффициентами ( RAKE¹⁾ – receiver). Обычно в группе содержится три пилот-сигнала, однако стандарт IS-95 позволяет объединять до шести пилот-сигналов. Базовая станция сообщает мобильной станции о содержании активной группы каналов, применяя сообщение “назначения канала” (Channel Assignment message). Активные пилот-каналы либо отслеживаются, либо используются для обслуживания соединений.

Эта группа содержит пилот-сигналы, которые в данный момент не входят в активную группу. Однако эти сигналы получены с достаточной интенсивностью, которая указывает, что связанные с ними прямые каналы трафика могут быть успешно приняты. Максимальный размер группы — шесть пилот-сигналов.

Эта группа содержит соседние пилот-сигналы, которые в настоящее время не входят ни в активную группу, ни в группу кандидатов на пилот-сигнал, но их использование вероятно при хэндовере. Соседние пилот-сигналы — это сигналы всех сот (секторов), которые находятся в непосредственной близости от данной соты (сектора). Начальный список соседних пилот-сигналов передают мобильной станции в сообщении “системные параметры” по каналу вызова (FPCH). Максимальный размер группы соседних пилот-сигналов — двадцать.

Эта группа содержит все возможные пилот-сигналы в текущей системе, исключая сигналы, входящие в группы активных, кандидатов или соседние группы.

При поиске пилот-сигналов мобильная станция не ограничена точными рамками, которые указывают номер псевдокода (PN). Пилот-сигналы выбираются в пределах нескольких тактовых интервалов расширяющего сигнала с учетом различных сигналов, возникающих из-за многолучевости и расположенных в пределах нескольких чипов (тактовых интервалов расширяющего сигнала) от прямого указателя пути прямого трафика. Другими словами, сигналы, возникающие из-за многолучевости, прибывают позже на несколько тактовых интервалов. Мобильные станции при поиске каналов используют окно поиска. Это окно указывает возможные номера пилот-сигналов из группы активных или кандидатов и соседних, наиболее близких к многолучевому сигналу, который поступил раньше других. При этом в окно поиска могут включаться остальные каналы, не указанные в этих группах.

Мобильные станции используют следующие три окна поиска, чтобы проследить за получаемыми пилот-сигналами:

SRCH_WIN_A

SRCH_WIN_A — окно поиска, которое использует мобильная станция, чтобы проследить за наборами активных пилот-сигналов и кандидатов на пилот-сигнал. Это окно устанавливается согласно ожидаемой среде распространения. Оно должно быть достаточно большим, чтобы фиксировать все используемые многолучевые сигнальные компоненты базовой станции, и в то же самое время должно быть как можно меньше, чтобы оптимизировать работу по поиску.

Пример 1. Определим размер окна мобильной станции, если сигнал распространяется в среде, которая имеет следующие параметры:

Тогда длительность одного чипа равна:

время распространения сигнала на расстояние 1000 м (1 км) равно:

или время задержки в чипах:

При длине 5 км это время задержки равно 20,5 чипам.

Разность задержек равна:

Размер окна поиска , или 33 чипа.

Пример 2. Пусть соты A и B находятся на расстоянии 16 км друг от друга (рис. 4.1). Мобильная станция перемещается от соты A к соте B. Решено сделать область мягкого хэндовера между точками и , которые расположены на расстоянии 6 и 10 км от соты A (см. рис. 4.1).

Какой размер должен быть у окна поиска?

Используя результаты предыдущего примера, можно определить, что время задержки сигнала в чипах равно:

где — расстояние от источника сигнала до приемника в метрах.

В точке задержка сигнала от мобильной станции до соты A равна:

В точке задержка сигнала от мобильной станции до соты B равна:

Разность времен распространения равна:

Рис. 4.1.

 
Определение окна SRCH_WIN_A для мягкого хэндовера

В точке задержка сигнала от мобильной станции до соты A равна:

В точке задержка сигнала от мобильной станции до соты B равна:

Разность времен распространения равна:

Расчет гарантирует, что активные пилот-сигналы (кандидаты) находятся в пределах размеров одного окна и мягкий хэндовер возможен.

SRCH_WIN_N

SRCH_WIN_N – окно поиска, которое мобильный телефон использует, чтобы контролировать группу соседних пилот-сигналов. Размер этого окна обычно больше, чем SRCH_WIN_A. Достаточно большое окно требуется не только для того, чтобы фиксировать все годные к использованию мобильной станцией пилот-сигналы основной зоны обслуживания (с учетом многолучевости).Оно также должно фиксировать сигналы соседних сот. В этом случае мы должны принимать во внимание многолучевое разнесение сигналов и различия пути между обслуживающей основной станцией и соседними базовыми станциями.

Максимальный размер этого окна поиска ограничен расстоянием между двумя соседними базовыми станциями.

Рассмотрим две соседние станции, расположенные на расстоянии 6 км друг от друга. Пусть мобильная станция расположена прямо рядом с базовой станцией 1, и поэтому задержка распространения от базовой станции 1 к мобильной станции незначительна. Расстояние между основной станцией 2 и мобильным телефоном — 6 км.

Время распространения в чипах — 6000/244=24,6 чипа. Окно поиска показывает что пилот-сигнал от соты 2 прибывает к мобильной станции на 24,6 чипа позже, чем от соты 1. Таким образом, для мобильного телефона (расположенного в пределах ячеек 1 и 2), чтобы искать пилот-сигналы потенциальных соседей, окно SRCH_WIN_N должно быть установлено согласно физическому расстоянию между текущей базовой станцией и ее соседней базовой станцией. Фактически размер SRCH_WIN_N не может быть больше, чем вычисленный по этому расстоянию.

SRCH_WIN_R

Обычное требование к размеру этого окна — чтобы оно было по крайней мере такого же размера, как SRCH_WIN_N.

Есть четыре параметра хэндовера, T_ADD, T_COMP и T_DROP и T_TDROP которые относятся к измерению пилот-сигнала.

T_TDROP — параметр, который управляет таймером. Всякий раз, когда напряженность пилот-сигнала в активной группе падет ниже значения T_DROP, мобильная станция включает таймер. Если пилот-сигнал снова становится равным или выше T_DROP, таймер устанавливается повторно. Если время таймера T_TDROP заканчивается из-за того, что напряженность пилот-сигнала упала ниже T_DROP, то передается сигнал об исключении пилот-сигнала из соответствующей группы. Мобильная станция контролирует таймер снижения уровня сигнала для каждого активного пилот-сигнала или кандидата в пилот-сигналы.

Любой пилот-сигнал, который имеет достаточную напряженность, но не включен в активную группу, является источником помех. Этот сигнал должен быть немедленно включен в активную группу. Порог T_ADD показывает процент напряженности поля по сравнению с нормальным сигналом, после достижения которого этот пилот-сигнал может быть использован для хэндовера. Этот процент должен быть достаточно малым, чтобы можно было не уменьшать число полезных пилот-сигналов, и в то же время достаточно высоким, чтобы избежать использования каналов, имеющих плохое качество.

Сигнал о параметрах этого порога указывает, насколько уровень данного пилотного сигнала отличается от уровня других, входящих в данную группу (этот показатель должен быть равен или больше уровня других сигналов). Он влияет на процесс хэндовера, подобно T_ADD. Порог должен быть достаточно низким, чтобы хэндовер начался быстрее и качество связи не ухудшалось, и должен быть достаточно высоким, чтобы избежать ложных действий.

Он показывает порог нормального сигнала, ниже которого требуется начинать процесс хэндовера. Он должен быть достаточно малым, чтобы избежать браковки хороших каналов, и сопровождаться таймером, чтобы отличить кратковременные замирания. Значение T_DROP должно быть тщательно рассчитано с учетом значения T_ADD и таймера T_TDROP.

Оно должно быть больше, чем время, требуемое для окончания хэндовера. В то же время T_TDROP должен быть небольшим — для этого достаточно не удалять слишком быстро пилот-сигналы, пригодные для использования.

Табл. 4.1 показывает типичные значения параметров хэндовера.

Ниже термин “хэндовер” означает не только процесс переключения мобильной станции с одной станции на другую, но и периодическую корректировку состава группы пилот-сигналов.

В системе CDMA (IS-95) используются следующие сообщения хэндовера: “измерения напряженности пилот-сигнала” (PSMM — PilotStrength Measurement Message), “запрос хэндовера” (HDM — Handover Direction Message), “завершение хэндовера” (HCM — Handover Completion Message) и “обновление списка соседних пилот-сигналов” (NLUM — Neighbor List Update message).

Мобильная станция выделяет сигнал “измерение напряженности пилот-сигнала” (PSMM — PilotStrength Measurement message).Если этот сигнал ниже назначенного порога, то базовая станция назначает новый прямой канал трафика и посылает сигнал мобильной станции о начале хэндовера (HDM). Мобильная станция выделяет из сообщения номер нового канала трафика и передает базовой станции сигнал об “завершении хэндовера” (HCM).

Сообщение измерения напряженности пилот-сигнала (PSMM) содержит следующую информацию:

Сообщение запроса хэндовера (HDM) содержит следующую информацию:

Сообщение о завершении (HCM — Handover Completion Message) содержит следующую информацию:

Сообщение модернизации списка соседних пилот-сигналов (NLUM — Neighbor List Update message) передает базовая станция. Оно содержит самый последний соседний список пилот-сигналов в активном наборе.

Мобильная станция непрерывно следит за напряженностью всех пилот-сигналов. Эта напряженность сравнивается с различными пороговыми значениями:

Пилот-сигнал перемещается от одного набора к другому в зависимости от напряженности сигнала относительно заданного порога. Рис. 4.2 показывает пример использования пороговых значений при изменении состояния пилот-сигнала.

1. Если интенсивность сигнала превышает значение порога обнаружения пилот-сигнала (T_ADD), мобильная станция предает сигнал “измерение интенсивности пилот-сигнала” (PSMM) и переводит его в набор кандидатов на пилот-сигнал.
2. Базовая станция посылает сигнал “запрос хэндовера”, указывая пилот-сигнал, который будет введен в активный набор.
3. Мобильная станция (MS) вводит в использование новый канал трафика, пилот-сигнал вводится в активный набор и мобильная станция посылает сигнал “хэндовер завершен” (HCM).
4. Интенсивность пилот-сигнала понижается меньше T_DROP.
5. Истекает время таймера снижения уровня сигнала. Мобильная станция передает базовой станции сигнал измерения напряженности пилот-сигнала (PSMM).
6. Базовая станция передает сигнал “запроса хэндовера” (HDM) к мобильной станции.
7. Мобильная станция получает HDM. Пилот-сигнал входит в соседний набор, и мобильная станция передает сообщение о завершении хэндовера (HCM).
8. Мобильная станция получает сигнал о модернизации списка соседних пилот-сигналов (NLUM), в который не входит исключенный пилот-сигнал. Пилот-сигнал включается в набор остальных сигналов.

Рис. 4.2.

 
Пример использования пороговых значений: изменение состояния пилот-сигнала

Мобильная станция следит за установленным T_TDROP для каждого пилот-сигнала в активном наборе и в наборе кандидатов. Она запускает таймер всякий раз, когда напряженность соответствующего пилот-сигнала становится меньше, чем заданный порог. Мобильные станции сбрасывают и отключают таймер, если напряженность соответствующего пилот-сигнала превышает порог. Когда пилот-сигнал соседнего набора или набора остальных пилот-сигналов превышает T_ADD, мобильная станция устанавливает пилот-сигнал в набор кандидатов и передает PSMM базовой станции. Когда сигнальная напряженность пилот-сигнала в наборе кандидатов увеличивается и повышается выше уровня сигналов активного набора , сигнал PSMM посылается базовой станции, если уровень сигнала

(рис. 4.2 точка 2),

где — напряженность сигнала в наборе кандидатов, — напряженность сигнала в активном наборе.

Рис. 4.3.

 
Продвижение пилот-сигнала от набора соседних или остальных к активному набору

Отметим, что различают два типа хэндовера:

1. Управляемый базовой станцией (MAHO — Mobile Assisted Handover), при котором мобильная станция выполняет измерение интенсивности сигнала и передает эти данные на базовую станцию.
2. Управляемый мобильной станцией (MCHO — Mobile Controlled Handover), при котором уровень поступающих сигналов от разных базовых станций принимается мобильной станцией. Она же принимает решение, где и какой хэндовер ей необходим.

Ниже рассматривается метод MAHO.

Мобильная станция выполняет измерение интенсивности сигналов по пилотным каналам (Pilot Channel — PICH), получаемых от соседних базовых станций, и рассылает сообщения, содержащие данные о тех PICH, которые пересекли некоторые пороговые значения. Нас интересуют в данном случае два пороговых значения:

Эти пороговые значения составляют гистерезисную петлю, которая обеспечивает устойчивость процесса. Это означает, что каналы порога оценки низкой интенсивности уровня несколько выше порога высокой интенсивности.

Основываясь на полученной информации, мобильная станция может добавлять или удалять PICH в активном наборе.

Такая же информация собирается от множества базовых станций. Информация, поступающая от станций, различных секторов антенны или сигналы, проходящие по множеству путей, могут объединяться в один сигнал с помощью RAKE-приемников (суммирующих приемников). Тогда оценка пилот-канала идет по суммарному значению объединенного потока от данной станции.

Как правило, мягкий хэндовер улучшает характеристики системы, но может в некоторых ситуациях отрицательно воздействовать на пропускную способность системы и сетевые ресурсы. Для прямых линий связи при чрезмерно частом хэндовере уменьшается количество свободных линий и при этом расходуется больше сетевых ресурсов. Корректировка параметров хэндовера на базовых станциях не обязательно решает проблему.

Некоторые области в соте получают только слабые пилот-сигналы (требующие более низких порогов хэндовера), а другие области получают несколько сильных и доминирующих пилот-сигналов (требующих более высоких порогов передачи вызова). Для того чтобы добавлять в активный набор свободные пилот-сигналы, используются следующие принципы:

Условием выбора нового канала является неравенство

где — напряженность PICH выбираемого сигнала; — напряженность i-го PICH в активном наборе; — число PICH в активном наборе, а и — задаваемые системные параметры, регулирующие данные для конкретной системы.

Когда мощность в каналах PICH в активном наборе мала, то добавление даже слабого PICH улучшает рабочие характеристики. Однако когда есть один доминирующий PICH, появление дополнительного более слабого PICH выше не улучшит рабочие характеристики, но будет зря тратить ресурсы сети. Динамические пороги мягкой передачи вызова уменьшают и оптимизируют сетевое использование ресурса.

Действия при применении динамической мягкой передачи вызова (мягкого хэндовера) следующие.

• После обнаружения, что в сети есть PICH величиной отношения выше , мобильные станции передают назад к сети сообщение об этом. Сеть занимает ресурсы передачи вызова и передает команду мобильной станции демодулировать этот дополнительный PICH. Пилот-сигнал 2 добавляется к активному набору мобильной станции.
• Когда интенсивность PICH 1 (пилот-сигнал 1) уменьшается ниже динамического порога , процедура хэндовера удаляет PICH и возвращает его к набору кандидатов. Порог — функция полной энергии всех PICH в активном наборе. При удалении канала из активного набора общая мощность активных сигналов снижается. Мощность пилот-сигнала 1 продолжает падать, и если она снижается ниже статического порога , PICH удаляется из набора кандидатов. Сообщение о PICH, мощность передачи которого оказалась ниже порога (например, и ), передается назад к сети, только когда это состояние сохраняется в течение заданного периода времени. Это учитывается с помощью таймера, который предотвращает передачу сообщения в случае временных колебаний уровня мощности.

Рис. 4.4 показывает временную диаграмму мягкой передачи вызова с применением динамических порогов и связанных с этим событий, когда мобильная станция покидает обслуживающую базовую станцию (PICH 1) к новой базовой станции (PICH 2). Комбинация статических и динамических порогов (по сравнению с только статическими порогами) позволяет в результате уменьшить время и использование ресурса при мягкой передаче вызова.

Рассмотрим детально рис. 4.4.

1. Когда пилот-сигнал 2 достигает порога , мобильная станция перемещает его в набор кандидатов.
2. Когда пилот-сигнал 2 превышает порог (динамический), мобильная станция сообщает об этом сети.
3. Мобильная станция получает команду добавить пилот-сигнал 2 к активному набору.
4. Пилот-сигнал 1 падает ниже порога (относительно пилот-сигнала 2).
5. Таймер хэндовера для пилот-сигнала 1 истекает. Мобильная станция сообщает сети о его напряженности.
6. Мобильная станция получает команду удалить пилот-сигнал 1.
7. Таймер хэндовера истекает после того, как пилот-сигнал 1 оказался ниже порога .

Одно из главных преимуществ системы CDMA — способность мобильных станций установить связь более с чем с одной базовой станцией в течение одного и того же вызова. Эти функциональные возможности позволяют сети CDMA выполнить мягкий хэндовер. При мягком хэндовере вызова управляющая первичная базовая станция координирует свои действия с другими базовыми станциями. Каналы добавляются или удаляются из вызова. Это позволяет базовым станциям (общим количеством не свыше трех) получать/передавать пакеты речи от/к единственной мобильной станции для единственного вызова.

Процедура мягкого хэндовера повторяет процедуру жесткого хендовера. Исключение составляет заключительный этап. При мягком хэндовере подключение к новой станции BTS2 происходит до отключения текущей BTS1. Одновременная работа обеих станций в процессе хэндовера улучшает характеристики речевого тракта.

CDMA — система, чувствительная к взаимным помехам, поскольку все мобильные станции передают на той же самой частоте. Внутренняя интерференция, возникающая в пределах системы, играет критическую роль при определении пропускной способности и качества речи в этой системе. Мощность, излучаемая каждой мобильной станцией, должна управляться, чтобы ограничить взаимные помехи. Однако уровень мощности должен удовлетворять показателям качества речи.

Во время движения мобильной станции внешняя радиосреда изменяется непрерывно из-за медленных замираний, затенений, внешних помех и других факторов. Цель управления мощностью — ограничить передаваемую мощность прямых и обратных радиоканалов, постоянно поддерживая их качество при всех условиях внешней среды.

В базовой станции интерференция (помехи) по обратной линии (от мобильной станции к базовой) связи более критична, чем по прямой линии. Это возникает из-за невозможности идеально точного выделения индивидуального канала мобильной станции из общего потока (некогерентности связи). Поэтому управление мощностью обратной линии связи существенно для системы CDMA и обязательно предписывается стандартом.

Управление мощностью также необходимо в системах CDMA для того, чтобы решить проблему “ближний-дальний”. Решением этой проблемы в системе CDMA является гарантия, что все мобильные станции получают сигнал одной и той же мощности, которая выравнивается базовой станцией. Цель управления мощностью — определить минимально возможный уровень передачи, который позволяет линии связи выполнять определяемые пользователем характеристики:

Чтобы обеспечить определенные пользователем характеристики линии связи , мобильные станции, которые ближе к базовой станции, должны передавать меньшую мощность, чем те, которые находятся далеко от станции.

Качество речи связано с частотой появления ошибок в кадре (FER — Frame Error Rate) на прямой и обратной линиях связи. FER определяется как отношение количества кадров, принятых с ошибками, к общему числу переданных. FER в значительной степени задается отношением (Eb/N0)¹⁾, а также зависит от скорости передвижения транспортного средства, местных условий распространения радиосигналов и распределения каналов между работающими мобильными станциями. Этот параметр прямо характеризует качество речи в системе CDMA.

Рекомендованный диапазон характеристик:

Управление мощностью обратной линии связи (от мобильной станции к базовой) касается каналов доступа и обратных каналов трафика. Оно используется для предоставления линии связи при исходящем вызове и реакции на большие колебания пути распространения. Управление мощностью обратного канала связи включает управление мощностью по открытому циклу (также известное как автономное регулирование мощности) и управление мощностью по замкнутому циклу.

При управлении мощностью по открытому циклу мобильная станция сама определяет уровень мощности передачи, измеряя уровень мощности сигналов, поступающих по прямой линии. При этом предполагается, что потери на передачу в обоих направлениях равны.

Управление мощностью по замкнутому циклу предполагает измерение базовой станцией уровня мощности, принятой базовой станцией от мобильной станции, и выравнивание этого уровня по управляющему каналу.

Оно включает управление мощностью по внутреннему циклу и управление мощностью по внешнему циклу.

Управление мощностью по открытому циклу базируется на принципе, что чем ближе мобильная станция к базовой станции, тем меньше надо передавать мощности по сравнению с мобильной станцией, которая находится дальше от базовой станции или в зоне замирания.

Мобильная станция корректирует передачу мощности, базируясь на полной мощности (то есть энергии пилот-сигналов, сигналов оповещения, синхронизации и каналов трафика), полученной в полосе 1,23 МГц. Оценка мощности включает мощность, полученную от всех базовых станций на прямых каналах линии связи. Если полученная мощность высока, мобильная станция уменьшает передачу мощности; если полученная мощность низка, мобильная станция увеличивает передачу мощности.

При управлении мощностью по открытому циклу базовая станция не включается в цикл управления. Мобильная станция сама определяет начальную мощность, переданную по каналам доступа и трафика, используя управление мощностью по открытому циклу.

Большой динамический диапазон регулирования — 80 децибел — позволяет обеспечить защиту против замираний.

Главная цель управления мощностью в системах CDMA состоит в том, чтобы передавать только мощность, достаточную для требуемого вида работы. Если передаются сигналы мощности большей, чем необходимая, мобильная станция становится глушителем других мобильных станций. Поэтому мобильная станция пытается связаться с базовой станцией, передавая сначала сигналы очень малой мощности. При этом ключевое правило, что мобильная станция передает сигналы мощности, обратно пропорциональные тем, которые получает.

При получении сильного пилот-сигнала от базовой станции мобильная станция передает обратно слабый сигнал к базовой станции. Сильный сигнал, полученный мобильной станцией, указывает на малые потери распространения по прямой линии связи. Предполагается, что те же самые потери будут на пути по обратной линии связи. Поэтому от мобильной станции можно передавать сигнал низкой мощности, который требуется для компенсации таких потерь.

При получении слабого пилот-сигнала от базовой станции мобильная станция передает обратно сильный сигнал. Слабый сигнал, полученный мобильной станцией, указывает на высокие потери распространения по прямой линии связи. От мобильной станции в этом случае требуется высокий уровень мощности.

Процесс управления мощностью заключается в посылке от мобильной станции сигнала на изменение мощности. Подтверждением получения этого сигнала являются результаты измерений мощности прямых каналов.

В целом процесс передачи одного сообщения и получение реакции в виде изменения мощности называется попыткой доступа (access attempt). Каждая передача в попытке доступа названа пробой доступа (access probe). Мобильная станция передает то же самое сообщение в каждой пробе доступа в попытке доступа. Проба доступа считается успешной, если в течение определенного временного интервала от сети поступит сигнал подтверждения (разрешение доступа по сети). Каждая попытка доступа состоит из проб доступа, которые передаются по тому же самому каналу доступа.

Каждая проба доступа содержит преамбулу канала доступа и капсулу (message capsule) канала доступа длиной от 3 до 16 кадров — это сообщение фиксированного формата, которое состоит из информационной последовательности и битов заполнения, заполняющих сообщение (если это необходимо). В пределах попытки доступа пробы доступа сгруппированы в последовательности. Каждая последовательность проб доступа состоит из свыше 15 проб, которые передаются по тому же самому каналу доступа.

Есть две причины, которые могут помешать мобильной станции получить подтверждение после передачи пробы.

1. Переданный уровень мощности может быть недостаточным. В этом случае помогает решить проблему стратегия увеличения шага наращивания мощности.
2. Конфликт может быть из-за случайного занятия канала доступа несколькими мобильными станциями. В этом случае случайное время ожидания минимизирует вероятность будущего конфликта.

В качестве подтверждения мобильная станция получает от базовой станции по каналу вызова PCH параметры доступа, которые позволяют ей осуществлять алгоритм управления мощностью.

Рис. 4.5.

 
Проба доступа, последовательность проб доступа при управлении мощностью по открытому циклу

Параметры доступа:

Алгоритм управления мощностью состоит в том, что в каждой последующей пробе доступа уровень мощности дискретно увеличивается на величину (размер шага наращивания мощности).

Текущее значение мощности определяется соотношением:

где — начальное смещение (исходное значение); — номер пробы в одной попытке доступа.

Пробы доступа передаются до тех пор, пока не будет получен ответ на запрос или не закончится контрольное время, отведенное для доступа.

Текущее значение определяется формулой:

где:

, , – это системные параметры, указанные в сообщении параметров доступа. Они должны быть получены мобильной станцией до начала передачи. Эти параметры имеют следующие взаимно ограничивающие диапазоны:

– значение, учитывающее предыдущие коррекции для получения мощности передачи на основании полученной мощности .

обычно устанавливается на 0, но эта величина может быть использована для коррекции величины уровня средней мощности в конкретных условиях.

При установлении соединения, базируясь на информации, полученной из каналов пилот-сигнала, синхронизации и каналах вызова, мобильная станция делает попытки обращения к системе через один из нескольких каналов доступа. В состоянии поиска доступа мобильная станция не назначает прямой канал трафика (который содержит биты регулирования мощности), а инициирует свою настройку мощности, необходимую для работы.

Если в результате обработки этих данных вырабатывается сообщение о начале и завершении хэндовера, то значения изменяются, и мобильная станция использует значения, содержащиеся в этих сообщениях.

Для каждой последовательности проб доступа генерируемое время ожидания ответа на запрос — псевдослучайное. Интервал между пробами доступа последовательности пробы доступа также генерируется псевдослучайно.

После передачи каждой пробы доступа мобильная станция ждет TA. Если подтверждение получено, попытка доступа закончена. Если подтверждение не получено, следующая проба доступа передается через дополнительное случайное время (см. рис. 4.5) ожидания ответа на запрос (back-off delay).

Если мобильная станция не получает подтверждение в течение попытки доступа, то это рассматривается как отказ, и мобильная станция делает попытку доступа в другое время.

Если мобильная станция получает подтверждение от базовой станции, она продолжает процедуры регистрации и назначения канала трафика.

Главный недостаток этого метода заключается в том, что статистика распространения по обратной линии оценивается по статистике распространения по прямой линии связи. Но, так как две линии связи не всегда являются коррелированными, при использовании этой процедуры могут возникать существенные ошибки. Однако эти ошибки будут скорректированы, когда мобильная станция занимает прямой канал трафика и механизм управления мощностью по замкнутому циклу становится активным.

Основные недостатки при управлении мощностью прямого канала по открытому циклу:

Источники, на которые воздействуют замирания от многолучевости, требуют намного более быстрого регулирования мощности, чем управление мощностью по открытому циклу. Дополнительные корректировки мощности, которые необходимы для компенсации потерь замирания, вырабатываются механизмом управления мощностью по замкнутому циклу обратных линий связи. Он имеет время ответа 1,25 мс для шага регулировки 1 децибел и динамический диапазон 48 децибелов (покрываемый за 3 кадра). Более короткое время ответа дает этому механизму возможность полностью заменить в практических приложениях механизм управления мощностью по открытому циклу. Совместное применение этих двух независимых механизмов регулирования мощности охватывает динамический диапазон по крайней мере 80 децибел. Управление мощностью по замкнутому циклу обеспечивает коррекцию управления мощностью по открытому циклу.
На канале трафика мобильные и базовые станции совместно участвуют в управлении мощностью по замкнутому циклу.

Механизм управления мощностью по замкнутому циклу обратной линии связи состоит из двух внутренних циклов: внутреннее регулирование мощности и управление мощностью по внешнему циклу. Управление мощностью по внутреннему циклу сохраняет у мобильной станции уровень мощности как можно ближе к установленному отношению ( ), затем управление мощностью по внешнему циклу корректирует мощность передачи базовой станции к отношению ( ) для данной мобильной станции.

Для понимания работы механизма управления мощностью по замкнутому циклу рассмотрим структуру прямого канала трафика и принципы его работы. Подканал регулирования мощности прямого канала трафика непрерывно передает информацию. Этот подканал достигает скорости 800 битов регулирования мощности в секунду. Следовательно, бит регулирования мощности (0 или 1) передается каждые 1,25 мс. Нулевые биты указывают мобильной станции, что она должна увеличить свой средний уровень мощности на выходе, тогда как 1 указывает мобильной станции, что надо уменьшить ее выходной уровень мощности.

20-миллисекундный кадр образуется 16 временными интервалами равной продолжительности (рис. 4.6).

Эти временные интервалы, каждый из 1,25 мс, называются группами управления мощностью (PCGs — Power Control Group). Таким образом, кадр имеет 16 PCGs. До передачи обратный поток выходных данных перемежителя канала трафика оборудован на входе фильтром времени, который позволяет передачу или удаление некоторых символов.

Рис. 4.6.

 
Группы управления мощностью

Табл. 4.2 указывает число PCG, которые передаются при различных скоростях передачи кадра.

Величина вставок (gated-on) и исключений (gated-off) групп определяется генератором случайных чисел (DBR — Data Burst Randomizer). На базовой станции приемник обратной линии связи оценивает полученную интенсивность сигнала, измеряя ( ) в течение времени каждой группы мощности (1,25 мс).

Аналогично передаче по прямой линии связи, подканалы обратной линии передачи связи организованы в кадры по 20 мс. Каждый кадр разделяется на 16 PCG Передача бита регулирования мощности возникает на прямом канале трафика в PCG после соответствующей оценки интенсивности сигнала. Например, если интенсивность сигнала по прямому каналу трафика определена в группе управления мощностью 2 (PCG № 2) кадра обратной линии связи, то нужно передать соответствующий бит регулирования мощности в группе управления мощностью № 4 (PCG № 4) в кадре прямой линии связи (рис. 4.7). Как только мобильная станция получает и обрабатывает прямой канал линии связи, она извлекает биты регулирования мощности из прямого канала трафика. Эти биты позволяют мобильной станции точно подстраивать мощность передачи по обратной линии связи.

Рис. 4.7.

 
Размещение групп управления мощностью в прямой и обратной линии связи

Базируясь на применении битов регулирования мощности, получаемых от базовой станции, мобильная станция либо увеличивает, либо уменьшает уровень передачи мощности в обратном канале трафика так, как это необходимо для того, чтобы приблизиться к заданному значению ( ) или установленной норме частоты ошибок в кадре (FER). Каждый бит мощности производит изменение на 1 децибел мощности передачи мобильной станции, то есть пытается перенести измеряемое значение ( ) ближе к его расчетному значению. Обратим внимание, что попытка может быть не всегда успешной, потому что значение уровня шума изменяется. Может потребоваться дальнейшая корректировка, чтобы добиться желаемого ( ). Базовая станция с помощью мобильной станции может изменить только и отношение к .
Базовая станция измеряет ( ) 16 раз в каждом 20-миллисекундном кадре. Если измеренное отношение ( ) больше, чем заданное значение этого отношения, то базовая станция сообщает мобильной станции, что надо уменьшить мощность на 1 децибел. В противном случае базовая станция указывает мобильной станции, что надо увеличить мощность на 1 децибел (рис. 4.8).

Рис. 4.8.

 
Управление мощностью обратного канала по замкнутому циклу

Алгоритм управления мощностью обратной линии (от мобильной станции к базовой) по замкнутому циклу приведен на рис. 4.9.

Рис. 4.9.

 
Алгоритм управления мощностью обратной линии (от мобильной станции к базовой) по замкнутому циклу. Алгоритм управления мощностью прямой линии на базовой станции

Последовательность действий следующая.

1. Устанавливаются заданные значения максимального уровня сигнала и (оператор 1).
2. Принимаются от мобильной станции в группе управления мощностью результаты измерений уровня (оператор 2).
3. Определяется текущее значение уровня (оператор 3) и сравнивается с предыдущим. В зависимости от результата сравнения выбирается последовательность дальнейших действий.
4. Проверяется, не больше ли оно максимально разрешенного уровня (текущее ) (оператор 4).
5. Если больше, то мощность уменьшается на 1 дБ (оператор 5). В противном случае базовая станция указывает мобильной станции, что надо увеличить мощность на 1 дБ (оператор 6). В обоих случаях после выполнения операторов — переход к п. 2.
6. Осуществляется сравнение текущего уровня с минимальным (оператор 7).
7. Если оно меньше, то переход к п. 8, если нет, то передается команда к мобильной станции “уменьшить ” на 1 дБ (оператор 8) и происходит переход к п. 2.
8. Включается таймер, который позволяет определить устойчивое снижение уровня от кратковременного замирания сигналов (оператор 9).
9. Если время истекло, то мобильной станции передается команда “увеличить на 1 дБ” (оператор 11) и осуществляется переход к п. 2.

Основная цель управления мощностью прямой линии связи (FLPC — Forward Link Power Control) — сокращение интерференции на прямой линии связи.

FLPC не только ограничивает интерференцию в пределах соты, но и особенно эффективно сокращает влияние на другую соту или сектор.

Соотношения между и соответствующим FER нелинейны и изменяются при изменении скорости мобильного средства и среды радиораспространения. Рабочие характеристики с увеличением скорости мобильного средства ухудшаются. Лучшие рабочие характеристики соответствуют стационарному транспортному средству, где доминирует белый гауссов шум.

Обратим внимание на то, что значение уровня шума изменяется. Поэтому может потребоваться частая корректировка, чтобы добиться желаемого отношения . Базовая станция с помощью мобильной станции может изменить только и отношение . Алгоритм процесса управления мощностью прямых линий показан на рис. 4.10.

Сохранение постоянного значения для всех состояний мобильной станции — неэффективный метод. Использование единственного фиксированного значения для загружает пропускную способность каналов на 30 % или больше, передавая чрезмерную и ненужную мощность. Поэтому на базовой станции для управления мощностью вместо измерения применяется измерение частоты появления ошибок в кадре (FER). Частота появления ошибок в кадре — одна из наиболее важных характеристик линии связи. Напомним, что она определяется отношением числа неправильно принятых кадров к общему числу переданных.

Так как FER — прямая характеристика качества линии связи, система управляется, используя измерения FER, а не . FER — ключевой параметр в управлении и обеспечении удовлетворительного качества речи. Недостаточно поддерживать расчетное значение , но необходимо управлять FER по мере возникновения ошибок.

Процесс управления мощностью прямых линий связи (см. рис. 4.10) делает попытки установить минимальную мощность для каждого канала трафика, который мог бы поддерживать минимальный FER на мобильной станции. Мобильная станция непрерывно измеряет FER в прямом канале трафика и периодически извещает об этом измерении базовую станцию. После получения отчета об измерении базовая станция предпринимает соответствующие действия для увеличения или уменьшения мощности канала.

Алгоритм работы процесса управления мощностью прямых линий показан на рис. 4.10.

Рис. 4.10.

 
Алгоритм работы процесса управления мощностью прямых линий

1. На базовой станции устанавливается порог , выше которого не может расти значение частоты появления ошибок.
2. После получения результатов измерения на базовой станции сравнивается полученное значение с пороговым .
3. Если , то выполняется п. 4. В противном случае — п. 5.
4. Мобильной станции передается команда “уменьшить мощность сигнала на 1 дБ”, после чего процесс переходит к п. 2.
5. Включается таймер.
6. Если время не истекло, то процесс переходит к выполнению п. 2. Если время истекло, то выполняется п. 7.
7. Передается команда к мобильной станции “увеличить мощность сигнала на 1 дБ”, процесс переходит к выполнению п. 2.

Базовая станция также ограничивает динамический диапазон мощности так, чтобы передаваемая мощность никогда не превысила максимальное значение, что могло бы вызвать чрезмерную интерференцию, или не снижалась ниже минимального значения, требуемого для адекватного качества речи.

При многостанционном доступе с кодовым разделением используется раздельная обработка отраженных сигналов, приходящих с разными задержками, и последующее их весовое сложение, что значительно снижает отрицательное влияние эффекта многолучевости. При раздельной обработке лучей в каждом канале приема на базовой станции применяется 4 параллельно и независимо работающих коррелятора, а на подвижной станции — 3 коррелятора. Приемник с несколькими каналами приема и обработки сигнала получил название RAKE-приемника. Он имеет 4 канала приема, в трех из них одновременно обрабатываются три наиболее сильных сигнала (в четвертом канале постоянно осуществляется поиск сигнала с более высоким уровнем). При этом опорный сигнал на разные корреляторы подается с небольшим сдвигом во времени, соизмеримым с разницей по времени при прохождении радиоволн по различным траекториям. Выходные сигналы корреляторов суммируются. Таким образом, если уровень сигнала свертки
от одного из многолучевых сигналов в текущий момент оказывается равным нулю (в результате интерференционной картины распределения поля), то свертка от задержанного сигнала будет отличной от нуля. Следовательно, в системе с кодовым разделением каналов реализуется метод временного разнесения приема. Многолучевое распространение радиосигналов, с которым приходится бороться всем стандартам сотовой связи, в данном случае становится помощником. В случае построения фиксированных сетей многолучевые отражения позволяют снизить требования к уровню сигнала, приходящего к абонентской станции.

• При жесткой передаче соединения (hard handover) процесс переключения проводится без разрыва связи, но сопровождается ухудшением связи в момент переключения частот. Чаще всего прерывание и восстановление связи воспринимается абонентом как “щелчок” в трубке.
• При мягкой передаче соединения (soft handover) предусматривается одновременная работа мобильной станции (MS) более чем с одной базовой станцией (BSC).Во время процесса хэндовера мобильная станция передает одну и ту же информацию обеим базовым станциям.
• При более мягкой передаче (softer handover) во время хэндовера между секторами одной соты мобильная станция передает одну и ту же информацию обоим секторам одной соты. Канальный комплект соты получает сигналы от обоих секторов, объединяет оба входящих сигнала и передает устройству оценки качества и выбора кадров (SU) только один кадр.
• Термин “пилот-сигнал” в системе CDMA означает кодовую последовательность, передаваемую вместе с другими сигналами в общей полосе частот. Все пилот-сигналы передаются с помощью пилотного канала (PICH), направленного от базовой станции к мобильной станции.
• Группа активных сигналов содержит пилот-сигналы, связанные с каналами трафика, которые идут от базовой станции (разделенные с помощью функций Уолша) и назначены мобильной станции.
• Группа кандидатов на пилот-сигнал содержит пилот-сигналы, которые в настоящее время не входят в активную группу. Связанные с этой группой прямые каналы трафика могут быть успешно приняты.
• Группа соседних пилот-сигналов содержит сигналы, которые в данное время не входят ни в активную группу, ни в группу кандидатов на пилот-сигнал, но их использование вероятно при хэндовере.
• Мобильные станции используют следующие три окна поиска, чтобы проследить за получаемыми пилот-сигналами: для активных наборов и наборов кандидата; набора соседних пилот-сигналов; набора остальных сигналов.
• Существует четыре параметра управления хэндовером: порог обнаружения пилот-сигнала, порог сравнения, порог снижения пилот-сигнала, значение времени таймера снижения.
• Сообщения хэндовера в IS-95: сообщение измерения напряженности пилот-сигнала (PSMM — PilotStrength Measurement message), сообщение запроса хэндовера (HDM —Handover Direction Message), сообщение о завершении (HCM — Handover Completion message) и сообщение модернизации списка соседних пилот-сигналов(NLUM — Neighbor List Update message).
• Различают два типа хэндовера: управляемый базовой станцией (MAHO —Mobile Assisted Handover) и управляемый мобильной станцией (MCHO — Mobile Controlled Handover).
• Оценка пилот-канала идет по суммарному значению объединенного потока от данной станции. Информация, поступающая от множества базовых станций и различных секторов антенны, или сигналы, проходящие по множеству путей, объединяются в один сигнал с помощью RAKE-приемников (суммирующих приемников).
• CDMA — система, чувствительная к взаимным помехам. Так как все мобильные станции передают в одной и той же частоте, внутренняя интерференция, возникающая в пределах системы, играет критическую роль при определении пропускной способности и качества речи в этой системе. Мощность, излучаемая каждой мобильной станцией, должна управляться, чтобы ограничить взаимные помехи. Однако уровень мощности должен удовлетворять показателям качества речи.
• Управление мощностью обратного канала связи включает управление мощностью по открытому циклу (также известное как автономное регулирование мощности) и управление мощностью по замкнутому циклу.
• Управление мощностью по открытому циклу: мобильная станция сама определяет уровень мощности передачи, измеряя уровень мощности сигналов, поступающих по прямой линии.
• Управление мощностью по замкнутому циклу предполагает измерение базовой станцией уровня мощности, принятой базовой станцией от мобильной станции, и выравнивание этого уровня по управляющему каналу. Подтверждением получения этого сигнала являются результаты измерений мощности прямых каналов.
• В целом процесс управления мощностью по открытому циклу передачи одного сообщения и получения подтверждения сообщения называется попыткой доступа (access attempt). Каждая передача в попытке доступа названа пробой доступа (access probe).
• Механизм управления мощностью по замкнутому циклу обратной линии связи состоит из двух внутренних циклов: внутреннее регулирование мощности и управление мощностью по внешнему циклу. Управление мощностью по внутреннему циклу сохраняет у мобильной станции уровень мощности как можно ближе к установленному отношению ( ), затем управление мощностью по внешнему циклу корректирует мощность передачи базовой станции к отношению ( ) для данной мобильной станции.
• Процесс управления мощностью прямых линий связи делает попытки установить минимальную мощность для каждого канала трафика, который мог бы поддерживать минимальный FER на мобильной станции. Мобильная станция непрерывно измеряет FER прямого канала трафика и периодически извещает об этом измерении базовую станцию. После получения отчета об измерении базовая станция предпринимает соответствующие действия для увеличения или уменьшения мощности канала.
• В станциях стандарта CDMA используется раздельная обработка отраженных сигналов, приходящих с разными задержками, и последующее их сложение, что значительно снижает отрицательное влияние эффекта многолучевости.

1. Используя табл. 3.2, показать взаимную ортогональность приведенных в ней функций Уолша. (Использовать попарные сочетания.)
2. Используя матрицу Адамара, получить функции Уолша .

   На основании полинома

   нарисовать схему генератора последовательности максимальной длины.

3. Выполнить ортогональное кодирование трех каналов с исходной информацией:
   Для кодирования выбрать код Уолша из табл. 3.3.
   1. Представить диаграммы информации для каждого кодированного канала и суммарную диаграмму в канале.
   2. Представить таблицу ортогонального кодирования.
4. По результатам диаграммы упражнения 4 показать диаграмму восстановления для каждого канала.
5. Показать невозможность восстановления функции с помощью последовательности, не входящей в объединенный сигнал.
6. Определить размер окна мобильной станции, если сигнал распространяется в среде, которая имеет следующие параметры:
7. Пусть соты A и B расположены так, как это показано на рис. 4.1, но находятся на расстоянии 12 км (см. рис. 4.1). Мобильная станция перемещается от соты A к соте B. Решено сделать область мягкого хэндовера между точками X и Y, которые расположены на расстоянии 4 и 8 км от соты A. Какой размер должен быть у окна поиска?
8. На основании рис. 4.2 нарисовать алгоритм изменения состояния пилот-сигнала при пересечении пороговых значений. Использовать операторы приема результатов измерений, включения таймеров и состояния нахождения в различных группах.
9. На основании рис. 4.2 нарисовать диаграмму обмена сигналами при мягком хэндовере.

Приведены основные требования к выполняемому набору услуг, рассмотрены различные типы систем третьего поколения.

Многие из будущих приложений мобильных систем третьего поколения (3G) обнаруживаются по мере разработки стандартов этого поколения [105]. В первую очередь разрабатываются и внедряются такие услуги, как доступ к беспроводным услугам Интернет, постоянный доступ к Сети, диалоговому видео и речи для сопровождения компьютерных услуг.

Термин 3G стал довольно неопределенным. Ранее положение о системах третьего поколения были определены достаточно точно в рамках стандартов. Они ставили цель обеспечить пользователям мобильной связи характеристики услуг не хуже, а может быть и лучше, чем в системе ISDN при скорости обмена 144 Кбит/с.

Некоторые первоначальные стандарты, переходные от поколения 2G к 3G, такие как стандарт “общая служба пакетной радиопередачи” (GPRS — General Packet Radio Service) и IS-95, могли обеспечивать характеристики, близкие к намеченным в 3G при некоторых оптимальных условиях. Например, служба пакетной передачи составляет не более 115 Кбит/с. Системы третьего поколения вначале не были предназначены для широкого использования из-за дорогих терминалов и оборудования базовых станций.

Технологически увеличение скоростей реализуется несколькими способами: расширением используемого спектра и новыми методами модуляции, применяющими сжатие данных при заданном частотном диапазоне. Например, новые методы модуляции заменяют традиционную двоичную систему системой с большим значением одного разряда (амплитудно-фазовая модуляция).

Требования к системам 3G наиболее полно сформулированы в рекомендациях IMT-2000 Международным союзом электросвязи (МСЭ). Наиболее важные из них:

В Европе (рис. 5.1) преобладает тенденция разработки систем на основе CDMA, совместимых с GSM (в частности, с японскими системами), но не предусматривается совместимость в глобальном масштабе.

В США имеется много сторонников эволюционного развития CDMA One к системе CDMA-2000. При этом ни один из стандартов не предполагает взаимодействия с европейской и японской системой.

Операторы DAMPS и GSM являются сторонниками дальнейшего развития систем на базе временного разделения каналов (TDMA). В результате пока глобальный роуминг видится возможным только с использованием многорежимного телефона.

Последнее требование особенно важно для поставщиков услуг, операторов и производителей аппаратуры. Они заинтересованы в том, чтобы предоставлять лучшие услуги (естественно, получая прибыли), но при этом сохранить доходы с уже вложенных средств (защита инвестиций). Поэтому наиболее подходящим является эволюционный путь развития. Один из многих вариантов [21, 65, 82, 83, 114, 130] такой эволюции показан на рис. 5.1.

увеличить изображение
Рис. 5.1.

 
Пути эволюции к системе 3G

В связи с этим разрабатываемые стандарты должны предусматривать совместимость с их предшественниками. Конечная цель заключается в том, чтобы имеющиеся телефоны могли обслужить соединение при перемещении мобильной станции между сотами, базирующимися на старых и новых технологиях.Имеются различные направления эволюции.

В апреле 2007г. Федеральным агентством связи (Россвязь) проводился конкурс на право предоставления услуг подвижной радиотелефонной связи с использованием полос частот в трех диапазонах 1935-1950 МГЦ, 2022-2022 МГЦ, 2125, 2140 МГЦ. Это по сути явилось началом внедрения услуг 3G на территории России. Если рассмотреть сегодняшние прогнозы систем 3G, то они сводятся к трем моментам:

1. Системы, относящиеся к 3G, являются наиболее совместимыми с существующим оборудованием, дешевыми и имеют большие перспективы развития, поскольку в них вложены большие средства и имеется хорошая административная база.
2. Россия имеет уникальный шанс сразу перейти на широкополосную систему (наиболее вероятно – это система WiMAX, о ней будет сказано далее).
3. Система 3G и широкополосные системы имеют разные сектора применения на рынке услуг и могут существовать параллельно.

Рассмотрение доводов в защиту каждого из этих направлений выходит за рамки этой книги. Ниже приведены основные сведения о системах, охватываемых понятием систем 3G, и их характеристикам. Естественно, что системы развиваются стремительно во времени, и в ближайшее время можно ожидать новых свойств, например, повышения скоростей и расширения услуг до уровня, сравнимого с сиcтемами широкополосной мобильной связи

Работы по созданию системы 3G начались в 1992 г., когда стало ясно, что мобильные системы играют все более и более важную роль. Международная исследовательская группа предсказала, что через 10 лет мобильные телефоны составят конкуренцию стационарной сети [128]. Однако в некоторых странах это предсказание осуществилось несколько раньше.

Работы были начаты в проекте, который получил название FPLMTS (Future Public Land Mobile Telephone System — будущая система мобильной телефонной связи) [125]. Акроним был несколько неуклюжий даже по сравнению с другими принятыми в жаргоне телекоммуникаций, так что ITU скоро принял немного более удобное название IMT-2000 (International Mobile Telecommunication — 2000 — Международная мобильная связь – 2000).

Проект ITU-2000 ставил цели:

Ни одна из этих задач не была полностью выполнена, но название закрепилось.

Скорость данных, поставленная в виде цели, в настоящее время достижима, но только при некоторых оптимальных условиях.

Наиболее важно, что не каждая страна разрешила запрошенный ITU частотный диапазон. Европа и многие из азиатских стран это сделали, но США пока не могут отвести для IMT-2000 весь запрашиваемый спектр. Технология IMT-2000 в США считается важной, и в перспективе отсутствие новой пропускной способности заставит США вступить на этот путь.

FPLMTS (будущая система мобильной телефонной связи) [125] рассматривала только мобильную телефонную связь и мобильную передачу данных. IMT-2000, как предполагалось, сможет охватывать все возможные применения беспроводной связи. Например:

Беспроводные сети IMT-2000 могли бы впервые предоставить связь более бедным странам, обеспечивая их сравнительно дешевым и быстрым путем совместного развития наземных и мобильных линий связи.

Теоретически, ориентируясь на использование всех типов беспроводных услуг по единственной системе радиосвязи, пользователи могли приобретать для них единое устройство. Они могли использовать мобильный телефон как домашний переносной телефон или даже делать вызовы через спутник посреди океана. Промышленность могла бы экономить деньги, потому что составляющие устройство компоненты развивались бы для одного типа технологии и могли бы легко применяться в разных странах.

Первоначально МСЭ надеялся создать единый стандарт универсальной системы подвижной связи, однако по прошествии времени стало ясно, что, несмотря на относительную несложность формулировки основных требований к системе 3G, весьма непростым вопросом оказалась разработка стратегии достижения этих требований. Большинство этих идей было оставлено к 1999 г., когда были созданы первые прототипы оборудования IMT-2000.

Рис. 5.2.

 
Конвергенция различных технологий в IMT-2000

Фиксированные беспроводные системы (беспроводный доступ и локальные сети) лучше всего работают на намного более высоких частотах, чем обычные мобильные телефоны.

Спутниковые телефоны являются более дорогими и имеют намного большие размеры, чем те, которыми готово воспользоваться большинство людей. Беспроводные LAN получают развитие в некоторых областях — например, беспроводная работа по Интернету на улице и в движении, но реализация этих стандартов в рамках IMT-2000 маловероятна, поэтому IMT-2000 сегодня имеет наиболее эффективную цель — это высокоскоростная передача данных по сотовой сети.

Первоначально ITU IMT-2000 определяло только скорости передачи данных.

Предложены три различных скорости, каждая для различного типа информации ISDN, а также стандарт на несущие частот для основных сетей передачи речи.

Предлагаются следующие скорости:

Идея применения высоких скоростей заключается в создании маленьких пикосот (picocells), которые могли бы быть установлены в общественных местах, таких как вокзалы или залы прибытия и отправления в аэропортах, давая людям возможность обращаться к высоким скоростям передачи данных.

Эти рекомендации по скоростям были предложены для служб, показанных на рис. 5.2, в 1992 г., когда Интернет не был еще широко известен вне академических и технических кругов. IMT-2000 задумывался для того, чтобы формировать только мобильную часть Интернета, дополняя наземную службу.

Когда Интернет вошел в общественное и коммерческое пользование, ITU убедилось, что интернет-сеть стала одним из наиболее важных аспектов использования технологии IMT-2000. Это повлекло за собой дополнительные требования для поддержания протоколов, связанных с сетью коммутации пакетов. Предварительно установленные скорости обмена данных коммутационных каналов, как в цифровой сети интегрального обслуживания (ISDN), остались неизменными.

В 1992 г., возможно, еще не были обнаружены многие из окончательных приложений 3G. Однако сейчас для промышленности ясны направления, по которым надо двигаться. Тенденция конвергенции к третьему поколению стремится объединить Интернет, телефоны и широковещательные средства обмена информацией в едином устройстве.

Для этого система IMT-2000 должна в основном обеспечивать шесть широких классов обслуживания. В настоящее время операторы могут предложить службы на скорости передачи данных не свыше 2 Мбит/c, и клиенты смогут оценить, будут ли они покупать новое устройство в будущем, независимо от того, что они могут позволить себе сейчас.

Описание этих служб также полезно для людей, планирующих количество и ассортимент продаж, и, возможно, для людей, которые будут покупать терминалы, когда они наконец станут доступными.

Три сервисных класса уже существуют до некоторой степени на сети 2G, в то время как имеются три новых, которые включают в себя мультимедиа-службы.

Эта услуга может быть предоставлена на скорости 4–32 Кбит/с. Даже учитывая, что в будущем появится быстродействующая передача данных, эта служба не может рассматриваться как новая услуга. Для рынка мобильной связи 3G сможет предложить качество вызова не лучше, чем хорошая современная стационарная телефонная сеть. Голосовая почта также будет стандартна, в конечном счете полностью интегрирована с электронной почтой и, может быть, только дополнена компьютеризированным распознаванием голоса и синтезированной речью для передачи сообщений диктора.

Данная услуга — дополнительно расширенная служба, объединенная с электронной почтой Интернета при скорости 9,6–14,4 Кбит/с.

В отличие от текстовых служб передачи сообщений и передачи коротких сообщений SMS, которые встроены в некоторые системы, 2G поколения, 3G позволяют почтовые текстовые вложения. Эта служба будет применяться для расчетов за услуги и для электронных продаж (покупок).

Этот класс включает процедуры отправления с помощью факса и автоматическое подключение с набором номера к телефонной сети или Интернету, с коммутацией доступных каналов. Доступ, использующий автоматическое подключение с набором номера, устаревает, так что этот класс главным образом включен для того, чтобы обеспечить работу с существующим оборудованием. Термин “коммутируемые данные” в 3G обычно обозначает информацию от любого изделия, которое не работает с сетью коммутации пакетов, а использует услуги сети ISDN. Предлагаемая скорость этой услуги — 144 (64) Кбит/c.

Это, вероятно, будет самая популярная служба 3G. Его скорость данных потока “сеть — пользователь” идеальна для веб-навигации, если предположить, что сеть к тому времени, когда 3G станет доступным, не изменится до неузнаваемости. Другие приложения включают совместную работу на компьютере, игры, определение местоположения с предоставлением карты местности, директивы передвижения от одной точки местности до другой и т. п. Предлагаемая скорость этой службы — 128–384 Кбит/c.

В настоящее время предлагается асимметричная работа такой службы со скоростью 384–2048 Кбит/c. Этот класс может использоваться для очень быстродействующего доступа к Интернету, а также для передачи по требованию видео высокой четкости и аудио (качественные CD). Другое возможное приложение — интерактивные (online) покупки для “неосязаемых” изделий, которые можно доставить “по воздуху”; например, “скачивание” отдельных музыкальных произведений или программ для мобильного компьютера.

Этот класс может использоваться для вполне высококачественной видео-конференц-связи или видеофонов, и комбинации заочной конференции с помощью телевидения и совместной дистанционной работы колектива.

Скорости передачи данных для этих услуг показаны в табл. 5.1 [21, 114]. Хотя три из них требуют коммутации каналов, но это, вероятно, будет осуществляться с помощью замены реальных каналов виртуальными. Поскольку любая информация предоставляется в пакетах, включая речь, факс и видео, пакеты в виртуальном канале будут передаваться с учетом приоритета. Диалоговое мультимедиа высокой скорости гарантирует клиенту качество, за которое он заплатил, и в основном занимает неприоритетные каналы, когда они не используются. Классический пример — передача данных в течение промежутков (пауз) в разговоре, но есть и другие. Например, большинство процедур заочной конференции с помощью телевидения и передачи изображений с помощью видеофона передают только те части изображений, которые изменились, а не постоянно все кадры, позволяя
существенную экономию пропускной способности. Видеоряд при телепередаче объекта, расположенного неподвижно в неизменяющейся комнате, может быть передан очень небольшим количеством данных, хотя наблюдается всплеск передачи данных, как только кто-то (или что-то) начинает двигаться.

В настоящее время речь составляет самую большую долю трафика через мобильные сети. Передача сообщений, использование мультимедийных услуг и передача данных занимает меньший объем, но демонстрирует быстрый рост. Детальное исследование запросов клиентов показывает, что эти типы трафика, вероятно, продолжат расти до тех пор, пока почти каждый пользователь в пределах зоны обслуживания IMT-2000 не будет иметь мобильный телефон. После этого трафик все еще будет расти, но это будет зависеть, главным образом, от роста количества и качества услуг мультимедиа.

Типы служб, доступных по стандарту IMT-2000, показаны в табл. 5.1, а примеры предоставляемых услуг — на рис. 5.3.

увеличить изображение
Рис. 5.3.

 
Примеры услуг предоставляемых мобильными системами 3G

В 1992 г. ITU рекомендовал, чтобы все страны мира распределяли для услуг 3G одни и те же частоты. Это позволило бы упростить глобальный роуминг, особенно при условии, что каждая страна использует один и тот же стандарт IMT-2000. Тогда пользователь независимо от местоположения мог бы быть уверен, что его мобильный телефон или устройство передачи данных будет работать.

К сожалению, единственной большой страной, которая фактически точно следовала рекомендациям ITU, был Китай. Европа и Япония уже использовали часть спектра для переносных телефонов и GSM. Америка (США) задействовала весь спектр для службы персональной связи и фиксированной радиосвязи [6, 114]. В России этот диапазон частот занят радиослужбами фиксированной, подвижной и космической связи [46]. Введение служб по стандарту IMT-2000 нуждается в освобождении полос частот в существующей инфраструктуре.

Единственная часть всемирного спектра, доступная 3G, относится к услугам спутниковой связи, при которых, конечно, частотный диапазон должен быть всюду один и тот же. Проблемы заключаются в том, что нет спутников, выведенных на орбиту, чтобы обеспечивать работу с мобильной станцией со скоростью 144 Кбит/c.

Наиболее экономичные спутники — широкополосные устройства. Они нуждаются в более высоких частотах, и это приводит к выводу, что на базе терминала для мобильной спутниковой службы нужно разработать совмещенный терминал, который можно применить и для сотовой связи стандарта IMT-2000.

Исходя из прогнозов UMTS (Universal Mobile Telecommunication Services) форума [15, 114], ITU вычислил дополнительный объем спектра, необходимый для размещения служб 3G в каждом из трех глобальных регионов. Эти результаты показаны на рис. 5.4, вместе со спектром частот, уже используемым службами 2G и распределенным для служб 3G.

Рис. 5.4.

 
Требуемый спектр частот в различных регионах, прогнозируемый ITU

Предполагая, что существующие 2G-сети будут в конечном счете модернизированы к 3G, МСЭ прогнозирует, что в каждом регионе до 2022 г. потребуется дополнительно иметь по крайней мере 160 МГц. Где этот спектр будет найден, еще не ясно, хотя ITU и различные группы промышленности рассматривают несколько предложений.

Очевидно, что использование частотных полос вокруг уже распределенного спектра — не выход из положения.

Они уже широко задействованы организациями, подобными НАСА, чтобы поддерживать контакт с космонавтами и космическими кораблями. Последние, может быть, будут передавать полезную информацию в течение многих десятилетий после того, как были запущены, и поэтому управление ими на других частотах невозможно.

Рассмотрим возможности в каждом спектре [6, 44, 114].

420–806 МГц

Известный как УВЧ-диапазон. В большинстве стран эти частоты используются для аналогового широковещательного телевидения. Они могут быть отданы мобильным телефонам только тогда, когда цифровое телевидение полностью заменит аналоговое, хотя это вряд ли случится в планетарном масштабе до 2022 года.

1429–1501 МГц

Эта частотная полоса используется во всем мире для нескольких различных целей [46], включая переносные телефоны, фиксированное радио и широковещательную передачу. Часть этого диапазона оставлена свободной, чтобы ученые могли пытаться принять возможные сигналы, которые могут передавать другие цивилизации.

1710–1885 МГц

Некоторая часть этой полосы уже задействована для мобильных служб в Европе и Азии, но этот диапазон может обеспечить дополнительную канальную емкость в Америке. В Европе он интенсивно используется для управления воздушным движением.

2290–2300 МГц

Эта очень маленькая полоска спектра используется для фиксированного радио, а также радиоастрономами, проводящими исследование глубокого космоса.

2300–2400 МГц

Эта частотная полоса используется для фиксированной беспроводной связи и некоторых телеметрических измерений. Диапазон расположен близко к спектру, уже распределенному для IMT-2000.

2520–2670 МГц

Различные страны используют эту частотную полосу для различных приложений, таких как широковещательная передача и фиксированное радио. Часть этого диапазона также задействована спутниками, связывающимися с Землей. Эта частотная полоса одобрена UMTS-Форумом как резерв для дополнительного расширения.

2700–3400 МГц

Частоты более чем 2700 МГц используются главным образом для радаров, хотя некоторые имеют другие приложения, такие как спутниковая связь. В частности, частотные полосы 3260–3267 МГц, 3332–3339 МГц и 3345,8–3352,5 МГц необходимы радиоастрономии, так как они соответствуют частотам радиоизлучения звезд.

Для построения мобильной сети 3-го поколения ITU первоначально хотел создать единственный глобальный стандарт, но это оказалось невозможным. Вместо этого рассматриваются два главных типа стандартов CDMA, основанных на DS-CDMA (Direct Spectrum — расширение спектра) (WCDMA, CDMA-2000), и один тип стандарта, основанного на TDCDMA (EDGE — UWS-136). Эти стандарты с разной степенью подробности будут приведены далее.

Главная причина расхождения стандартов — совместимость с существующими системами. Такая совместимость может быть достигнута одним из трех способов.

Прямая модернизация. Сетевые операторы для новых сервисов должны развертывать систему, которая, по существу, является только модернизацией существующего оборудования для подключения абонентов, использующих новые услуги. При этом она должна быть реализована так, чтобы возможно было работать со старыми базовыми станциями, и наоборот, новые станции должны вписываться в старую систему. Типичным примером такой модернизации является добавление пакетной коммутации или лучшей модуляции, но сохранение существующих размеров сот и структуры каналов. Это существенно ограничивает варианты развития. В частности, большинство 2G-систем базируются на принципах TDMA, поэтому принцип прямой модернизации должен сохранить структуру TDMA.

Роуминг. В принципе, мобильное терминальное устройство может быть сделано так, чтобы взаимодействовать с любым числом отличающихся систем, давая возможность абонентам пользоваться ими во всем мире. Также не усматривается проблем с запросом терминала стандарта IMT-2000, если создать устройства с множественными режимами работы. Но наиболее желательным и самым дешевым решением является создание единого универсального типа терминала.

Хэндовер (передача соединения). Роуминг от одной системы к другой неудобен для большинства пользователей, поскольку соединение, как правило, сбрасывается, чтобы получить полномочия на работу в другой сети. Система 3G может быть сформирована так, чтобы она фактически передавала пользователей к сети 2G помощью процедуры хэндовера, при которой пользователь не должен заметить замены сети. Проблема заключается в передаче обслуживания при наличии мультимедиа-соединений, которые не реализуются сетью 2G. В этом случае абонент не получает доступа к службам 3G, недоступным в сети 2G. Это накладывает некоторые ограничения на проект 3G-систем и на средства, которые могли бы работать в сетях 2G и 3G.

Фундаментальная проблема для IMT-2000 — то, что единственный стандарт не может модернизировать хэндовер от cdmaOne к GSM. Это означает, что два устройства, работающие на очень похожих стандартах IMT-2000 на основе CDMA (WCDMA и CDMA-2000), могут быть установлены рядом, но их работа будет зависеть от того, какая 2G-система развернута в этом районе.

Широкополосный CDMA (WCDMA) — система, одобренная большинством операторов, которые способны получить новый спектр частот. Она была разработана японской фирмой ARIB в 1998 году. Одна из основных характеристик разработки — хэндовер к системе GSM. Сети GSM не могут быть модернизированы для работы с WCDMA, хотя некоторые части системы GSM, такие, как услуги пакетной радиопередачи (GPRS — General Packet Radio Service), могут многократно транслироваться через сеть CDMA.

Ширина полосы, которая отводится для одного канала WCDMA, равна 5 МГц. Возможно увеличение скорости до 10 МГц и далее до 20 МГц.

Это в четыре раза больше, чем cdma One, и в 25 раз — чем GSM. Широкая частотная полоса была выбрана, чтобы позволить более высокие скорости данных, но только в не переполненной области спектра с очень хорошим приемом. Другое важное отличие WCDMA от cdma One — отсутствие потребности в синхронизации времени. WCDMA был разработан, чтобы работать без сигналов синхронизации от глобальной навигационной системы¹⁾ (GPS — Global Positioning System). Имеются различия в кодировании: в WCDMA для кодирования используются не коды Уолша, а коды Голда. Для передачи в канал они объединяются с помощью той же QPSK-модуляции, как и в cdma One.

Все это позволяет передавать данные с максимальной скоростью приблизительно 2048 Мбит/c в пределах одной соты. Скорость в канале — 3,84 Мбит/c (7,8 и 15,6 Мбит/c). При этом предусматривается метод прямого расширения спектра (DS-CDMA).

Каждый канал повторно используется каждой сотой, повышая спектральную эффективность по сравнению с системами TDMA.

WCDMA предоставляет возможность мягкого хэндовера, но при взаимодействии с GSM такой тип хэндовера не поддерживается.

TD-WCDMA (Time Division–Wideband Code-Division-Multiple-Access) звучит противоречиво и часто называется гибридом между TDMA и CDMA. При этой методике, как и в TDMA, несущая частота разбивается на канальные интервалы, но каждый канальный интервал “уплотняется” несколькими CDMA-сигналами, преобразованными с помощью ортогональных кодов (см. расширение в части 2 CDMA). В этом методе сохраняется методика мультиплексирования CDMA. Основными параметрами такой методики являются: частота, канальный интервал и код. На рис. 5.5 показан кадр системы TD-CDMA.

Рис. 5.5.

 
Кадр системы TD-CDMA (параметры UMTS)

В UMTS для двухсторонней связи разрешено применение частотного дуплексного разделения (FDD — Frequency Duplex Division) и временного дуплексного разделения (TDD Time Duplex Division).

При FDD в различных направлениях используются различные частоты, разделенные полосой 190 МГц. Очевидно, что если спектр лимитирован, то выделение парных полос частот затруднительно.

Временное разделение (TDD) разделяет прямой и обратный поток по времени. Мобильная станция и базовая станция поочередно используют одну и ту же частоту в разных направлениях. В этом случае можно уменьшить величину занимаемой полосы и не требуется разделение спектра на парные частоты. Этот способ наиболее приемлем для небольших сот, поскольку интервал приема/передачи зависит от времени распространения информации. Однако для временного разделения часто выходом является применение асимметричных скоростей в прямом и обратном направлении. Метод TDD может оказаться более эффективным в пикосотах для работы с компьютерами (Интернет) беспроводным способом.

В WCDMA несущие частоты выделяются в соответствии с заданными методами доступа для каждой частоты. При выдаче лицензии для каждого канала указывается, должен ли он использоваться в направлении от абонента к станции или от станции к абоненту либо в непарном режиме. На рис. 5.6 показан пример разделения диапазона между операторами на 12 парных каналов и 7 непарных каналов.

Рис. 5.6.

 
Пример распределения частот при использовании WCDMA/UMTS

С 1996 г. разрабатываемый европейский стандарт WCDMA был известен как универсальные службы мобильной связи (UMTS — Universal Mobile Telecommunications Services). Для руководства его разработкой был создан Форум UMTS и группа, ответственная за развитие GSM, — чтобы новый проект был так же успешен, как GSM, быстро распространяясь по остальному миру. Форум UMTS успешно разработал рабочие предложения WCDMA, совместимого с GSM.

Однако первыми применили его в Японии. Операторы Японии нуждались в новой 3G-системе, потому что возможности предоставления 2G резко сокращали емкость. Первые сети WCDMA были установлены в Японии операторами NTT DoCoMo и Jphone [44].

Компания NTT DoCoMo определила три приложения, которые необходимо поддерживать. В эти приложения были включены дополнительные услуги, иные, чем это определило ITU. Система содержала речь и видео более чем 8 Кбит/c и 64 Кбит/c соответственно, двухсторонние соединения 348 Кбит/c для автомобилей и для связи с интеллектуальной транспортной системой (центральный компьютер дистанционного управления трафиком на дорогах).

В настоящее время международный консорциум операторов связи и производителей связной аппаратуры NTT DoCoMo, Vodafone, Cingular Wireless, Siemens и Alcatel ведут работы по созданию телекоммуникационных мобильных сетей четвертого поколения (4G), окончание которых планируется через 1,5–2 года. NTT DoCoMo, в частности, уже удалось достичь скорости передачи данных на мобильный терминал в 1 ГБ в секунду. Правительство Японии планирует начать коммерческое использование 4G-связи в 2022 году.

Из систем второго поколения 2G только cdmaOne уже базируются на CDMA. Это дает преимущества в движении к системам 3G, так как операторы могут модернизировать их существующие сети с помощью нового программного обеспечения или новой системой модуляции, а не вводя новые системы радиосвязи. Эти обновления все вместе известны как cdma2000 и все совместимы с существующими I-95-системами.

До середины 2000 г. путь обновления для cdma не казался ясным. Результат, как предполагалось, должен был стать системой, названной CDMA-2000-3XMC, которая могла комбинировать 3 канала системы cdma One Расширяла пропускную способность. К сожалению, эта система не была совместима с WCDMA, одобренной Европой и Японией, хотя их спецификации почти идентичны. Разница состоит в скорости чипа. В CDMA-2000 скорость чипа должна быть кратна скорости cdmaOne, а для WCDMA скорость чипа должна быть приспособлена к структуре тактовой синхронизации GSM.

В 2000 г. Motorola и Nokia вместе начали разработку системы, названной 1 Xtreme, в которой, по их утверждению, можно достигнуть скоростей, подобных 3XMC, но при этом использовать только один канал и, следовательно, одну треть спектра. Это утверждение пока еще не доказано, и некоторые аналитики говорят, что разработчики просто хотят обойти многие из патентов конкурента CDMA — Qualcomm. Однако если эти планы окажутся реальными, то CDMA1 Xtreme действительно представит операторам cdmaOne шанс увеличить емкость любой конкурирующей системы. Параметры конкурирующих вариантов модернизации CDMA перечислены в табл. 5.2 вместе с I-95b и WCDMA. В этой таблице значения реальной пропускной способности даны только по оценкам и надеждам изготовителей [128].

Для всех cdmaOne-операторов следующий шаг после IS-95b — система, названная 1 XMC (MC — Multi-Carrier — “много несущих”). Она требует новых аппаратных средств для базовых станций и базовых контроллеров, но ей не нужен новый радиоинтерфейс; она позволяет вдвое увеличить пропускную способность, используя каждый из кодов Уолша дважды. Это настолько похоже на предыдущие стандарты, что иногда систему называют IS-95c.

3XMC — CDMA – 2000-предложение, принятое ITU как часть IMT-2000. Его требуемые рабочие характеристики почти идентичны WCDMA, но он нуждается в меньшем диапазоне частоты и использует в некоторой степени решения cdmaOne, например, скорость чипа и потребность в синхронизации GP. ITU выражает надежду, что будут разработаны терминалы, которые могли бы легко адаптироваться для обеих систем — WCDMA и 3XMC.

Высокоскоростная передача данных (HDR — High Date Rate) — модернизация 1XMC, предложенная Qualcomm. Она приспосабливает канал 1,25 МГц к передаче данных и увеличивает скорость, используя различные типы модуляции. Вместо QPSK она может применять 8-PSK (8-фазная манипуляция) или 16-QAM (квадратурно-амплитудная модуляция).

Эти виды модуляции позволяют увеличить скорость передачи информации.

Применяя 16-QAM, можно увеличить максимальную скорость передачи данных до 2,4 Мбит/c от станции к абоненту и до 307,2 Кбит/c на канале связи от абонента к станции.

Этот диапазон используется всеми абонентами станции и разделен с помощью кода Уолша на 32 канала, из которых 3 служебных.

Канал связи от абонента к станции разделяется с помощью TDMA на 240 временных слотов, каждый из которых может быть предоставлен отдельному абоненту. Однако следует учитывать, что система должна предоставлять двустороннюю связь.

Пропускная способность понижается в условиях большой интерференции, поскольку 16-QAM требует соединения с малым уровнем помех. Как только сигнал становится слабым, модуляция понижает число фазовых состояний до 8-PSK или QPSK. Поскольку HDR может использоваться только для данных, он не может быть конкурентом 3XMC. Компания Qualcomm утверждает, что это — промежуточный шаг, который будет сделан перед запуском полной системы 3XMC.

Система, разработанная совместно Nokia и Motorola, 1Xtreme [123] выставлена на продажу как конкурент и HDR, и 3XMC. Он использует те же методы модуляции, что и HDR, но применяет их для передачи как речи, так и данных.

Не все 3G-системы базируются на CDMA. На основе TDMA разработана новая технология, названная увеличением скорости данных для содействия эволюции GSM (EDGE — Enhanced Data rate for GSM Evolution). Из названия ясно, что она была запланирована как модернизация сети GSM для операторов, которые уже развернули системы HSCSD (High Speed Circuit Switched Data — высокоскоростная передача данных в сетях с коммутацией каналов) и GPRS (General Packet Radio Service — услуги пакетной радиопередачи).

Система EDGE планировалась для того, чтобы операторы GSM могли ее применить в существующей сети в процессе перехода к UMTS. При этом они могли использовать в своих интересах спектр IMT-2000. Поскольку UMTS может выполнять хэндовер к GSM, обе эти технологии были бы совместимы, и большое количество терминалов, проданных в Европе, были бы способны работать через обе системы.

Все изменилось, когда EDGE был создан UWCC (Universal Wireless Communications Consortium — Консорциум универсальной беспроводной связи), совет, представляющий американскую промышленность выпускающую TDMA. Работая с GSM-Ассоциацией, они разработали способ модернизации D-AMPS к EDGE. Объяснение этого факта простое: DAMPS выполнила свою задачу, так что операторам надо было строить новые сети 3G. И CDMA2000, и WCDMA были рассчитаны на построение этих новых сетей, но проблема была в широких каналах. Любая система радиосвязи, чтобы работать, нуждается по крайней мере в одном канале, а для оператора это необходимость новой лицензии.

Новый радиоинтерфейс EDGE, созданный на основе стандартов GSM, обеспечивает плавный переход к системам радиосвязи 3-го поколения, позволяя увеличить скорость передачи данных до 384 Кбит/с. Что же касается более высоких скоростей передачи (от 2048 Кбит/с), которые определены в IMT-2000 для новых поколений пико- и микросотовых сетей, то их предполагается реализовать во второй фазе спецификаций.

Ширина канала EDGE — 200 кГц, такая же, как у GSM. Даже условия повторного использования каналов одинаковы. В 2000 г. ITU принял EDGE как режим IMT-2000 и стандартизировал его как UWC-136. В спецификациях EDGE заложены принципиально новые по сравнению с GSM возможности. В первую очередь это автоматическое распознавание типа модуляции, применяемого в радиолинии, с автоматическим переходом в требуемый режим. Усовершенствованный метод модуляции позволяет абонентской радиостанции автоматически адаптироваться к качеству канала радиосвязи, причем самые высокие скорости передачи обеспечиваются, безусловно, в наиболее благоприятных условиях распространения радиоволн (например, вблизи базовых станций). В табл. 5.3 приведены сравнительные характеристики систем EDGE и WCDMA [20].

Технология EDGE предусматривает организацию двух служб: усовершенствованной службы пакетной передачи (EGPRS — Enhanced GPRS) и усовершенствованной службы коммутации каналов (ECSD — Enhanced Circuit Switched Data). Она унаследовала почти все свои главные особенности от GSM и GPRS, включая структуру кадра TDMA с восемью слотами длиною слота 0,577 мс. Разница заключается в схеме модуляции. Вместо двоичной GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying — гауссовская манипуляция с минимальным сдвигом), применяется 8-PSK, такая же, как в HDR. Это сразу утраивает пропускную способность по сравнению с GSM.

Услуги EDGE могут быть предоставлены обычному клиенту GSM для передачи речи и данных. Однако операторы, установившие эту систему, предоставляют также услуги GPRS (пакетная радиопередача) и HSCSD (высокоскоростная передача данных в сетях с коммутацией). По этой причине услуги, предоставляемые EDGE, упоминаются иногда как EGPRS и EHSCSD. Для клиентов, которые не имеют оборудования EDGE, терминал полностью совместим с терминалом GSM. Поскольку 8-PSK более восприимчив к ошибкам, чем GMSK, EDGE имеет девять различных схем модуляции и кодирования (табл. 5.4). Каждая предназначена для различного по качеству соединения. Они отличаются по количеству исправляемых ошибок. Смена режима кодирования производится каждый раз, когда декодируемый предыдущий блок принимается с низкой достоверностью. В результате следующий блок данных передается с более высокой помехозащищенностью (режим 8-PSK).

Чтобы сделать процесс внедрения EDGE более простым для операторов D-AMPS, Всемирный консорциум беспроводной связи (UWCC) предлагает определенный упрощенный стандарт, названный EDGE Compact. Он может использоваться только для передачи данных, а не речи. Он не требует многих из каналов управления, которые есть в полномасштабной системе.

EDGE Compact можно рассматривать как промежуточный вариант. Его задача — обеспечить скоростную передачу данных для пользователей, которые используют речевую службу D-AMPS. Передача данных “поверх” речи подобна функциям HDR на сетях CDMA.

• Наиболее важные требования к системам 3G: глобальный роуминг, сочетание пакетной коммутации данных и коммутации каналов, обеспечение передачи речи, данных и мультимедийных услуг, высокая скорость передачи данных, повышение скорости передачи данных до 2 Мбит/с.
• Для IMT-2000 определены три различных скорости: 144 Кбит/с — скорость, принятая для ISDN; 384 Кбит/с — минимально необходимая по качеству для видеосвязи; 2048 Мбит/c — скорость, которая может быть достигнута внутри здания при низкой мобильности пользователя.
• Стандарт третьего поколения обеспечивает следующие основные услуги: речь, голосовая почта, передача сообщений, коммутация пакетов, коммутируемые данные, мультимедиа (средней скорости), мультимедиа (высокой скорости), диалоговое (интерактивное) мультимедиа (высокой скорости).
• Совместимость с другими системами может быть достигнута с помощью: прямой модернизации, роуминга, хэндовера (передачи соединения).
• В настоящее время разработаны несколько систем третьего поколения. Их свойства ориентированы на состояние мобильной связи и применяемые системы в различных странах.
• Широкополосный CDMA (WCDMA) — система 3-го поколения. Одна из основных характеристик разработки — простой хэндовер к системе GSM. WCDMA может работать без сигналов синхронизации от глобальной навигационной системы (GPS — Global Positioning System). В WCDMA для кодирования используются коды Голда. Для передачи в канал они объединяются с помощью той же QPSK-модуляции, что и в CDMA One. Все это позволяет передавать данные с максимальной скоростью приблизительно 2048 Кбит/с.
• В системе TD-WCDMA, как и в TDMA, несущая частота разбивается на канальные интервалы, но каждый канальный интервал “уплотняется” несколькими CDMA-сигналами.
• В UMTS для двухсторонней связи разрешено применение частотного дуплексного разделения (FDD – Frequency Duplex Division) и временного дуплексного разделения (TDD – Time Duplex Division).
• При FDD в различных направлениях используются различные частоты, разделенные полосой 190 МГц. Временное разделение (TDD) разделяет прямой и обратный поток по времени. Мобильная станция и базовая станция поочередно используют одну и ту же частоту в разных направлениях.
• Европейский стандарт WCDMA известен как универсальные службы мобильной связи (UMTS — Universal Mobile Telecommunications Services). CDMA-2000 совместима с существующей системой CDMA (по стандарту I-95) и не совместима с WCDMA.
• 3XMC — CDMA2000-предложение, принятое ITU как часть IMT-2000. Его требуемые рабочие характеристики почти идентичны W-CDMA, но он нуждается в меньшем диапазоне частоты и использует в некоторой степени решения cdmaOne.
• Высокоскоростная передача данных (HDR — High Date Rate) — модернизация 1 XMC, предложенная Qualcomm. Она приспосабливает канал 1,25 МГц к передаче данных и увеличивает скорость, используя различные типы модуляции.
• Система 1Xtreme разработана совместно Nokia и Motorola. 1Xtreme — конкурент систем HDR и 3XMC. Он использует те же методы модуляции, что и HDR, но применяет их для передачи как речи, так и данных.
• EDGE (UWCC-136) разработан для того, чтобы операторы GSM могли его применить в существующей сети в процессе перехода к UMTS. В спецификациях EDGE заложены принципиально новые по сравнению с GSM возможности. В первую очередь это автоматическое распознавание типа модуляции, применяемого в радиолинии, с автоматическим переходом в требуемый режим.
• Чтобы сделать процесс внедрения EDGE более простым для операторов D-AMPS, Всемирный консорциум беспроводной связи (UWCC) предлагает определенный упрощенный стандарт, названный EDGE Compact. Он может использоваться только для передачи данных, а не речи. Он не требует многих из каналов управления, которые есть в полномасштабной системе.

Рассматривается система третьего поколения, построенная по европейскому стандарту UMTS.

Архитектура системы UMTS [2, 28] показана на рис. 6.1. Она использует ту же хорошо известную архитектуру, которая применяется во всех основных системах второго поколения. Она подобна уже рассмотренной архитектуре системы GSM (рис. 1.1).

увеличить изображение
Рис. 6.1.

 
Архитектура сети и интерфейсы UMTS

Сеть 3G строится на базе тех же компонентов, что и и рассмотренные выше подвижные сети [28]. Это: мобильная телефонная станция, в системе UMTS она называется UE (User Equipment); базовая телефонная станция (по терминологии UMTS — узел B); контроллер базовой станции (BSC) и центр коммутации мобильной связи (MSC).

В системе WCDMA вместо термина “контроллер базовой станции” применяется термин “контроллер управления радиосетью” (RNC — Radio Network Controller).

UE и UTRAN (сеть наземного доступа UMTS) работают в соответствии с полностью новыми протоколами, построение которых основано на потребностях новой технологии радиосвязи WCDMA. И наоборот, построение основной сети CN — Core Network — повторяет GSM [102, 106]. Это дает системе с новой технологией радиосвязи глобальную базу из известной и испытанной технологии CN, что способствует ускорению ее внедрения и позволяет использовать такое замечательное преимущество, как глобальный роуминг. Но в перспективе UMTS ориентируется на быстродействующую сеть на базе ATM-технологии

По своим функциям сеть состоит из сети наземного радиодоступа (UTRAN — UMTSTerrestrial RAN), которая оперирует всеми функциями, относящимися к радиосвязи, и базовой сети (CN — Core Network) [102, 106]. Они обеспечивают коммутацию и маршрутизацию вызовов и каналы передачи данных во внешние сети. В системе UMTS применяется оборудование пользователя (UE — User Equipment), которое взаимодействует с ним, и радиоинтерфейс (Uu).

Другим способом группирования элементов сети UMTS служит деление их на подсети. Система UMTS является модульной в том смысле, что она может иметь несколько элементов сети одного и того же типа. В принципе, минимальным требованием для того, чтобы сеть работала и обеспечивала все свои функциональные возможности, является наличие по крайней мере одного логического элемента сети каждого типа (отметим, что некоторые функции и, следовательно, некоторые элементы сети являются необязательными). Возможность иметь несколько объектов одного и того же типа позволяет делить систему UMTS на подсети, которые работают либо самостоятельно, либо вместе с другими подсетями и являются тождественными друг другу. Такая сеть называется UMTSPLMN (наземная мобильная сеть общего пользования). Обычно одна PLMN [108] эксплуатируется одним оператором и может соединяться с другими PLMN так же,
как и с другими типами сетей, например, ISDN, PSTN, Интернет (TCP/IP) и т. д. На рис. 6.1 показаны элементы PLMN, а также для того, чтобы проиллюстрировать внутренние соединения, – внешние сети.

Краткие сведения обо всех элементах архитектуры UTRAN приводятся ниже.

Пользовательское оборудование (UE) включает две части:

Мобильная станция должна быть рассчитана на поддержку всех видов услуг сети третьего поколения. Она должна обеспечивать:

UTRAN состоит из двух элементов:

Каждая из этих станций имеет традиционную архитектуру, но с учетом новых сервисов и технологий. Рассмотрим кратко архитектуру RNC. Поскольку она зависит от места станции в сети и связи с другими станциями этой и другой систем, архитектура может быть различной. Поэтому приведем конкретный пример. В этом примере дан некоторый типовой состав устройств, обеспечивающий набор услуг [16]. Архитектура ориентирована на работу в быстродействующей сети ATM. Эта система демонстрирует возможности станций 3-го поколения.

Контроллер управления радиосетью (RNC), архитектура которого показана на рис. 6.1, обеспечивает функции:

К одному контроллеру радиосети могут быть подключены как минимум три базовые станции. При этом каждая из них может использовать до двух 1,5 или 2 Мбит/с Iub-каналов. Транспортная емкость конфигурации, представленной на рис. 6.2, составляет около 160 мобильных станций, которые могут установить соединения друг к другу или к сети фиксированной связи. Каждое подключение коммутируется в MSC через ATM-коммутатор.

увеличить изображение
Рис. 6.2.

 
Архитектура контроллера радио сети

В последнее время проводятся работы по замене ATM-коммутаторов на коммутаторы soft switch [18].

UMTS во время мягкого хэндовера с одним UE могут работать два контроллера RNC. Тогда один из них (завершающий соединение) называется обслуживающим (SRNS — Service RNC), а другой — дрейфующим (Drift RNC). Принцип работы и задачи станций при мягком хэндовере были изложены при описании работы сети CDMA и будут рассмотрены для UMTS далее.

Центр коммутации мобильной связи (MSC), архитектура которого представлена на рис. 6.3, содержит все типовые элементы станции того же типа для GSM и выполняет те же функции (см. лекцию 1). MSC обеспечивает:

• подключение к фиксированным сетям (таким как общедоступная телефонная сеть PSTN или цифровая сеть интегрального обслуживания ISDN);
• передачу сигналов между функциональными объектами в подсистеме сети (используется ОКС № 7 — отдельный канал сигнализации);
• обслуживание подвижных абонентов, расположенных в пределах определенной географической зоны;
• обслуживание группы сот и обеспечение всех видов соединений, в которых нуждается в процессе работы подвижная станция. MSC аналогичен ISDN коммутационной станции и реализует интерфейс между фиксированными сетями (PSTN, Интернет, ISDN и т. д.);
• взаимодействие с RNC через интерфейс Iub, а с сетями ISDN и локальными компьютерными АТМ-сетями — через интерфейсы фиксированных сетей;
• маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами, выполнение процедур управления и все функциональные возможности мобильного абонента, такие как регистрация, аутентификация, обновление местоположения, передачи соединения (хэндовер);
• формирование данных, необходимых для выписки счетов за предоставленные сетью услуги связи;
• поддержание процедур безопасности, применяемых для управления доступами к радиоканалам.

увеличить изображение
Рис. 6.3.

 
Архитектура Центра коммутации мобильной связи

Основным отличием MSC UMTS от аналогичного узла MSC системы GSM является то, что коммутатор MSC должен быть рассчитан на высокие скорости, поэтому он обычно выполняется на базе ATM-коммутатора.

Основными элементами базовой сети являются:

Подобно RNC, центр коммутации мобильной связи (MSC) также разработан на основе базовой АТМ-инфраструктуры и обладает такой же гибкостью, что и RNC. В действительности некоторые функции могут даже перераспределяться между RNC.

Основной задачей MSC является установление и разъединение соединений от мобильных станций. Так как MSC может в одном и том же узле обрабатывать речь, осуществлять передачу пакетных данных и данных с коммутацией каналов, становится возможным обслуживание мультимедийных приложений. MSC выполняет функции:

Для адаптивной обработки абонентских данных для передачи по аналоговым голосовым сетям, а также сетям с коммутацией каналов и с коммутацией пакетов, используется внешнее оборудование, например, конвертор ISDN и АТМ-маршрутизатор.

Внешний интерфейс основной скорости (ET BRI) соответствует стандартам. Кроме того, при подключении внешнего конвертора ISDN также могут быть реализованы европейские ISDN-интерфейсы (PRI и BRI), соответствующие рекомендациям ITU-T, Q.931 (Уровень 3), Q.921 (Уровень 2) и I.430/I.431 (Уровень 1). Внешняя локальная компьютерная АТМ-сеть использует постоянный виртуальный канал для осуществления всех подключений IP-поверх-ATM в соответствии со спецификацией IETF RFC 1483.

Возможности совместимости центра коммутации мобильной связи испытательной системы (блок IWF) позволяют подключаться к центрам коммутации сетей GSM.

Встроенный IP-маршрутизатор обеспечивает обработку потоков со скоростью до 10 Мбит/с. Распределение ресурсов между речью, канальными данными и пакетными данными регулируется различными вариантами конфигурации эхоподавителя, блоков адаптации услуг UDI (UADP) и адаптации пакетных услуг (PADP), IP-маршрутизатора (IPR) и интерфейса PRI.

Внешние сети можно разделить на две группы:

Рис. 6.4.

 
Схема подключения GPRS к мобильной сети.

Для целей пакетной коммутации на мобильной сети устанавливаются следующие виды коммутаторов:

Иногда при начальном пуске станции или небольшой нагрузке передача пакетной информации осуществляется дополнительным оборудованием, устанавливаемым на MSC.

Данные, передаваемые по каналам UMTS/WCDMA, организуются в виде кадров, временных положений (слотов) и каналов. Это касается всей полезной нагрузки и управляющих сигналов.

UMTS использует технологию CDMA, как и технологию доступа, но дополнительно применяет технологию временного разделения и соответственно структуру кадра и временного положения (слота) для того, чтобы обеспечить соответствующую структуру каналов [60].

Каналы разделяются на 10-миллисекундые кадры, каждый из которых содержит 16 слотов длительностью по 625,0 мкс. В направлении от станции к UE время разделяется так, чтобы временные слоты содержали поля с пользовательскими данными и управляющими сообщениями.

В направлении от UE при образовании каналов используется передача в одном формате данных и управляющих сообщений.

Все каналы классифицируются по трем категориям: логические, транспортные и физические. Логические и транспортные каналы определяют методы и пути передачи данных, физические переносят полезную нагрузку и обеспечивают физические характеристики сигналов. Каналы организованы так, чтобы логические каналы зависели только от передаваемой информации, а физический уровень обеспечивает, как и с какими характеристиками передается эта информация. Протокол управления доступом к среде (MAC) обеспечивает обслуживание логических каналов. Набор типов логических каналов определен для различных видов услуг передачи данных.

Широковещательный канал управления (BCCH — Broadcast Control Channel) — канал от станции к UE (DL — downlink). Этот канал широковещательно передает информацию к группе UE, а также информацию о пилот-сигналах соседних сот и т. д.

Широковещательный управляющий канал оповещения (PCCH — Paging Control Channel) (от станции к абоненту). Этот канал связан с PICH (Paging Indication Channel), о котором будет сказано немного позднее, и используется для уведомления и широковещательных передач вызова.

Выделенный канал управления (DCCH — Dedicated Control Channel) (от станции к UE и обратно). Этот канал используется, чтобы доставлять специализированную информацию управления в обоих направлениях.

Общий канал управления (CCCH — Common Control Channel), (от станции UE и обратно). Этот двунаправленный канал используется, чтобы передать управляющую информацию.

Общедоступный канал управления канала (SHCCH — Shared Channel Control Channel). Этот канал двунаправленный и применяется только в режиме временного дуплексного разделения (TDD — Time Duplex Division) WCDMA/UMTS, где он используется, чтобы транспортировать общедоступную управляющую информацию канала.

Специализированный канал трафика (DTCH — Dedicated Traffic Channel). Это двунаправленный канал, используется для доставки пользовательских данных или трафика.

Общий канал трафика (CTCH — Common Traffic Channel) (от станции к абоненту) — однонаправленный канал, используется для передачи специализированной пользовательской информации группе UEs.

Транспортные каналы передают информацию, обеспечивающую надежное и достоверное прохождение данных по сети.

Специализированный (выделенный) транспортный канал (DCH — Dedicated transport Channel) представляет собой двунаправленный канал. Он используется, чтобы передать данные конкретному UE. Каждый UE имеет собственный DCH в каждом направлении.

Широковещательный канал (BCH — Broadcast Channel) (от станции к UE). Этот канал широковещательно передает информацию к UE в соте, чтобы дать возможность им идентифицировать сеть и соту.

Канал прямого доступа (FACH — Forward Access Channel) (от станции к UE). Этот канал передает данные или информацию к UE, которая зарегистрирована в системе. В соте может быть более одного FACH. Они могут также доставлять пакеты данных.

Широковещательный канал вызова (PCH — Paging Channel) (от станции к UE). Этот канал может передавать аварийные сообщения UE, не входящие в данные вызова, SMS-сообщения, данные о сеансах связи или о типе требуемого обслуживания, например, запрос на перерегистрацию.

Канал произвольного доступа (RACH — Random Control Channel) (канал связи от UE к станции). Этот канал передает запросы на обслуживание от UE, обращающегося к системе.

Общий канал передачи пакетов (CPCH — Common Packet Channel) (канал связи от UE к станции). Этот канал обеспечивает возможности, дополняющие RACH, а также передает сигналы быстрого регулирования мощности.

Канал совместного использования (DSCH — Downlink Shared Channel) (от станции к UE). Этот канал может быть разделен между несколькими пользователями и используется для данных, которые являются “взрывными” по природе, такие как служба просмотра веб-браузеров, заявки в которую могут “взорваться” от события или по времени (например, во время чемпионата мира по футболу).

Первичный общий физический канал управления (PCCPCH — Primary Common Control Physical Channel) (от станции к UE). Этот широковещательный канал непрерывно передает системную идентификацию и информацию управления доступом.

Вторичный общий физический канал управления (SCCPCH — Secondary Common Control Physical Channel) (от станции к UE). Этот канал доставляет информацию канала прямого доступа (FACH — Forward Access Channel) и широковещательного канала вызова (PCH) с сообщениями для Ues, которые зарегистрированы на сети.

Физический канал произвольного доступа (PRACH — Physical Random Access Channel) (канал связи от UE к станции). Этот канал дает возможность UE передать сообщения произвольного доступа при попытке обращения к сети.

Специализированный физический канал данных (DPDCH — Dedicated Physical Data Channel) (двусторонний). Этот канал используется, чтобы передать пользовательские данные.

Специализированный физический канал управления (DPCCH — Dedicated Physical Control Channel) (двусторонний). Этот канал доставляет управляющую информацию к и от UE. В обоих направлениях канал доставляет биты пилотного канала и идентификатор объединенного транспортного формата (TFCI — Transport Format Combination Identifier). Канал связи от станции к UE содержит также информацию управления мощностью передатчика и информацию обратной связи (FBI — FeedBack Information).

Общий пилот-канал (CPICH — Common Pilot Channel). Информация по этому каналу передается каждым узлом B, чтобы UE были способны поддерживать синхронизацию. Дополнительно эта информация должна быть использована для того, чтобы UE могли определить лучшую соту при перемещении.

Канал индикации вхождения в синхронизм (AICH — Acquisition Indicator Channel). AICH используется, чтобы сообщить UE сведения о канале данных (DCH). Может применяться для связи с узлом B — такое назначение канала возникает в результате успешного запроса службы произвольного доступа от UE.

Физический совместно используемый канал (PDSCH — Physical Downlink Shared Channel) (от станции к UE). Этот канал совместно используется для пересылки управляющей информации к UE в пределах области охвата узла B.

Канал синхронизации (SCH — Synchronizing Channel), канал синхронизации используется UE с общим каналом пилот-сигнала (CPICH —Common Pilot Channel). Информация по этому каналу передается каждым узлом B, чтобы UEs могли поддерживать синхронизацию для демодуляции сигналов. Дополнительно они могут применяться как средство определения UE лучшей соты при перемещении.

Канал индикации вызова (PICH — Paging Indication Channel). Этот канал обеспечивает информацией UE в неактивном состоянии и обеспечивает сохранность ресурсов батареи при слежении в этом режиме за широковещательным каналом вызова (Paging Channel). PICH обеспечивает UE в момент дезактивации UE.

Канал индикации состояния (CSICH — CPCH Status Indication Channel). Этот канал, который применяется только по направлению от станции к UE для передачи состояния CPCH и может также использоваться для передачи излишней нагрузки при ее всплеске или прерывистом характере.

Обнаружение конфликтов / Канал индикации назначения канала (CD/CA-ICH — Collision Detection / Channel Assignment Indication Channel). Этот канал используется в направлении от станции к UE, чтобы указать, можно ли использовать этот канал сразу или требуется активация канала.

Общая модель протоколов UMTS показана на рис. 6.5. Она построена по принципу модели протоколов B-ISDN на основе взаимодействующих уровней и плоскостей.

Потоки информации, проходящие через UTRAN, логически делятся на две части:

В состав слоя без доступа входят протоколы верхнего (пользовательского) уровня, которые не занимаются проблемами доступа, а связаны только с услугами [113].

Протоколы плоскости управления (C-plane) определяют все функции сигнализации, установления, контроля и разъединения соединений.

Кроме этого, он включают в себя несколько прикладных протоколов, которые позволяют поддерживать сигнализацию на различных участках сети (см. рис. 6.5).

Рис. 6.5.

 
Модель протоколов UMTS

Это протоколы:

Плоскость пользователя (U-plane) обеспечивает транспортировку всех видов информации в совокупности с соответствующими механизмами защиты от ошибок, контроля и управления потоком. Вся информация, передаваемая и принимаемая пользователем, например, кодированная речь при речевом вызове или пакеты при соединении с Интернетом, передаются через плоскость пользователя. Каждый поток данных характеризуется одним или несколькими протоколами фреймов, указанных для этого интерфейса.

Поскольку сеть UTRAN рассчитывается на передачу высокоскоростной информации, в наземной части она базируется на сети ATM. Для этой сети характерно, что для сигнализации используется сеть отдельных виртуальных каналов (SVC — Signaling Virtual Channel), предназначенных только для передачи сигналов управления, взаимодействия и технического обслуживания. Некоторые приложения могут требовать создания нескольких (постоянных или временных) виртуальных каналов. Например, услуги мультимедиа могут потребовать установления отдельных каналов сигнализации для услуг передачи речи, видеоизображения и данных. Каналы сигнализации могут быть односторонними или двухсторонними, симметричными (одинаковая скорость в обоих направлениях) и асимметричными (различные скорости в противоположных направлениях).

Виртуальные каналы могут быть:

Плоскость управления транспортной сетью используется для управления и организации указанных выше каналов сигнализации на транспортном уровне. Она не охватывает уровня радиосети. Для сети UMTS в нее включается протокол управления звеном доступа ALCAP (Access LinkControl Application), который необходим для установления транспортных B-каналов для плоскости пользователя — например, для установления каналов сигнализации “точка — точка” и для установления канала сигнализации в соответствии с услугами, предоставляемыми данному пользователю.

Когда используется плоскость управления транспортной сетью, каналы сигнализации пользователя устанавливаются по входному сообщению (транзакция) от прикладного протокола на плоскости управления, которое запускает установление этих каналов с помощью одной из частей протокола ALCAP, специально предназначенного для технологии плоскости пользователя.

Следует отметить, что протокол ALCAP может и не потребоваться, например, когда используются сети с заранее заданной конфигурацией каналов сигнализации. Тогда протокол ALCAP не запускается.

Спецификации UMTS предполагают, что запуск системы по протоколам ALCAP всегда осуществляется с помощью действий персонала по эксплуатации и обслуживанию (O&M).

На рис. 6.6 дано сквозное представление протоколов плоскости управления сети UMTS. Этот рисунок показывает набор протоколов, которыми пользуется каждый элемент сети для передачи сообщений сигнализации.

увеличить изображение
Рис. 6.6.

 
Сквозное представление протоколов плоскости управления сети UMTS

Устройство UE (User Equipment) применяет две группы протоколов:

Для сообщений этих протоколов узел B (BTS) “прозрачен” [87]. Он передает их в RNC, преобразуя радиосигналы в сигналы сети ATM. Уровень AAL2 предназначен для обеспечения эффективной пропускной способности для передачи трафика коротких пакетов с низкой битовой скоростью, требующего малой временной задержки.

RRC (Radio Resource Control) — протокол верхнего уровня [57], который является частью интерфейса Iub. Процедуры и сообщения подсистемы управления радиоресурсами приведены в табл. 6.2.

В RRC входят следующие протоколы:

RRC выполняет следующие функции:

Уровень RRC обеспечивает соединения сигнализации к верхним уровням с целью поддержания обмена информационными потоками между процессами верхнего уровня. Сигнальное соединение используется для передачи сообщений между пользовательским оборудованием и основной сетью, чтобы передать информацию верхнего уровня. Для каждой локальной области сети сигнальное соединение может обслуживать в каждый момент только один вызов для одного UE.

В таблице 6.1 приведены процедуры и сообщения подсистемы управления радиоресурсами.

Радиопротокол управления каналом связи (RLC) [117, 124] обеспечивает 3 режима работы.

1. Передача информации в режиме “прозрачного” обслуживания TrD (Transparent Mode Data).
2. Передача информации в режиме без подтверждения правильного приема данных (UMD — Unacknowledged Mode Data).
3. Передача и получение информации в режиме с подтверждением правильного приема данных (AMD — Acknowledged Mode Data).

RLC выполняет следующие функции:

Передаваемые блоки данных. Они могут содержать данные или сообщения управления протоколов сигнализации.

В соответствии с режимами протокол использует различные форматы.

Формат TrD (блок, передаваемый в “прозрачном” режиме).

Формат TrD используется для того, чтобы передать с помощью RLC данные, поступившие от обслуживаемого уровня, не добавляя никаких заголовков.

Формат UMD (блок передачи объекта в режиме без подтверждения о приеме данных).

Формат UMD используется для того, чтобы передать последовательно пронумерованные PDU, содержащие RLC-данные исходного блока SDU. При этом исходные данные сегментируются для включения в протокольные блоки. В таком режиме сегменты передаются без подтверждения правильности приема сегментов и их сборки.

Заголовок UMD PDU в первом октете содержит порядковый номер первого сегмента блока данных (для этого используются 7 старших разрядов).

Далее заголовок RLC содержит индикаторы, указывающие длину каждого сегмента, начиная с первого.

Формат AMD (блок приема и передачи в режиме обслуживания с подтверждением о приеме данных).

Как и в предыдущем случае, формат AMD используется, чтобы передать последовательно пронумерованные PDU, содержащие RLC-данные исходного блока SDU. Однако формат AMD передает помимо пользовательских данных и другую информацию, которая дает возможность подтвердить правильный прием сегментов и поддержать процессы повторения информации. Эта информация позволяет:

Формат с вложением состояния PDU (Piggybacked Status PDU) наряду с пользовательскими данными содержит дополнительно вложенные данные для управления (например, данные о состоянии оборудования, сброса оборудования или таймеров в исходное состояние и др.).

Подробные описания этих форматов приведены в [117, 124].

Протокол управления доступом к среде (MAC — Media Access Control) обеспечивает услуги передачи данных по логическим каналам [126]. Набор логических типов канала определяется различными видами услуг передачи данных. Каждый логический тип канала определен типом передаваемой информации.

Уровень MAC имеет несколько групп протоколов:

Каждый протокольный блок данных (PDU) содержит заголовок опции MAC и заголовок сервисного блока данных (MAC SDU). Оба этих заголовка имеют переменный размер.

Содержание и размер заголовка MAC зависят от типа логического канала, и в некоторых случаях не указывается ни один из параметров этих заголовков. Размер MAC SDU зависит от размера протокольного блока данных предыдущих уровней, которые определяются при процедуре установки протоколов.

Структура заголовка протокола MAC представлена на рис. 6.7.

Рис. 6.7.

 
Структура заголовка MAC

TCTF (Target Channel Type Field) — поле назначения канала

Поле TCTF обеспечивает идентификацию логического класса канала. Они подразделяются на каналы случайного доступа (RACH) и каналы прямого доступа (FACH).

Размер поля TCTF и FACH для FDD — любой из 2 или 8 битов, зависящих от значения двух самых старших битов, для TDD — либо 3 либо 5 битов в зависимости от значения трех старших разрядов.

Поле UE-Id type поле длиной 2 бита необходимо, чтобы гарантировать правильную расшифровку поля UE-Id в заголовках MAC.

Значения этого поля:

Поле UE-Id обеспечивает идентификацию UE при передаче по транспортным каналам определены следующие типы UE-Id, используемые в MAC:

Длины поля UE-Id заголовка MAC следующая.

Поле C/T обеспечивает идентификацию логического канала, когда имеется много логических каналов в одном и том же транспортном канале. Поле C/T используется также, чтобы обеспечить идентификацию логического типа канала на выделенных транспортных каналах и на FACH и RACCH, когда их передачи идут на пользовательских каналах передачи данных. Размер поля C/T установлен 4 бита и для обычных транспортных каналов, и для выделенных транспортных каналов.

Поле C/T имеет следующие значения:

Управление соединением обрабатывает общий процесс управления установлением соединения и разъединения, а также управляет дополнительными услугами и службой передачи коротких сообщений. Он участвует в обслуживании следующих процедур:

Формат сообщения этого протокола представлен на рис. 6.8:

Значения поля “тип сообщения” формата CM приведены в табл. 6.2.

Рис. 6.8.

 
Формат протокола CM

Управление мобильностью выполняет функции управления обновлением местоположения и процедурами регистрации, а также защитой и аутентификацией.

Заголовок формата MM показан на рис. 6.9.

Рис. 6.9.

 
Формат протокола MM

Поля формата имеют следующие значения:

Значения поля “тип сообщения” в формате MM указаны в табл. 6.3.

Три плоскости в интерфейсе Iub используют общие средства передачи в режиме ATM для всех плоскостей. Физический уровень представляет собой интерфейс с физической средой: волоконно-оптическими кабелями, радиоканалом или медным проводом. Реализация на физическом уровне может выбираться из большого ряда таких стандартных имеющихся на сегодняшний день технологий передачи, как, например, SONET, SDH или E1.

Принцип уровня адаптации протоколов сигнализации (плоскость управления) в режиме ATM детально разобран в [19]. Мы рассмотрим два случая.

Основная сеть (CN) применяет технологию коммутации каналов (CS).

В этом случае задачу выполняет уровень адаптации для сигнализации (SAAL — Signaling ATM Adaptation Layer). Протоколы этого уровня содержат следующие подуровни (рис. 6.10):

Рис. 6.10.

 
Структура уровня адаптации ATM для сигнализации протоколов сигнализации UMTS (плоскость управления) для сети с коммутацией каналов (CS)

Для управления сигнализацией применяются также некоторые из уровней систем сигнализации по отдельному каналу сигнализации (ОКС).

Все эти уровни подробно изучены в [1, 10, 11, 17, 35]. Это уровни:

При выполнении отдельных функций могут быть некоторые варианты применения.Например, пакет протоколов для плоскости управления транспортной сетью состоит из протокола сигнализации для установления соединений без уровня SCCP (AAL2).

Основная сеть (CN) применяет технологию пакетной коммутации (PS).

Тогда задействуются средства, используемые в сети Интернет (рис. 6.11).

MUA (Mail User Agent) — протокол агента пользователя (почты). Этот протокол позволяет подключаться к хосту Интернета.

SCTP (Stream Control Transmission Protocol) — транспортный протокол управления потоком. Это протокол был введен в стек протоколов TCP/IP-2000 [112] как новый транспортный протокол, который определяется на транспортном уровне наряду с существующими протоколами IP и UDP. Он обеспечивает достоверность передачи информации по сети, без ошибок и нарушения последовательности. Подобно TCP, он ориентирован на систему с установлением соединения. В отличие от TCP, он обеспечивает транспортировку сообщений сигнализации с учетом особенностей этой информации. Подробно это протокол приводится в [112].

В плоскости управления транспортным уровнем сети с коммутацией пакетов (PS) для адаптации к сети ATM применяется протокол GTP (GPRS Tunnelling Protocol) — протокол туннельной проводки GPRS (General Packet Radio Service).

Туннельная проводка позволяет прозрачную передачу информации между различными узлами, т. е. без обработки преобразования.

Рис. 6.11.

 
Структура уровня адаптации ATM для сигнализации протоколов сигнализации UMTS (плоскость управления) для сети с коммутацией пакетов (PCS)

• Система UMTS использует хорошо известную архитектуру, которая применяется во всех основных системах второго поколения. Архитектура системы UMTS включает в себя мобильную телефонную станцию в системе UMTS – UE, базовую телефонную станцию — узел B, контроллер базовой станции (BSC) и центр коммутации мобильной связи (MSC).
• UE состоит из двух частей: подвижное оборудование (UE) и модуль идентификации абонента UMTS-SIM.
• UTRAN — сеть наземного радиодоступа UMTS, состоит из двух элементов: первый элемент — узел B и второй элемент — контроллер управления радиосетью (RNC).
• В сети UMTS во время мягкого хэндовера с одним UE могут работать два контроллера RNC. Тогда один из них (завершающий соединение) называется обслуживающим (SRNS — Service RNC), а другой — дрейфующим (Drift RNC).
• Центр коммутации мобильной связи (MSC) содержит все типовые элементы станции того же типа для GSM и выполняет те же функции. Центр коммутации мобильной связи (MSC) также разработан на основе базовой АТМ-инфраструктуры.
• Внешние сети для MSC можно разделить на две группы: сети c коммутацией каналов и сети с коммутацией пакетов. Для целей пакетной коммутации на мобильной сети устанавливаются коммутаторы: SGSN (узел по обеспечению услуг GPRS) и GGSN (узел по обеспечению межсетевого перехода GPRS к другим сетям с коммутацией пакетов).
• Все каналы разбиты на три категории: логические, транспортные и физические.
• Логические каналы — это широковещательный канал управления (BCCH), широковещательный управляющий канал оповещения (PCCH), выделенный канал управления (DCCH), общий канал управления (CCCH), общедоступный канал управления канала (SHCCH), специализированный канал трафика (DTCH), общий канал трафика (CTCH).
• Транспортные каналы — это специализированный транспортный канал (DCH), широковещательный канал (BCH), канал прямого доступа (FACH), широковещательный канал вызова (PCH), канал произвольного доступа (RACH), общий канал передачи пакетов (CPCH), канал совместного использования (DSCH).
• Физические Каналы — это первичный общий физический канал управления (PCCPCH), вторичный общий физический канал управления (SCCPCH), физический канал произвольного доступа (PRACH), специализированный физический канал данных (DPDCH), специализированный физический канал управления (DPCCH), общий пилот-канал (CPICH), канал индикации вхождения в синхронизм (AICH), физический совместно используемый канал (PDSCH), канал синхронизации (SCH), канал индикации вызова (PICH), канал индикации состояния (CSICH), обнаружение конфликтов/канал индикации назначения (CD/CA-ICH).
• Потоки информации, проходящие через UTRAN, логически делятся на две части: слой доступа (access stratum) и слой без доступа (non-access stratum, NAC).
• Протоколы плоскости управления (C-plane) определяют все функции сигнализации, установления, контроля и разъединения соединений. Это протоколы RANAP, RNSAP и NBAP.
• Плоскость пользователя (U-plane) обеспечивает транспортировку всех видов информации в совокупности с соответствующими механизмами защиты от ошибок, контроля и управления потоком.
• Плоскость управления транспортной сетью используется для всего управления организации виртуальных каналов сигнализации на транспортном уровне. В сети UMTS в нее включается протокол управления звеном доступа ALCAP (Access LinkControl Application), который необходим для установления транспортных B-каналов для плоскости пользователя.
• Устройство UE (User Equipment) использует группы протоколов: прикладные протоколы (управление мобильностью — MM, управление соединением — CC); управления радиоресурсами (RRC) и транспортные протоколы для организации передачи информации (управление радиоканалом (звеном) — RLC, управление доступом к среде — MAC).
• Для сообщений этих протоколов узел B (BTS) “прозрачен”. Он передает их в RNC, преобразуя радиосигналы в сигналы сети ATM с помощью протоколов уровня адаптации ATM 2 (AAL2).
• RRC имеет следующие интерфейсы: прикладные протоколы RRC, протоколы управления каналом связи (RLC), протоколы управления доступом к среде (MAC).
• Управление соединением (CM — Connection Management) обрабатывает общий процесс управления установлением соединения, разъединения и управляет дополнительными услугами, а также службой передачи коротких сообщений.
• Управление мобильностью (MM — Mobility Management) управляет обновлением местоположения и процедурами регистрации, а также защитой и аутентификацией.
• Радиопротокол управления каналом связи (RLC) обеспечивает 3 режима работы: передачи информации в режиме прозрачного обслуживания, передачи информации в режиме без подтверждения правильного приема данных (UMD); передачи и получения информации в режиме с подтверждением правильного приема данных (AMD).
• Протокол управления доступом к среде (MAC — Media Access Control) обеспечивает услуги передачи данных по логическим каналам. Набор логических типов канала определяется различными видами услуг передачи данных. Каждый логический тип канала определен типом передаваемой информации.
• Если базовая сеть (CN) применяет технологию коммутации каналов (CS), то задачу адаптирование протоколов сигнализации выполняет уровень адаптации для сигнализации (S-AAL).
• Протоколы S-AAL содержат следующие подуровни: сервисно-ориентированные функции координации (SSCF), сервисно-ориентированный протокол с установлением соединения (SSCOP), общие протоколы уровня адаптации (AAL-2 или AAL5).
• Для управления сигнализацией применяются также некоторые из уровней систем сигнализации по отдельному каналу сигнализации (ОКС): SCCP — подсистема управления соединениями сигнализации, MAP-3 — подсистема передачи сообщений третьего уровня.
• Если базовая сеть (CN) работает с технологией пакетной коммутации (PS), то применяются средства, используемые в сети Интернет: MUA (Mail User Agent) — протокол агента пользователя (почты), SCTP (Stream Control Transmission Protocol) — транспортный протокол управления потоком.
• Для плоскости управления транспортным уровнем сети с коммутацией пакетов (PS) для адаптации к сети ATM применяется протокол GTP-U (Group Termination Point User Data Tunnelling) — протокол туннельной проводки.

Рассматриваются процедуры наземной части UMTS (сеть UTRAN).

По сравнению с системой GSM, система UMTS имеет много дополнительных возможностей по управлению соединениями и услугами. Это объясняется в первую очередь:

Кроме того, добавляются процедуры взаимодействия с существующей сетью GSM. Поэтому количество возможных процедур велико. Мы рассмотрим только некоторые. Большое число примеров процедур сети UMTS приведено в документах группы 3GPP [58, 118, 126, 129], а также книгах [88, 89, 99, 100, 116, 118]. На рис. 7.1 показано соотношение между уровнями протоколов и логическими каналами [116, 118].

Состав сигналов каждого набора прикладного уровня приведен в табл. 7.1–7.3.

Рис. 7.1.

 
Каналы и протоколы UE и URTRAN (плоскость управления): а) в режиме “свободно”; б) в режиме “соединение”

Протокол прикладного уровня сети радиодоступа RANAP (RAN Application) — сигнальный протокол уровня радиосети в интерфейсе Iub. управляет сигнализацией и установлением каналов туннельной проводки (GTP — GPRS Tunneling Protocol), т. е. каналов прозрачной передачи данных между RNC, узлом обслуживания с поддержкой GPRS (3G-SGSN), а также сигнализацией и установлением каналов сигнализации для 3G MSC [87, 113]. Он задает канал сигнализации, чтобы прозрачно передать сообщения между UE и базовой сетью (CN). Протокол RANAP обеспечивает радиосредствам и службам RNS процедуры для доступа, а также для перехода к другой станции.

RANAP отвечает за три типа услуг:

Процедуры и сообщения прикладного уровня сети доступа (RANAP) показаны в табл. 7.1.

Протокол прикладной подсистемы базовых станций (NBAP — Network Base Station Application) используется для работы по интерфейсу Iur. Он включает в себя общие и специализированные процедуры, охватывая процедуры для широковещательного распределения информации, запроса, установления, завершения и освобождения и управления логическими ресурсами.

Подобно большинству протоколов, основанных на нотации абстрактного синтаксиса 1 (Abstract Syntax Notation One), протокол NBAP может передавать много типов сообщений, которые доставляют большой объем данных.

Заголовок протокола NBAP выглядит следующим образом. Каждый PDU NBAP имеет уникальный формат заголовка, который содержит некоторое число полей. Ниже приводится пример первоначального PDU NBAP.

Рис. 7.2.

 
Первоначальное сообщение NBAP

Протокол реализован с использованием правил нотации абстрактного синтаксиса 1— ASN.1 (Abstract Syntax Notation) [69].

Обозначения в формате следующие.

Тип NBAP PDU. Тип передаваемого протокольного блока данных.

Процедура ID. Процедура ID должна использоваться при диагностике как часть процедуры обнаружения ошибки (Error Indication).

Код процедуры. Вместе с полем “тип протокольного блока данных” уникально идентифицируют передаваемое сообщение.

Дискриминатор сообщения. Это поле необходимо, чтобы задать различия между специализированными и общими (обычными) сообщениями NBAP.

Переход ID. Переход ID используется, чтобы связать все сообщения, принадлежащие одной и той же процедуре.

Процедуры и сообщения прикладной подсистемы базовой станции (NBAP) показаны в табл. 7.2.

Процедуры прикладной подсистемы радиосети (RNSAP — Radio Network System Application) разделяются на 3 модуля:

Модули базовых процедур управления мобильностью содержат процедуры, используемые при перемещении внутри сети UTRAN, и управляют транспортными потоками данных по интерфейсу Iur.

DCH-процедуры используются для обработки сообщений, поступающих по DCH каналам между двумя RNS по интерфейсу Iur.

Модуль глобальных процедур содержит процедуры, не относящиеся к специфике UE. Эти процедуры, в отличие от упомянутых выше, работают по принципу “процесс — процесс”.

Заголовок RNSAP имеет вид, представленный на рис. 7.3, а процедуры и сообщения приведены в табл. 7.3.

Рис. 7.3.

 
Формат RNSAP

Поля на рис. 7.3 имеют следующие значения [69].

Тип сообщения указывает на модули, перечисленные выше.

Идентификатор сообщения указывает процедуры согласно табл. 7.3.

Процедуры сигнализации изложены в основном документе 3GPP [118]. Описание процедур не является стандартом или типовым примером, но показывает некоторую технику обмена сигналами и действий в процессе обслуживания заявок пользователей.

Приводимые ниже сигнальные процедуры показывают последовательность взаимодействия протоколов на различных узлах. Для изображения этих процедур применяются правила “Диаграммы обмена последовательностями”, изложенной в документе 3GPP “25.931 V1.1.0 1 1999-06”.

Они состоят в следующем:

• сообщениями обмениваются только узлы, т. е. передатчик и приемник сообщений не представляют собой объекты протокола (программы);
• объекты протокола указаны внутри графических узлов, из которых посылаются сообщения, и графически представлены эллипсами, содержащими имя протокола этого объекта;
• каждое сообщение пронумеровано, чтобы ниже рисунка можно было дать пояснения в порядке этой нумерации;
• параметры сообщений могут быть при необходимости указаны;
• передача по отдельному сигнальному каналу указана сплошной стрелкой;
• передача по каналу внутри информационного канала показана штриховой линией;
• описание сложных действий показывается в прямоугольнике в виде имени этого набора действий;
• установление и освобождение интерфейсов Iub/Iur транспортных средств переноса данных (DTB — Data Transport Bearer) с помощью прикладного протокола управления звеном данных ALCAP показано специальной фигурой;
• транспортный канал, используемый в протоколе доступа, или логический канал, используемый в RLC или RRC, может быть указан перед сообщением.

Эти правила необходимо иметь в виду при дальнейшем анализе диаграмм рассматриваемых процедур.

Эта процедура глобальная, т. е. относится ко всем элементам сети. Диаграмма приведена на рис. 7.4.

Рис. 7.4.

 
Пример диаграммы обмена сигналами в процедуре широковещательной передачи информации

На рисунке показан принцип рассылки широковещательных сообщений от базового узла (CN). Широковещательная информация, обозначенная на рисунке как системная, передается на управляющий RNC (CRNC). Далее она пересылается на определенный узел B. Этот узел определяет, что информация является широковещательной, и передает ее далее всем UE в управляемой соте (на рис. 7.4 — трем UE).

В этом разделе рассматриваются примеры двух процедур (рис. 7.5, 7.6):

Первая процедура заключается в том, что станция запрашивает свободный UE. Этот вызов с номером абонента передается управляемым сотам. Требуемый UE устанавливает сигнальное соединение, после чего базовый узел может начать конкретное взаимодействие.

Пример такой процедуры — входящий вызов.

Рис. 7.5.

 
Пример диаграммы обмена сигналами в процедуре оповещения (Paging) при свободном UE

Рассмотрим первую из этих процедур — оповещение (Paging) для UE на уровне управления радиоресурсом (RRC) в режиме “свободно”.

1. Основная сеть (CN) инициирует оповещение UE в зоне нахождения (LA — Location Area), охватывающей два RNC, то есть RNC1 и RNC2, c помощью сообщения RANAP (прикладного уровня сети доступа).

   Параметры сообщения: идентификатор UE, тип сообщения — оповещение (широковещательная передача вызова).

2. Оповещение (paging). RNC1 и RNC2 передают это сообщение с помощью NBAP (прикладной подсистемы базовой станции) к соответствующим узлам B (например, узел B 1.1, узел B 2.1).

   Параметры: идентификатор UE.

3. Оповещение UE, выполняемое в соте 1. Прямоугольник показывает, что проводятся сложные действия, в частности, выбор канала и подготовка к приему соединения.

   Параметры: идентификатор UE.

4. Оповещение UE, выполняемое в соте 2. Прямоугольник показывает, что проводятся сложные действия, в частности, выбор канала и подготовка к приему соединения.

5. UE выбирает сообщение оповещения, например, от RNC1, и начинает процедуру установления сигнального канала для передачи с помощью системы, не разделенной на уровни (NAS — NonAccess Stratum).

Теперь по установленному сигнальному каналу может идти передача сообщений.

Рассмотрим вторую процедуру — оповещение для UE, имеющего соединение на уровне управления радиоресурсом RRC (рис. 7.6).

В этом случае для передачи широковещательного сообщения используется выделенный канал управления (DCCH — Dedicated Control Channel).

Процедура применяется, например, при подготовке работы со службой коротких сообщений (SMS — Short Message Service).

Рис. 7.6.

 
Пример процедуры оповещения UE на уровне управления радиоресурсом ресурсом (RRC) в режиме, когда процедуру координирует UTRAN и имеется готовое соединение

1. Основная сеть инициирует оповещение UE c помощью сообщения RANAP (прикладного уровня сети доступа).
2. Обслуживающий RNC (SRNC) передает сообщение с помощью уже установленного канала выделенного канала управления — DCCH (Dedicated Control Channel), используя протоколы уровня управления радиоресурсами.

Следующие примеры показывают установление сигнального соединения либо от UE, либо от CN через слой NAS. Напомним, что NAS — это слой без доступа (non-access stratum, NAC), информация, переносимая между CN и UE через UTRAN.

Установление соединения NAS от UE

Этот пример (рис. 7.7) показывает установление сигнального соединения NAS от UE либо от CN через слой NAS.

Рис. 7.7.

 
Пример процедуры установления сигнального соединения NAS

1. Установление соединения для работы по протоколу RRS (см. сигналы в табл. 6.2).

2. UE посылает SRNC сообщение Информация о возможностях UE.

   Параметры: радиовозможности UE (например, максимальное число одновременных радиолиний связи, максимальная мощность передатчика, поддерживаемые типы радиодоступа).

   Замечание: для ускорения передачи начального сообщения NAS сообщение RRC Информация о возможностях может быть передано на шаге 3, после передачи первоначального сообщения.

3. UE передает SRNC сообщение RRC Прямая передача.

   Параметры: сообщение “прямая передача” (может содержать, например, сообщение-запрос уровня CM на услугу, запрос на изменение местоположения, вызов сети GSM и.т. д.). Индикатор основной сети указывает номер узла основной сети CN, на которую должно быть отправлено NAS-сообщение.

4. SRNC инициирует установление сигнального соединения к CN и передает RANAP сообщение Первоначальное сообщение UE.

   Параметры: первоначальное NAS-сообщение (может содержать, например, сообщение-запрос уровня CM на услугу, запрос на изменение местоположения, вызов сети и т. д.).

Сигнальное соединение NAS между UE и CN может теперь использоваться для передачи сообщений NAS.

Следующие примеры показывают установление соединения RRC с помощью либо специализированного канала (DCH), либо общего транспортного канала.

Установление соединения RRC на специализированном канале (DCH)

Сначала устанавливается канал DCH (рис. 7.8). Далее RNC использует канал DCH для создания RRC-соединения, распределения временных номеров радиосети (RNTI) и радиоресурсов RRC-соединения.

Рис. 7.8.

 
Пример процедуры установления специализированного канала (DCH) и использования его для соединения RRC

1. UE инициирует установление соединения передачей сообщения Запрос на установление соединения RRC по общему каналу управления (CCCH — Common Control Channel).

   Параметры: идентификатор UE, причина соединения.

2. После выделения и занятия радиоресурса для установления транспортного канала DCH к узлу B (BTS) посылается сообщение Вызов радиосоединения.

   Параметры: идентификатор соты, тип формата транспортировки, код скремблирования (для FDD), информация о временных слотах (для TDD), пользовательские коды (для TDD), информация об управлении мощностью.

3. Узел B занимает ресурсы, начинает физический прием и посылает Ответ на вызов радиосоединения.

   Параметры: тип оконечного терминала сигнальной линии, информация адресации на транспортном уровне (адрес AAL2, адреса связи AAL2) для транспортных каналов Iub.

4. SRNC инициирует среду переноса транспортной информации. Для этого он использует прикладную подсистему управления звеном доступа (ALCAP — Access Link ControlApplication Protocol).

   Этот запрос содержит информацию о связи между транспортной средой доставки AAL2 и каналом DCH. Запрос для установления транспортных каналов Iub подтверждается узлом B.

5. Узел B и SRNC устанавливают синхронизм для транспортных каналов Iub. Затем Узел B начинает передачу (только для FDD).

6. По каналу CCCH посылается сообщение Запрос на установление RRC-соединения от SRNC к UE.

   Параметры: идентификатор UE, временный сетевой номер радиосети (RNTI), тип формата транспортировки, код скремблирования (для FDD), информация о временных слотах (для TDD), пользовательские коды (для TDD), информация об управлении мощностью.

В рамках UMTS используется хэндовер, который во многом повторяет концепцию, принятую для многих других систем CDMA. Имеется три типа хэндовера — жесткий, мягкий и более мягкий. Все три типа применяются в зависимости от обстоятельств.

Жесткий хэндовер используется при передаче соединения системе предыдущего поколения. В данном случае соединение, работающее на одной частоте, должно быть передано каналу другой частоты. При таких обстоятельствах одновременный прием информации несколькими станциями невозможен, и при передаче соединения оно должно быть прервано.

Мягкий хэндовер — этот метод не может быть реализован системами предыдущих поколений мобильной связи. В системах, использующих технологию CDMA, возможна работа смежных сот на одной и той же частоте. В результате возможно, что UE получит сигналы из RNC двух смежных сот и они также смогут получить сигналы от одного и того же UE. Такое явление называется мягким хэндовером.

Более мягкий хэнедовер заключается в том, что каналы от двух RNC воспринимаются как один объединенный и один из каналов исключается после его значительного ослабления. Это обычно происходит при переходе управления в разных секторах одной соты.

Решение о передаче вызова в общем случае принимается контроллером управления радиосетью (RNC — Radio Network Controller). Он непрерывно следит за уровнем сигналов, поступающих на UE и узел B, и, когда их уровень падает ниже заданного уровня и имеются радиоканалы с лучшими характеристиками, запускается процесс хэндовера. Частью процесса слежения (мониторинга) является измерение кода мощности принятого сигнала (RSCP — Received Signal Code Power) и индикатора уровня принимаемого сигнала (Received Signal Strength Indicator).Эта информация возвращается узлу B по управляющим каналам, а, следовательно, по RNC.

Если требуется жесткий хэндовер, то RNC дает команды UE для измерения качества каналов в других сотах.

Это пример установления соединения по радиоканалу от дрейфующего RNC (DRNC) c текущим обслуживающим контроллером (SRNC — обслуживающий контроллер) (рис. 7.9).

Этот канал будет функционировать параллельно с существующим, и в этом смысле это будет разнесенный канал.

увеличить изображение
Рис. 7.9.

 
Дополнение радиоканала

1. SRNC начинает устанавливать радиосоединение через новую соту, управляемую другим радиоконтроллером (DRNC), посылая для этого сигнал запроса. Прикладная подсистема RNSAP посылает сигнальное сообщение Дополнить радиосоединение. Если это первое соединение через DRNC для этого UE, то Iur устанавливает сигнальное соединение между RNC. Оно будет использоваться для сигнальных сообщений всех прикладных подсистем RNSAP, относящихся к этой UE.

   Параметры: идентификатор соты, тип формата транспортировки, код скремблирования (для FDD), информация о временных слотах (для TDD), пользовательские коды (для TDD), код каналообразования, информация об управлении мощностью.

2. Если требуемые ресурсы доступны, DRNC посылает с помощью прикладной подсистемы базовой станции (NBAP) к узлу B, управляемому этим DRNC, сообщение Радиосоединение установлено.

   Параметры: идентификатор соты, тип формата транспортировки, код скремблирования (для FDD), информация о временных слотах (для TDD), пользовательские коды (для TDD), код каналообразования.

3. Узел B выбирает и закрепляет за данным соединением выбранные ресурсы, сообщая в случае успешного результата передачей сообщения с помощью подсистемы NBAP Ответ на установление радиосоединения.

   Параметры: тип оконечного терминала, адресная информация транспортного уровня (адрес AAL2, идентификаторы связиAAL2 для транспортных каналов).

   Затем узел B начинает прием пользовательской информации.

4. DRNC с помощью подсистемы RNSAP посылает SRNC сообщение Ответ на дополнение радиосоединения.

   Параметры: код каналообразования, адресная информация транспортного уровня (адрес AAL2, идентификаторы связиAAL2 для транспортных каналов), информация о соседних сотах.

5. SRNC инициирует установление транспортных каналов передачи данных, применяющих прикладные протоколы управления доступом (ALCAP). Они используют протоколы уровня AAL2 и интерфейсы транспортных каналов данных интерфейсов Iur/Iub и DCCH. Это повторяется для каждого интерфейса Iur/Iub, который будет задействован.
6. Узел B и SRNC проводят синхронизацию средств транспортировки для всех установленных радиоканалов. Затем Узел B начинает передачу данных по этим каналам.
7. SRNC посылает RRC по каналу DCCH RRC-сообщение Активизация обновления данных (для дополненного соединения) к UE.

   Параметры: тип сообщения Обновление данных, идентификатор соты, параметры скремблирования, код каналообразования, информация управления мощностью (N-каналы).

8. UE подтверждает окончание процедуры RRC-сообщением Активизация обновления данных закончена.

Это пример удаления соединения по радиоканалу, когда узел B (BTC) управляется по радиоканалу от дрейфующего RNC (DRNC). Другими словами, дрейфующий RNC становится текущим (SRNC) (рис. 7.10).

увеличить изображение
Рис. 7.10.

 
Удаление радиоканала (удаление ветви)

1. SRNC решает удалить радиосоединение, которое проходило через старую соту, управляемую другим RNC (предыдущим). SRNC (новый контроллер) посылает RRC к UE по DCCH-каналу сообщение Активизировать обновление данных (удалить радиолинию).

   Параметры: тип сообщения — удалить, идентификатор соты.

2. UE останавливает прием по старой ветви и посылает подтверждение с помощью RRC-сообщения Активизация обновления данных закончена.
3. SRNC (новый контроллер) запрашивает DRNC (старый контроллер) Освободить размещенные радиоресурсы. Это делается с помощью сообщения Удалить радиосоединение.

   Параметры: идентификатор соты, информация о транспортном соединении.

4. DRNC посылает узлу B NBAP-сообщение Радиосоединение удалено.

   Параметры: идентификатор соты, информация о транспортном соединении.

5. Узел B освобождает занятые радиоресурсы и в случае успешного результата посылает NBAP-сообщение Ответ на удаление радиосоединения.
6. DRNC посылает к SRNC (новый контроллер) RNSAP-сообщение Ответ на удаление радиосоединения.
7. SRNC инициализирует разъединение транспортных каналов передачи данных Iur/Iub, используя протоколы прикладного уровня радиодоступа (ALCAP).

Этот пример показывает одновременное дополнение и удаление радиосоединения, которое проходит через узел B и управляет другим RNC (DRHC), нежели обслуживающий (SRNC). Напомним, что после обновления данных в процедуре удаления они меняют свои роли — дрейфующий RNC становится обслуживающим и наоборот. Процедура следующая (рис. 7.11).

увеличить изображение
Рис. 7.11.

 
Одновременное дополнение и удаление радиосоединения

Рассматривается случай передачи управления от SRNC к DRNC, принадлежащих одному CN (рис. 7.12). Процесс основан на операциях дополнения и удаления радиоканалов, которые рассмотрены выше.

увеличить изображение
Рис. 7.12.

 
Жесткий хэндовер между контроллерами одной основной сети

Контроллеры RNS сети UMTS могут иметь сигнальные каналы, непосредственно связывающие их друг с другом. Они могут быть использованы для хэндовера, что иллюстрируется диаграммой на рис. 7.13.

увеличить изображение
Рис. 7.13.

 
Хэндовер с использованием интерфейса Iur

При этом виде хэндовера выполняется следующая последовательность действий:

1. получив результаты измерения, SRNC принимает решение о начале хэндовера;
2. с использованием интерфейса Iur устанавливается общий канал (CCCH);
3. по этому каналу передается RNSAP команда хэндовера ;
4. далее она транслируется RRC;
5. 5–8 пп. представляют собой обычный набор команд завершения хэндовера.

Согласно интерфейсу между RNC могут быть установлены (рис. 7.14) специализированные транспортные каналы (например, DCCH).

увеличить изображение
Рис. 7.14.

 
Хэндовер с использованием интерфейса Iur (организация каналов DCCH)

1. SRNC посылает сообщение Запрос на вызов радиосоединения к RNC цели.

   Параметры: идентификатор RNC-цели, временный номер в радиосети (RNTI), идентификатор соты, набор форматов транспортного уровня.

2. Целевой RNC принимает RNTI и выбирает радиоресурсы для подключения (если это возможно) и посылает узлу B на уровне прикладной подсистемы базовой станции (NBAP) сообщение Вызов радиосоединения.

   Параметры: идентификатор соты, транспортный формат, номинал несущей частоты, код скремблирования (только для режима частотного разделения FDD), номер временного положения, код пользовательского канала (только для временного разделения каналов TDD), код каналообразования (только для FDD), информация для управления мощностью.

3. Узел B выбирает ресурсы и начинает физический прием, после чего отвечает NBAP сообщением Ответ на вызов радиосоединения.

   Параметры: тип оконечного сигнального оборудования, адресная информация для транспортных средств интерфейса Iub.

4. RNC-источник, используя протокол ALCAP, инициирует установление каналов передачи данных транспортного уровня. Этот запрос содержит идентификаторы связи с уровнем AAL2 и “привязывает” Iub к DCH. Запрос подтверждается узлом B-цель.
5. Когда целевой RNC заканчивает фазу подготовки, он посылает SRNC-сообщение Ответ по запросу на вызов.
6. SRNC, используя протокол ALCAP, инициирует установление соединения транспортных каналов интерфейса Iur. Этот процесс содержит идентификаторы связи с уровнем AAL2 для обеспечения связи транспортных каналов интерфейса Iur с каналом DCH. Запрос на установления транспортных каналов интерфейса Iur подтверждается целевым RNC.
7. SRNC посылает RRC-сообщение Команда хэндовера к UE.
8. Когда RRC-соединение с целевым RNC установлено и выделены необходимые ресурсы, UE посылает сообщение к SRNC Хэндовер окончен.
9. SRNC посылает к RNC-источнику RNSAP-сообщение Удаление радиосоединения.
10. RNC-источник посылает к узлу B источнику NBAP-сообщение Удаление радиосоединения.

    Параметры: идентификатор соты, адресная информация транспортного уровня.

11. Узел B источника освобождает радиоресурсы. Если они освобождены, он посылает к RNC-источнику сообщениеОтвет на удаление радиосоединения.
12. RNC-источник, используя протокол ALCAP, инициирует освобождение транспортных каналов передачи данных для разъединения.
13. Когда RNC-источник завершает освобождение, он посылает RNSAP-сообщение Ответ на удаление радиосоединения.
14. SRNC, используя протокол ALCAP, инициирует освобождение транспортных каналов передачи данных интерфейса Iur. Этот процесс содержит идентификаторы связи с уровнем AAL2, для того чтобы связать транспортные каналы интерфейса Iur с каналом DCH. Запрос подтверждается целевым RNC.

В рассматриваемом случае UE перемещается между зонами, принадлежащими разным MSC. Обслуживающий RNS (SRNC) принимает решение (рис. 7.15) осуществить жесткий хэндовер через основную сеть (CN). SRNC также определяет, какой RNC может быть целью перемещения.

увеличить изображение
Рис. 7.15.

 
Хэндовер с коммутацией на CN (UE перемещается между зонами, принадлежащими разным MSC)

• 1–2. SRNC (RNC – источник) посылает сообщение Запрос на изменение местоположения к обоим узлам основной сети.

  Параметры: идентификатор целевой сети, указатель направления информации к основной сети и указатель, что эта информация должна быть прозрачно передана целевому RNC.

• 3–4. Когда узлы основной сети (CN) закончат подготовку к изменению местоположения, они передают целевому RNC сообщение Запрос на изменение местоположения.

  Параметры: идентификаторы каналов, которые могут быть затребованы для перемаршрутизации соединения, запрос на изменения положения, посылаемого первоначальным узлом, указывается желательный тип маршрутизации (точка или много точек) или жесткое заранее определенное соединение. В этом примере предполагается, что целевой RNC располагает необходимыми ресурсами внутри подсети UTRAN для радиосоединения и завершения процедуры хэндовера.

• 5–6–7. Целевой RNC и CN устанавливают Iu транспортных каналов передачи для каждого узла основной сети соответственно. Когда RNC закончит подготовительную фазу, он посылает узлам основной сети сообщение Подтверждение запроса на изменение местоположения.

  Параметры: указатель прозрачной передачи информации к RNC-источнику об изменении местоположения.

• 8–9. Когда CN готово для изменения RNC, узел основной сети (CN) посылает Команду на изменение местоположения.

  Параметры: информация для целевого RNC.

• 10. RNC-источник посылает UE RRC-сообщение Команда хэндовера ( жесткий хэндовер ).
• 11–12. Когда целевой RNC обнаруживает UE, он посылает к узлу основной сети (CN) сообщение Обнаружено изменение местоположения. Целевой RNC, когда обнаруживает UE, переключает новое соединение к новому Iu. После подключения пользовательской линии от узла B осуществляется установление соединения к новым субъектам оборудования управления радиодоступом радиосоединением (MAC/RLC) и к оборудованию группового радиодоступа и узлов B.
• 13. Когда установлено RRC-соединение с целевым RNC и найдены необходимые радиоресурсы, UE посылает к целевому RNC RRC-сообщение Хэндовер закончен.
• 14–15. После успешного переключения и выбора ресурсов на целевом RNC, RNC посылает своему узлу сообщение Хэндовер закончен.

  На любой фазе, прежде чем посылается сообщение Хэндовер закончен, старое коммутационное соединение между основной сетью (CN) и UE существует и работает, процедура хэндовера может быть приостановлена и легко восстановлена прежняя конфигурация. Если внезапно случается непредвиденная ситуация, то может быть передано сообщение Ошибка при изменении местоположения вместо любого из сообщений, которые приведены выше в пп. 3–10, 13–14.

• 16–17. Узел основной сети (CN) инициирует запрос на разъединение Iu-соединения к RNC-источнику, посылая RANAP-сообщение Команда на освобождение Iu.
• 18. После получения запроса на разъединение от узлов основной сети (CN) SRNC выполняет все необходимые процедуры для освобождения всех UTRAN-ресурсов, которые были связаны с рассматриваемым соединением RRC.

Этот пример (рис. 7.16) показывает взаимодействие во время изменения местоположения между RNC с переключением на узле основной сети при изменении обслуживающего RNC.

На рисунке представлен алгоритм работы при перемещении UE к новой RNC-цели. Рассматривается момент, когда уже выполнена часть алгоритма, в которой обслуживающий SRNC обнаруживает, что величина мощности сигнала от UE меньше заданного порога, и с помощью CN определена сота (RNC-цель), в которую должно переместиться UE.

увеличить изображение
Рис. 7.16.

 
Изменение местоположения соты с изменением обслуживающего RNC

Опишем этапы рассматриваемого процесса.

1. RNC-цель получает и декодирует сообщение по общему управляющему каналу CCCH. В этом сообщении содержится идентификатор RNC-цели и временный номер UE. После этого RNC-цель назначает новый сотовый временный номер радиосети C-RNTI (Cell Radio Network Temporary Identifier). Этот номер позволяет идентифицировать станцию на время ее перехода к другому контроллеру.
2. Присвоенный номер передается с помощью RNSAP обслуживающему RNC (SRNC). SRNC принимает решение о передаче UE RNC-цели.
3. Процедура изменения местоположения соты аналогична уже рассмотренной на рис. 7.15. В результате этой процедуры назначается обслуживающий временный номер радиосети (S-RNTI — Serving Radio Network Temporary Identifier) на все время пребывания в новом местоположении.
4. RNC-цели присваивается значение обслуживающего временного номера RNC (SRNC), RRC посылает сообщение Подтверждение обновления соты, которое включает в себя старый S-RNTI, новый S-RNTI, идентификаторы старого и нового SRNC.

Этот вид хендовера иллюстрирует рис. 7.17. Основная особенность рассматриваемого случая состоит в том, что выполняется процедура жесткого хэндовера. Устройства сети UTRAN обеспечивают физическую совместимость с системой GSM. Последовательность выполнения процесса следующая.

увеличить изображение
Рис. 7.17. 

Физический уровень UMTS/WCDMA полностью отличается от решений, применяемых в GSM. Он использует технологию расширения спектра передачи в виде, применяемом в CDMA, а не технологию TDMA, которая применяется в GSM. Кроме того, UMTS работает в другом диапазоне частот.

В настоящее время имеется шесть полос частот, определенных для использования в UMTS/CDMA, хотя и другие не запрещены. Однако все диапазоны, применяемые в настоящее время, выбираются около 2 ГГц. Международная конференция администраций по радиочастотам (WARC — World Administrative Radio Conference) еще в 1992 году рекомендовала администрациям, предполагающим внедрить IMT-2000, не занимать диапазоны 1885–2005 и 2110–2200 МГц. Целью такой рекомендации было облегчить всемирный роуминг для пользователей UMTS.

В пределах этих полос были зарезервированы участки для различных приложений:

Как уже упоминалось, в России для систем 3G распределяются диапазоны 1935–1950, 2022–2040, 2225–2240. UMTS использует транспортный механизм WCDMA для транспортировки информации. Каждый канал занимает диапазон 5 МГц. Для передачи информации от узла B к UE и в обратном направлении применяются различные способы модуляции. Для передачи от узла B к UE применяется квадратурно-фазовая манипуляция (QPSK — QuadratePhase Shift Keying). Для передачи в обратном направлении используются два отдельных канала, так, чтобы прямые и обратные линии передачи речи не влияли друг на друга (эта проблема была обнаружена в GSM). Для образования двойного канала (DQPSK — Dual QuadratePhase Shift Keying) применяются специальные модуляторы-демодуляторы. Он использует для передачи по каждому из каналов различные фазы модуляции (I и Q) или квадратурный выход модулятора.

Передаваемые данные кодируются, используя расширяющий код, конкретный для каждого пользователя. После такого кодирования информацию может расшифровать только желательный получатель. Все другие сигналы появляются и отделяются как шум. Это позволяет нескольким пользователям одновременно пользоваться одним физическим радиочастотным каналом.

Коды исходного сигнала CDMA умножаются на расширяющую кодовую последовательность (spreading code), что увеличивает ширину полосы, занимаемую сигналом. Для WCDMA каждый физический канал расширяется уникальной и различной расширяющейся последовательностью. Полный коэффициент расширения (отношение ширины полосы частот в радиоканале к скорости передаваемой информации) изменяется, чтобы в полной степени использовать полосу пропускания. В той мере как будет изменяться требуемая скорость от приложения к приложению, так соответственно будет изменяться коэффициент расширения.

При передаче информации от узла B к UE скорость передачи равна 3,84 Мбит/с. При модуляции QPSK возможна передача двух бит на каждый символ (чип). Таким образом, скорость в канале будет равна 7,68 Мбит/c. Если фактическая скорость передачи данных равна 15 бит/с, то коэффициент расширения — 512. Если первоначальная скорость будет выше, чем скорость последовательности расширения, то система должна будет регулировать первоначальную скорость. Следует помнить, что изменение скорости чипов изменяет полностью всю эффективность работы системы. Высокий коэффициент расширения улучшает характеристики и дает возможность осуществлять простую корреляцию, а следовательно, позволяет уменьшить мощность передачи при прежнем уровне ошибок.

Коды, которые требуются для расширения сигнала, должны быть ортогональны, чтобы множество пользователей и каналов работали без взаимных помех и влияний, и должны работать синхронно. Поскольку невозможно при переменном коэффициенте расширения сохранить точный синхронизм, используется второй набор кодов скремблирования, которые гарантируют, что взаимное влияние не отразится на работе системы. Код скремблирования — это код, применяющий для шифрования псевдослучайные числа. Таким образом, имеется две ступени расширения: первая ступень — на основе ортогональных кодов с переменным коэффициентом расширения кодов (OVSF — Orthogonal Variable Spreading Factor codes), и вторая — на основе псевдослучайных чисел. Эти коды используются, чтобы обеспечить два отличающихся уровня отделения сигнала.

Ортогональные коды с переменным коэффициентом расширения — это ансамбль кодов с переменной длиной; он формируется на основе кодового дерева, каждый уровень которого удваивает число возможных комбинаций и длину кода.

Расширяющие кодовые последовательности OVSF используются, чтобы идентифицировать пользовательские услуги в соединительных и пользовательских каналах в направлении от узла B к UE, тогда как псевдокоды (PN) применяются, чтобы идентифицировать индивидуальный узел B или UE.

На канале связи от UE к узлу B есть выбор миллионов различных псевдокодов (PN), позволяющих выработать индивидуальный код для идентификации UE. В результате имеется более чем достаточно кодов, чтобы разместить большое число различных UE, которые, вероятно, могут обратиться к сети для обслуживания. Для каналов с направлением от узла B к UE используется короткий код. Общее количество различных кодов, которые могут быть использованы, — 512. Один из них назначается каждому узлу B.

При кодировании речи в UMTS используются различные скорости и поэтому могут применяться различные вокодеры. Когда система предоставляет возможность использовать различные скорости, она называется “адаптивной многоскоростной системой” (AMRS — Adaptive Multi-Rate System). Она может применяться там, где скорость выбирается в соответствии с емкостью и требованиями системы. Эта схема — та же, что используется в GSM.

Одной из важных характеристик мобильных телефонов является время разрядки батареи. Это “ключевая особенность”, которой интересуются люди, покупающие телефон, и это определяет его ценность. Принимая во внимание это обстоятельство, в стандарт UMTS/CDMA был введен режим прерывистой передачи (DTX — Discontinuous Transmission) или “спящий режим” (режим ожидания). Этот режим позволяет отключить несколько энергоемких элементов UE до тех пор, пока не будет получен сигнал широковещательного вызова.

Для введения такого механизма в UMTS/CDMA цепи, работающие с широковещательным каналом, разделены на группы и подканалы. Реальный номер используемого широковещательного подканала (используемой части оборудования) назначается сетью. Таким образом, UE только часть времени должен “слушать сеть”. Чтобы обеспечить это, канал индикатора вызова (PICH — Paging Indicator Channel) разбит на 10 мс кадры, каждый из которых содержит 300 бит: 288 для широковещательной рассылки данных и 12 незанятых битов. В начале каждого кадра канала широковещательного вызова есть индикатор оповещения (PI — Paging Indicator), который идентифицирует передаваемую группу оповещения. Согласно номеру PI определяется широковещательный канал вызова — можно включить приемник, только когда он должен контролировать широковещательный канал вызова.

Синхронизация, которая требуется для UMTS-системы, обеспечивается первичным каналом синхронизации (PSCH) и вторичным каналом синхронизации (SSCH). Эти каналы работают по методике, отличающейся от методик нормальных каналов, и в результате они действуют не расширяясь и не используя псевдокоды (PN) и OVSF-коды, — вместо этого для расширения применяются коды синхронизации. Имеются два типа соответствующих кодов. Первый называется “первичный код” и используется PSCH-каналом, а второй — “вторичный код” для применения в SSCH-каналах. Первичный код — один и тот же для всех сот и состоит из последовательности 256 чипов, которые передаются в каждом временном положении. Это позволяет UE синхронизировать свою работу с временными положениями узла B.

Когда UE получает слот синхронизации, это лишь сигнал о начале или конце временного положения, но ничего не известно об особенностях информации, содержащейся в этом временном положении, или о характеристиках кадра. Для передачи этих сведений используются вторичные коды синхронизации.

Всего существует 16 различных вторичных кодов синхронизации. Один из кодов (256 чипов) посылается в начале временного положения. Он содержит 15 кодов синхронизации и 64 кода групп скремблирования. Когда UE получает эту информацию, он может определить, какой код обозначает начало кадра, и таким способом завершить синхронизацию.

Скремблирующие коды в SSCH дают возможность UE идентифицировать, какой код используется в данном случае, и, следовательно, идентифицировать узел B. Скремблирующие коды разделяются на 64 группы, каждая по 8 кодов. Это означает, что после достижения синхронизации кадра UE имеет для выбора только 8 кодов и поэтому может попытаться отслеживать общий пилот-канал (CPICH — Common Pilot Channel). Как только это будет сделано, он сможет “прочитать” широковещательный канал BCH и достигнет еще лучшей синхронизации, что позволит ему отслеживать первичный физический канал управления (PCCPCH — Primary Common Control Physical Channel).

Как в любой системе CDMA, в рассматриваемой системе существенно, чтобы узел B получал от всех UE сигнал приблизительно одной и той же мощности. Если это не регулировать, то станции, находящиеся дальше от узла B, будут иметь более низкий уровень сигнала, чем ближайшие. Последние будут подавлять сигналы с низким уровнем, и узел B не сможет принять их. Этот эффект часто упоминается в литературе как эффект “ближний-дальний”. Чтобы его преодолеть, узел B передает команды ближним станциям — с целью уменьшить им мощность передачи, а тем, которые дальше, увеличить ее. Этим способом узел B будет получать от всех станций приблизительно одинаковый уровень сигналов.

Управление мощностью также важно для узлов B. Так как сигналы, передаваемые различными узлами, не ортогональны друг другу, возможно, некоторые из них будут влиять друг на друга. Соответственно, их мощности должны быть минимально необходимыми для обслуживаемых UE.

Для регулирования мощности есть два метода: по открытому и по закрытому циклу.

Метод по открытому циклу используется на начальном этапе перед установлением соединения между UE и узлом B. Это простые действия, основанные на измерении напряженности полученного сигнала для принятия решения о требуемой мощности сигнала на передаче. При этом предполагается, что мощности прямого и обратного сигнала коррелированы. Однако частоты прямого и обратного канала различны, и могут отличаться также пути следования, поэтому этот метод не может давать хорошей оценки требуемой мощности. Он может использоваться лишь для приблизительной оценки.

Как только UE получил доступ к системе через узел B, задействуется техника замкнутого цикла. На узле B проводятся измерения в каждом временном положении. Как результат этих измерений, к UE передается информация о регулировании мощности передатчика (запрос на пошаговое увеличение или уменьшение мощности). Этот процесс идет в обоих направлениях (от узла B к UE и обратно). Для непрерывного управления мощности используется фактически один бит (1 — “увеличить”, 0 — “уменьшить”). Как только достигается необходимый уровень мощности, его либо уменьшают, либо увеличивают, чтобы обеспечить непрерывность процесса. Практически позиция UE все время изменяется, или изменяется путь следования радиосигнала. В результате движение приводит к изменению уровня сигнала, так что непрерывность процесса регулирования мощности не представляет проблемы.

• Протоколы прикладного уровня сети радиодоступа RAN (RAN Application) — сигнальные протоколы уровня радиосети в интерфейсе Iub. Они управляют сигнализацией и установлением туннельных каналов (GTP —GPRS Tunneling Protocol), т. е. каналов “прозрачной передачи” данных между RNC 3G-SGSN, а также сигнальной информации и сигналов установления соединений для 3G MSC.
• Процедура “оповещение свободного UE”, заключается в том, что станция запрашивает свободный UE. Этот вызов с номером абонента передается управляемым сотам. Требуемый UE устанавливает сигнальное соединение.
• Жесткий хэндовер используется при передаче соединения системе предыдущего поколения. В данном случае соединение, работающее на одной частоте, должно быть передано каналу другой частоты.
• Мягкий хэндовер применяется, когда возможна работа смежных сот на одной и той же частоте. В результате возможно, что UE на время перехода получит сигналы из RNC двух смежных сот, и они также смогут получить сигналы от одного и того же UE.
• Более мягкий хэндовер заключается в том, что каналы от двух RNC воспринимаются как один объединенный и один из каналов исключается после его значительного ослабления. Это обычно происходит при переходе управления в разных секторах одной соты.
• Всякий хэндовер содержит два подпроцесса: установление нового канала (дополнение радиоканала) и удаление старого канала (удаление канала).
• Под использование в UMTS/CDMA зарезервированы участки частот: 1920–1980 и 2110–2170 MГц для дуплексного частотного режима разделения (FDD), 1900–1920 — для дуплексного режим разделения по времени, (TDD, TD/CDMA).
• Для передачи от узла B к UE применяется квадратурно-фазовая манипуляция (QPSK — Quadrature Phase Shift Keying). Для передачи в обратном направлении используются два отдельных канала. Для образования двойного канала (DQPSK — dual channel phase shift keying) применяются специальные модуляторы-демодуляторы.
• Передаваемые данные кодируются, используя расширяющий код, конкретный для каждого пользователя. Полный коэффициент расширения (отношение ширины полосы частот в радиоканале к скорости передаваемой информации) изменяется, чтобы в полной степени использовать полосу пропускания.
• При передаче информации от узла B к UE скорость передачи равна 3,84 Мчип/с. При модуляции QPSK возможна передача двух бит на каждый символ (чип) в сек. Таким образом, скорость в канале будет равна 7,68 Мбит/c. Если фактическая скорость передачи данных равна 15 бит/с, то коэффициент расширения — 512.
• Ортогональные коды с переменным коэффициентом расширения (OVSF — Orthogonal Variable Spreading Factor codes) — это ансамбль кодов с переменной длиной; он формируется на основе кодового дерева, каждый уровень которого удваивает число возможных комбинаций и длину кода.
• При кодировании речи в UMTS используются различные скорости и, соответственно, различные вокодеры. Когда система предоставляет возможность применять различные скорости, она называется “адаптивной многоскоростной системой” (AMRS — Adaptive Multi-Rate System).
• UMTS/CDMA был введен режим прерывистой передачи (DTX — Discontinuous Transmission) или “спящий режим” (режим ожидания): приемник включается, только когда он должен контролировать широковещательный канал вызова. Приемник с его радиоцепями будет потреблять мощность только в это время, и это позволит сэкономить энергию батареи.
• Синхронизация, которая требуется для UMTS-системы, обеспечивается первичным каналом синхронизации (PSCH) и вторичным каналом синхронизации (SSCH). Эти каналы работают по методикам, отличающимся от методик обычных каналов, и в результате они не расширяются и не используют псевдокоды (PN) и OVSF-коды.
• Для регулирования мощности есть два метода: по открытому и по закрытому циклу. метод по открытому циклу применяется на начальном этапе перед установлением соединения между UE и узлом B требуемой мощности. Он может использоваться как приблизительная оценка. Как только UE получает доступ к системе через узел B, задействуется техника закрытого цикла.

1. Используя табл. 7.1–7.3, представьте конкретные процедуры на рис. 7.11–7.17.
2. Объясните, когда применяются процедуры передачи сигнала оповещения (Paging).
3. Перечислите, какие действия осуществляются по сигналу активизации обновления данных в процедуре “дополнение ветви” (рис. 7.11).
4. Перечислите, какие действия осуществляются по сигналу активизации обновления данных в процедуре “удаление ветви”.
5. Объясните порядок действий в процедурах жесткого хэндовера. Какие ветви удаляются, какие дополняются и в каком порядке (рис. 7.9–7.17)?
6. Объясните действия на рис. 7.14. Для чего передается на этапе 2 временный номер радиосети (RNTI — Radio Network Temporary Identity)? Поясните информацию, передаваемую на этапе 4 (запрос на изменение местоположения) на рис. 7.14.
7. Какие участки частотного спектра зарезервированы для UMTS:

В этой лекции рассмотрены основные характеристики системы мобильной связи стандарта 802.16e (мобильный WiMAX).

В настоящем разделе дан краткий обзор системы мобильной связи — мобильного WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access — всемирный доступ для взаимодействия микроволновых сетей) на основе стандарта 802.16e, приводятся рабочие характеристики минимальной основной конфигурации на основе [62, 103, 127]. Мобильный WiMAX может обеспечить скорость десятки мегабит в секунду для основных конфигураций базовых станций, реализованных согласно системе стандартов (системному профилю¹⁾ ) IEEE 802.16, известной также под общим названием WiMAX.

Ниже будут рассмотрены основные новые технические решения, например, адаптивные антенные системы (AAS — Adaptive Antenna System), которые значительно улучшают рабочие характеристики (но без подробного анализа последних).

Сервисные службы, которые могут поддержать такие системы, включают широкополосные услуги, которые требуют высоких скоростей передачи данных, в том числе потоки видео и VoIP с высоким качеством обслуживания.

Характеристики мобильного WiMAX предполагают взаимодействие между мобильным WiMAX и широкополосными проводными услугами, например, по кабельным и цифровым абонентским линиям типа DSL. Важным требованием для успеха проекта является обеспечение услуг мобильного Интернета.

Наращиваемая архитектура, высокая производительность при передаче данных и низкая стоимость установки на сети делают мобильный WiMAX лидером беспроводных широкополосных услуг. Другие преимущества WiMAX включают открытый подход структуры стандартов, “дружественные” интерфейсы и обеспечение здоровой экосистемы.

Множество компаний внесли вклад в развитие технологии, и много компаний объявили о своих планах в этом направлении.

Такая растущая конкуренция гарантирует удовлетворение другого важного требования для успеха технологии — низкую стоимость мобильного Интернета.

Для общего представления ниже перечислены основные характеристики системы мобильного WiMAX, после чего они будут рассмотрены более детально.

Технология Мобильного WiMAX базируется на двух стандартах: на стандарте IEEE 802.16-2004 радиоинтерфейс (AirInterface Standard) и на принятом 7 декабря 2005 года стандарте IEEE 802.16e-2005 (он будет играть ключевую роль при построении фиксированной широкополосной радиосети города). Первая лаборатория для сертификации систем этого стандарта развернута в лаборатории Cetecom Labs (Малага, Испания).

7 декабря 2005 IEEE [62 ] ратифицировал поправки, названные IEEE 802.16e, к стандартам 802.16. Эти поправки добавляют требования и характеристики, необходимые для обеспечения работы мобильных абонентов WiMAX [53 ]. WiMAX Forum, базируясь на поправках IEEE 802.16e, касающихся мобильности, определил основные характеристики и профиль сертификации (рис. 8.1). Для наземной сети он определил архитектуру сети, необходимую, чтобы осуществлять мобильные соединения WiMAX “из конца в конец”.

Рис. 8.1.

 
Принцип организации мобильного профайла WiMAX

Мобильный WiMAX — это система беспроводной связи, которая позволяет конвергенцию (постепенное сближение) мобильной широкополосной и стационарной сетей на основе технологии радиодоступа и гибкой архитектуры сети.

В системе мобильного WiMAX для радиоинтерфейса принят ортогональный многостанционный доступ с частотным разделением каналов (OFDMA — Orthogonal Frequency Division Multiple Access), который обеспечивает хорошие характеристики в условиях многолучевости и при отсутствии прямой видимости. Этот метод доступа [3 , 22 ] заключается в том, что последовательный поток информации из N символов разбивается на n блоков по N/n символов в каждом, причем символы разных блоков передаются “параллельно”, каждый на своей поднесущей. Преимущество данного метода состоит в том, что он позволяет снизить до минимума или полностью исключить межсимвольные искажения, возникающие в радиоканале. Чтобы дать возможность наращивать пропускную способность канала от 1,25 к 20 МГц, поправками IEEE 802.16e был введен метод “наращиваемый OFDMA” (SOFDMA — Scalable OFDMA) [109 ].
Группа WiMAX-Форума, занимающаяся обеспечением мобильности, разработала системные профили, которые оговаривают обязательные и дополнительные характеристики, необходимые для построения гибкого радиоинтерфейса. Системный профиль мобильного WiMAX позволяет создавать мобильные системы на основании общей базы и общего набора характеристик, которые гарантируют полностью совместимые основные функциональные возможности для терминалов и базовых станций [90 –92 ].

Некоторые из характеристик системных профилей необязательны, но они обеспечивают гибкость для создания сетей и устройств на базе различных сценариев и оптимизируют их характеристики в конкретных условиях.

Группа WiMAX Forum NWG (Network Working Group), занимающаяся сетевыми вопросами, определила спецификации высшего уровня, помимо тех, которые определены в стандартах IEEE 802.16 для радиоинтерфейса. объединение усилий IEEE 802.16 и форума WiMAX помогло найти решения для установления WiMAX-соединения “из конца в конец” для мобильных объектов.

Мобильные системы WiMAX предлагают технологии и архитектуру, реализующие наращиваемость радиодоступа и сетевых услуг, таким образом, обеспечивая большую гибкость построения сетей.

Некоторые из существенных характеристик мобильного WiMAX приведены ниже.

Высокая скорость передачи данных за счет применения системы антенн MIMO²⁾ (Multi Input — Multi Output) антенны в сочетании с гибкими схемами каналообразования, усовершенствованным кодированием и модуляцией. Все это позволяет технологии мобильного WiMAX поддержать пиковую скорость данных по направлению “вниз” до 63 Мбит/с и в направлении “вверх” — до 28 Мбит/с.

Качество обслуживания (QoS) является фундаментальным условием архитектуры протоколов доступа к среде (IEEE 802.16 MAC — Media Access Control). Оно определяется применением метода DiffServ — дифференцированного обслуживания. Это стандартизированный метод для поддержки служб с различными уровнями качества. При этом трафик разделяется с помощью меток на несколько групп в зависимости от QoS.

Мобильный WiMAX предусматривает применение многопротокольной коммутации с использованием меток (MPLS — MultiprotocolLabel Switching). Эта технология работает с метками в пакетах данных и позволяет создавать выделенные коммутируемые потоки. Применение этих методов позволяет осуществлять IP-соединения с учетом QoS. Оптимальное использование времени, пространства и частоты обеспечивается механизмом образования подгрупп каналов на заданное время (subcanalization) и сигнализацией по отдельным каналам связи (ОКС), применяющей специальные сигнальные протоколы прикладного уровня (MAP — Mobile Application Part).

Наращиваемость. Технология WiMAX разработана так, что она способна наращивать каналы и работать при различных методах формирования каналов от 1,25 до 20 МГц, чтобы удовлетворить различные требования к использованию диапазона.

Все это позволяет достичь выгодных экономических решений в конкретной географической зоне, например, обеспечить доступный беспроводной Интернет в сельской местности, предоставлять мобильную связь в пригородах с малой плотностью абонентов и т. п.

Безопасность. Применяемые средства безопасности являются лучшими в классе расширяемых протоколов аутентификации (EAP — Extensible Authentication Protocol). Эти методы основаны на применении дополнительных средств помимо SIM-карты (одноразовые маркеры, цифровые подписи и пр.). Схемы шифрования основаны на усовершенствованном стандарте шифрования AES (Advanced Encryption Standard) и коде аутентификации сообщений на основе хеширования³⁾ (HMAC — Hash based Message Authentication Code). Эти методы поддерживают различные средства аутентификации: SIM- или USIM-карты, интеллектуальные карты (Smart Card), цифровые подписи, схемы “пользователь — пароль”.

Мобильность. Мобильный WiMAX поддерживает оптимальные схемы передачи соединения (хэндовера) со временем задержки меньше чем 50 миллисекунд, чтобы гарантировать работу приложений, таких как VoIP, в реальном масштабе времени. Они выполняются без ухудшения обслуживания. Гибкие схемы управления ключами гарантируют безопасность в процессе передачи соединения.

Ортогональный многостанционный доступ с частотным разделением каналов (OFDMA) базируется на системе мультиплексирования OFDM.

Ортогональное частотное разделение каналов (OFDM — Orthogonal Frequency Division Multiplexing) — методика мультиплексирования, которая подразделяет полосу канала на множество поднесущих частот [3, 5], как показано на рис. 8.2.

В системе OFDM входной поток данных разделен на несколько параллельных подпотоков с уменьшенной скоростью передачи данных (с увеличением продолжительности каждого передаваемого на этой частоте знака). Каждый подпоток модулируется и передается на отдельной ортогональной¹⁾ поднесущей частоте. Протокольная единица, передаваемая с помощью одной несущей, называется символом. Увеличенная продолжительность символа улучшает устойчивость OFDM, уменьшая их максимальный разброс между символами, предаваемыми с помощью разных несущих.

Основные устройства, обеспечивающие модуляцию с несколькими несущими по принципу OFDM, показаны на рис. 8.2. Каждый подканал работает на своей несущей частоте. Если обозначить частоту первой несущей , то вторая несущая будет иметь частоту и т. д.; для -го канала эта частота будет равна .

Если для каждого из подпотоков применить квадратурную модуляцию, то получим квадратурных (ортогональных) функций типа . Если функции всех подканалов просуммировать, то получим функцию, аналогичную функции, которая называется рядом Фурье:

Функция, полученная в результате модуляции, отличается от ряда Фурье тем, что она конечна. Для увеличения точности обработки и исключения взаимного влияния каналов реальная функция дополняется “префиксом”, содержащим несколько значений ряда Фурье (псевдоканалов). Он устанавливается перед последовательностью квадратурных сигналов. Это увеличивает точность получения функции и позволяет более четко отделять подканалы друг от друга.

Рис. 8.2.

 
Модуляция с несколькими несущими

Сумма функций, полученных в результате модуляции, “свертывается” с помощью обратного преобразования Фурье в одну функцию , которая преобразуется в цифровую форму и передается в линию.

На приемном конце происходит переход из цифровой в аналоговую форму, производится прямое преобразование Фурье, квадратурные функции каждого канала демодулируются и собираются в одну последовательность. Как уже было сказано, для устранения межсимвольной интерференции вводится циклический префикс (CP).

Циклический префикс добавляется в начало каждого OFDM-символа (рис. 8.3) и представляет собой циклическое повторение окончания символа. Наличие циклического префикса создает временные паузы между отдельными символами, и если длительность защитного интервала превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольная интерференция не возникает.

Рис. 8.3.

 
Защита от межсимвольной интерференции с помощью циклического префикса

Циклический префикс является избыточной информацией и в этом смысле снижает полезную (информационную) скорость передачи, но именно он служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции. Указанная избыточная информация добавляется к передаваемому символу в передатчике и отбрасывается при приеме символа в приемнике.

Структура подканала OFDMA [51, 52] содержит три типа поднесущих частот, как показано на рис. 8.4:

Рис. 8.4.

 
Распределение поднесущих частот

Активные поднесущие частоты (информационные и пилот-сигнал) сгруппированы в поднаборы поднесущих частот, называемые подканалами. Поднесущие частоты, формирующие один подканал, могут быть, но не должны быть, смежными. Основная нагрузка и сигналы управления предаются в подканалах.

Пилот-сигналы распределяются в зависимости от способа распределения поднесущих и направления потока.

При формировании подканалов в направлении “вниз”²⁾ применяются следующие способы:

Частичное использование поднесущих частот означает, что из всего набора несущих частот выбирается только часть. Устройства (например, подвижные станции) работают, занимая только часть полосы. Поскольку в этом случае вся излучаемая мощность концентрируется в используемой полосе, это приводит к увеличению мощности на каждую поднесущую. Для передачи информации в направлении “вверх” в городских условиях это дает дополнительный запас на замирания.

При направлении “вверх” применяется только два способа: с полным использованием поднесущих частот (UL PUSC) и дополнительные перестановки.

Подканалы в направлении “вниз” могут работать с различным приемниками, подканалы в направлении “вверх” могут работать с различными передатчиками.

Существует два типа формирования подканалов из поднесущих частот:

В первом случае для подканала выбираются поднесущие, которые находятся рядом в диапазоне частот.

Формирование подканала с разнесением выбирает номиналы поднесущих частот для каждого канала в соответствии с псевдослучайной последовательностью. Этим обеспечивается разнесение по частоте и усреднение межсотовой интерференции.

Режим передачи согласно стандарту IEEE 802.16e-2005 основан на концепции наращиваемого (масштабируемого) OFDMA (SOFDMA — Scalable OFDMA) [109]. Он поддерживает широкий диапазон пропускной способности и гибко приспосабливается к потребностям в различных диапазонах спектра. Наращивание пропускной способности поддерживается регулировкой числа шагов быстрого преобразования Фурье (БПФ — FFT — Fast Fourier Transform). Параметры SOFDMA приведены в табл. 8.1. Техническая рабочая группа WiMAX Forum вначале запланировала разработку документов (профилей) для значений ширины каналов 5 и 10 МГц (выделены в табл.).

Таблица 8.1.
Параметры SOFDMA

Параметры	Значение
Ширина канала (МГц)	1,25	5	10	20
Частота опроса ( в МГц)	1,4	5,6	11,2	22,4
Размер преобразования Фурье ( )	128	512	1024	2048
Число подканалов	2	8	16	32
Интервал между несущими	10,94кГц
Длительность полезного символа ( )	91,4мкс
Защитный интервал ( )	11,4мкс
Длительность OFDMA-символа ( )	102,9мкс
Число символов (кадр 5мс)	48

Минимальной частотно-временной единицей формирования канала является один слот, который содержит 48 поднесущих. Это единица поддерживается физическим уровнем в обоих направлениях.

В табл. 8.2 приводится пример [109] распределения поднесущих частот при полном использовании поднесущих частот для формирования подканала в направлении “вниз”.

Для каждой полосы частот каналов выбирается количество частот, используемых в преобразовании Фурье.

Число защитных поднесущих определяется величиной максимальной задержки сигнала (см. рис. 8.3 – 8.4). Распределение поднесущих частот происходит с помощью циклического префикса. Для таблицы это время принято около 17 % от числа, указанного в строке “размер преобразования Фурье”. Эти поднесущие распределяются на два примерно равных поднабора — один в начале, другой в конце. Например, для размера преобразования Фурье 2048 в табл. 8.2 выбрано число защитных поднесущих 345.

Число используемых поднесущих частот получается вычетом числа защитных поднесущих из их общего числа. В данном примере остается 1703 поднесущих.

Для подканалов поднесущих с полным использованием поднесущих частот и направлением “вниз” сначала распределяются пилот-сигналы, а затем оставшиеся сигналы распределяются на подканалы данных. Число пилот-сигналов указывается в стандарте. В данном случае оно равно 166.

Число поднесущих частот данных определяется кратным 48.

Число подканалов определяется числом поднесущих частот данных и длиной слота 48 поднесущих. В данном примере оно равно .

При использовании DL PUSC для каждой пары OFDM символов, доступных или используемых, поднесущие частоты сгруппированы в кластеры, содержащие 14 непрерывных поднесущих частот на один период символа. Пилот-сигналы и данные распределены в каждом кластере с учетом четных и нечетных символов, как показано на рис. 8.5.

Рис. 8.5.

 
Структура кластеров для четных и нечетных символов OFDM

Результат распределения поднесущих частот показан в табл. 8.3.

В таблице выделены поднесущие защитного интервала. Зная число несущих в каждом кластере, можно определить максимальное число кластеров (минимальное число показано через черту). По величине поднесущих кластера определяется число поднесущих для передачи данных и пилотсигналов.

В данном случае для организации подканалов применяется элемент, называемый “фрагмент” ( tile¹⁾ ). Фрагмент компонуется из 4 поднесущих. Для передачи 3 символов OFDM используются приведенные ниже компоновки (рис. 8.6). Каждый символ отображается фрагментом, состоящим из четырех несущих.

Рис. 8.6.

 
Компоновка символов с помощью несущих: а) 3 символов с помощью 4 поднесущих; б) 3 символов с помощью 3 поднесущих

Каждый подканал содержит 6 фрагментов по 4 поднесущих в каждом, используемых в соответствии с рис. 8.6. Таким образом, для одного подканала нужно 24 поднесущих, а для 3 символов — . Из этих поднесущих образуется слот, содержащий 48 поднесущих для передачи данных и 24 поднесущих пилот-сигнала. Результат разнесения поднесущих частот приведен в табл. 8.4.

При распределении поднесущих “вверх” возможно использование фрагментов, показанных на рис. 8.6-б, которые содержат 3 поднесущих на фрагмент, что немного увеличивает число подканалов.

Смежная перестановка группирует блок смежных поднесущих частот, чтобы сформировать подканал. Они представляют собой наборы кодовых комбинаций AMC (Adaptive Modulation and Coding) для обоих направлений — “вниз” (DL) и “вверх” (UL), которые имеют одну и ту же структуру. Они содержат контейнеры, включающие в себя передаваемые символы. Контейнер состоит из 9 смежных поднесущих частот в символе. Из этих символов 8 предназначены для передачи данных и один для передачи пилот-сигнала.

Слот в AMC определен как совокупность контейнеров типа , где — число смежных контейнеров и . — число смежных символов. Таким образом, возможны следующие комбинации: 6 контейнеров, 1 символ; 3 контейнера, 2 символа; 2 контейнера, 3 символа; 1 контейнер, 6 символов.

Вообще, частичное или полное распределение поднесущей частоты дает хорошие результаты в случае мобильности объекта, в то время как смежные перестановки поднесущей частоты хорошо удовлетворяют случаях передачи от объектов с фиксированным местоположением или с низкой подвижностью.

Подводя итоги рассмотрению вопроса о разделении поднесущих, заметим, что после их распределения проводится их нумерация [51, 52, 109]. Нумерация позволяет разместить логические поднесущие по физическим объектам, при этом проводится перемежение. Поскольку мобильный WiMAX предусматривает работу с несколькими антеннами (этот метод будет рассмотрен ниже), нумерация позволяет распределение поднесущих между антеннами с применением пространственного кодирования.

Гибкость использования мобильного WiMAX обеспечивается сегментированием и созданием зон переключения.

Сегмент — это объединение части доступных OFDMA – подканалов (в крайнем случае, один сегмент может содержать все подканалы). Один сегмент используется для установления единственного экземпляра²⁾ процесса управления доступом к среде (MAC).

Зона переключения — множество смежных OFDMA-символов “вниз” (DL) или “вверх” (UL), в каждом из которых использованы одни и те же методы разделения каналов.

Физический уровень OFDMA обеспечивает в пределах одного и того же кадра работу с зонами, которые используют различные разделения поднесущих, предоставляя возможность работы с терминалами различных станций.

Рис. 8.7 иллюстрирует структуру зоны памяти, которая обеспечивает набор поднесущих, используемых в сотах. Соты идентифицируются с помощью идентификатора соты (ID Cell X, ID Cell Y, ID Cell Z). Идентификаторы этих сот размещаются в преамбуле. Идентификатор ID Cell 0 закреплен за широковещательными соединениями. В данном случае в начале области каждой соты размещены адреса поднесущих, соответствующих принципу частичного использования (PUSC), а потом адреса поднесущих, соответствующих принципу полного использования. Эти области памяти могут применяться в зависимости от разработанной программы.

Рис. 8.7.

 
Структура мультизонового кадра OFDMA: PUSC (Part Used Sub Carrier) – подсистема с частичным использованием поднесущих; FUSC (Full Used Sub Carrier) – подсистема с полным использованием поднесущих

Документы рассматриваемого стандарта для физического уровня 802.16e PHY предусматривают дуплексную работу по принципу “дуплексная передача с временным разделением” (TDD — Time DivisionDuplex) и полудуплексную передачу по принципу “полудуплекс с частотным разделением” (HDFDD – Half-Duplex — Frequency Division Duplex).

Однако в первую очередь был разработан профиль, относящийся к TDD. Профили для принципа FDD будут предназначены только для тех стран, где считается, что частотные методы работы предпочтительны для данной местности.

Чтобы обеспечить устойчивую работу, TDD требует широко развитой системы синхронизации. Однако он предпочтителен по следующим соображениям:

Рис. 8.8 отображает структуру кадра для дуплекса c временным разделением (TDD). Каждый кадр разделен на два подкадра — “вниз” и “вверх”, отделенных промежутком передача/прием и прием/передача (TRG — Transmit/Receive Guard period и RTG — Receive/TransmitGuard period) для предупреждения конфликтов.

Рис. 8.8.

 
Структура кадра OFDM Wi MAX по принципу TDD

Для нормальной работы в кадре содержится следующая информация.

Преамбула: используется для синхронизации, является первым OFDM-символом кадра. Преамбула содержит адреса отправителя и получателя и данные, необходимые для синхронизации.

Заголовок управления кадром (FCH — Frame Control Header): следует за преамбулой. Он обеспечивает информацию подсистемы мобильной связи о конфигурации кадра, такую как длина сообщения, схема кодирования и используемые подканалы.

Карты распределения информации для направлений DL-MAP and ULMAP: информация о закреплении каналов и другая управляющая информация для направления “вниз” (DL) и “вверх” (UL).

Порядок расположения информации UL (Ranging): указывает местоположение: данных о подканале, передаваемые по направлению “вверх”, время распространения по замкнутой петле, информации для настройки частоты, информации управления мощностью и информацию для запросов на дополнительное расширение полосы пропускания.

UL индикатор качества канала (CQICH — Channel Quality Indicator) предназначен для передачи информации обратной связи о состоянии канала.

Подтверждение UL ACK — информация подтверждения сообщений, которые поступили по направлению “вниз”.

Система мобильного WiMAX для того, чтобы увеличить объем и область применения мобильной связи, первая внедрила такие современные решения, как адаптивная модуляция и кодирование (AMC — Adaptive Modulation and Coding), гибридный автоматический повторный запрос (HARQ — HybridAutomatic Repeat Request) и индикатор качества канала (CQI — Channel Quality Indicator).

Мобильный WiMAX поддерживает различные виды модуляции. Для направления “вниз” (DL) обязательной является поддержка QPSK (QuadraturePhase Shift Keying — квадратурно-фазовая манипуляция), 16 QAM и 64 QAM (Quadrature Amplitude Modulation — квадратурно-амплитудная модуляция).

В направлении “вверх” (UL) может применяться 64 QAM. Для кодирования могут использоваться:

Табл. 8.5 приводит информацию о применяемых схемах кодирования и схемах модуляции, реализуемых в мобильном WiMAX.

Комбинации различных модуляций и кодовых скоростей обеспечивают очень удобную настройку пропускной способности системы для передачи данных. Программа-планировщик базовой станции определяет соответствующую скорость данных (или параметры пакета). Это определяется для каждого подмножества пакетов на основе размера буфера, состояния канала по оценке в приемнике и т. д.

Канал индикатора качества канала (CQI) используется для того, чтобы обеспечить передачу информации о состоянии канала от пользовательских терминалов к программе-планировщику базовой станции. Информация о состоянии, передаваемая по каналу CQI, может включать в себя оценку интерференции и коэффициента сигнал/шум, выбор частоты и способа работы антенн (MIMO) для отдельного канала. При дуплексном режиме с временным разделением для адаптации каналов может использоваться процедура более точного измерения состояния каналов (периодическое зондирование состояния каналов).

Для улучшения пропускной способности системы применяется гибридный автоматический повторный запрос (HARQ — HybridAutomatic Repeat Request), который позволяет использовать N каналов в старт-стопном режиме с поблочным повторением. В этом методе после отправки кадра передатчик делает паузу, в течение которой ожидается прием подтверждения. В зависимости от типа подтверждения (положительное — ACK или отрицательное — NAK) источник передает следующий кадр или повторяет предыдущий. Многоканальный старт-стопный режим с небольшим числом каналов — эффективный простой протокол, который минимизирует память.

WiMAX реализует сигнализацию, которая позволяет работу в асинхронном режиме, что обеспечивает устойчивость передачи в условиях переменной задержки. При ретрансляции сигналов это дает больше гибкости программе-планировщику, но требует размещения лишней информации в заголовке при каждой ретрансляции.

Гибридный автоматический повторный запрос (HARQ) вместе с каналом индикатора качества канала (CQICH) и адаптивной модуляцией и кодированием создают возможность для AMC (Adaptive Modulation and Coding) — помехоустойчивой линии связи. Эта линия с большим энергетическим запасом, обеспечивающая мобильную связь в различной окружающей среде при скорости передвижения свыше 120 км/час.

Табл. 8.6 показывает скорости передачи данных для каналов на 5 и 10 МГц с PUSC-подканалами. Продолжительность кадра — 5 миллисекунд. Каждый кадр имеет 48 OFDM-символов, из них 44 предназначены для передачи данных. Выделенные значения — это скорости данных для необязательного способа модуляции 64 QAM в направлении “вверх” (UL).

Стандарты 802.16 были разработаны для предоставления широкополосных услуг, включая речь, данные и видео.

Уровень управления доступом к среде (MAC — Media Access Control) основан на испытанном временем стандарте DOCSIS [68] (Data Over Cable Service Interface Specification — спецификации интерфейса передачи данных по кабелю(ТВ)) и может обеспечить передачу пульсирующего трафика данных с высоким пиковым запросом ресурсов. Пульсирующий трафик включает в себя передачу через один и тот же канал непрерывного потока видеоинформации и чувствительного ко времени задержки речевого трафика.

Ресурс, предоставляемый одному терминалу, планировщиком MAC может изменяться от единственного слота времени до полного кадра. Таким образом обеспечивается очень большой динамический диапазон производительности на заданный пользовательский терминал в любое заданное время. Кроме того, распределение ресурса может изменяться на основании сообщений, передаваемых в начале каждого кадра, тем самым приспосабливая ресурсы к трафику, имеющему внезапные пики нагрузки.

Используя скоростные радиолинии, асимметричное соотношение между пропускной способностью “вниз” и “вверх”, тонкую настройку ресурса и гибкий механизм распределения ресурса, мобильный WiMAX может выполнить требования по качеству обслуживания (QoS) для широкого диапазона услуг передачи данных и различных приложений.

На уровне управления доступом к среде (MAC) качество обслуживания (QoS) гарантируется посредством создания сервисных потоков, как это показано на рис. 8.9. Они представляют собой однонаправленные потоки пакетов, которые обеспечивают конкретный набор параметров QoS.

Перед началом обслуживания некоторого типа данных базовая станция и пользовательский терминал устанавливают однонаправленное логическое соединение между MAC с одинаковыми характеристиками (peer-to-peer). Далее MAC доставляет информацию по этому логическому соединению. Параметры QoS, связанные с этим сервисным потоком, определяют порядок и планирование передачи по радиоинтерфейсу.

Качество обслуживания может эффективно обеспечивать управление QoS “из конца в конец”. Сервисные параметры потока могут динамически управляться с помощью MAC-сообщений.

Механизм, основанный на сервисных потоках, поддерживает качество обслуживания в обоих направлениях.

В табл. 8.7 показаны характеристики качества сервиса для различных приложений.

Рис. 8.9.

 
Поддержка качестваобслуживания в мобильном WiMAX

Служба MAC (Media Access Control) мобильного WiMAX разработана для эффективного предоставления широкополосных служб, включая речь, данные, видео, по изменяющемуся во времени каналу. Служба планирования MAC имеет следующие составляющие.

Быстрый Планировщик: планировщик MAC должен эффективно распределить доступные ресурсы в ответ на изменение трафика и изменяющееся во времени состояние канала. Пакеты данных, связанные с обслуживанием потока, для которого точно определены параметры QoS на MAC-уровне, обслуживаются планировщиком так, чтобы корректно был определен порядок передачи пакетов через радиоинтерфейс.

Канал индикации качества при этом обеспечивает передатчику быструю обратную связь и передачу информации канала, что дает возможность планировщику выбрать соответствующее кодирование и модуляцию для каждого распределения ресурсов.

Адаптивная модуляция/кодирование, объединенная с автоматическим повторным запросом, обеспечивает устойчивую передачу по изменяющемуся во времени каналу.

Мобильный WiMAX имеет два режима для управления мощностью: “спящий” режим и свободный режим. “спящий” режим – это состояние перед началом обмена с обслуживающей базовой станцией по радиоинтерфейсу.

Этот период характерен тем, что мобильная станция не готова к приему или передаче информации “вниз” или “вверх”.

“Спящий” режим предназначен для экономии мощности MS и ресурсов радиосети. Он предоставляет возможность MS сканировать другие базовые станции, чтобы подготовить хэндовер в этом режиме.

Свободный режим – это механизм, позволяющий MS быть периодически доступной для связи “вниз” и приема широковещательных сообщений без регистрации в заданной базовой станции, когда как MS пересекает зоны многих базовых станций. Достоинство свободного режима – в том, что он устраняет лишние запросы на хэндовер и освобождает базовые станции и сеть от лишних работ по передаче вызова. В то же время он имеет возможность принять сигнал о необходимости трафика, направленного “вниз”.

Физический уровень позволяет разместить поступающие вызовы в частотной радиополосе, предоставленной данной базовой станции. Процесс инициализации вызова используется не только на первоначальном этапе, но и периодически при работе подвижной станции для регулировки параметров, например, при временных сдвигах или изменениях уровня мощности.

В случае инициативы абонентской станции к базовой передается специальный запрос на инициализацию. (При входящей связи сигнал запроса на инициализацию не требуется.) Приняв сигнал запроса, базовая станция начинает процесс инициализации. Вначале генератором псевдослучайного кода с помощью циклического полинома формируется псевдослучайная последовательность. Всего для запроса предусмотрен набор из 256 кодов. Код — это последовательность бинарных символов с длиной 144 бита. Символы модулированы методом двоичной фазовой манипуляции (BPSK — Binary Phase Shift Keying). Для передачи этой последовательности используется 6 смежных подканалов с 24 поднесущими каждый. В качестве исходных данных для формирования псевдослучайного кода используется идентификатор соты U-ID — Cell. Значение самого кода зависит от момента обращения к генератору псевдослучайных чисел и от числа тактов формирования последовательности.

Базовая станция формирует три последовательности кодов:

При начальной инициализации необходимы все три процесса.

Получив наборы кодов в соответствии с номером (идентификатором) базовой станции и картой распределения информации (UL-MAP), абонентская станция определяет местоположение наборов в сообщении, случайным образом выбирает один код из предложенного множества кодов и передает его назад к базовой станции.

Различные абонентские станции могут конкурировать за пропускную полосу, и их запросы могут прийти на базовую станцию одновременно. Базовая станция выбирает одну из них и посылает ей обратную информацию. В ответном сообщении размещаются полученный псевдокод, подканал и номер OFDDM-символа, в котором был передан этот код. Абонентская станция, приняв это подтверждение, подготавливается к принятию информации о выделяемом ресурсе. В следующем широковещательном сообщении передаются идентификатор соединения (CID — Connection ID) и идентификатор сервиса (SID — Service ID), необходимые для контроля параметры. Далее абонентская станция начинает процедуру аутентификации и регистрации.

С учетом возможности поступления одновременных вызовов, код, выбранный абонентской станцией, транслируется в двух последовательных символах. Этим гарантируется интервал времени, достаточный для разрешения конфликта. В случае большой вероятности многих вызовов указанный интервал увеличивают с помощью посылки четырех последовательных сообщений.

Если передается сообщение периодической подстройки параметров, то оно передается в одном символе. Сообщение запроса полосы указывает либо номер полосы, либо специальный код.

Есть три метода передачи вызова, реализуемые стандартом 802.16e: жесткий хэндовер (HHO – Hard Handover), быстрое переключение базовой станции (FBSS – Fast Base Station Switching) и хэндовер с макроразнесением (MDHO – Macro Diversity Handover). Из них HHO – обязательный, а FBSS и MDHO – два не обязательных (опциональных) режима.

В рамках стандарта 802.16e WiMAX-Форум разработал несколько методов для того, чтобы оптимизировать жесткий хэндовер. Цель этих усовершенствований – обеспечить время процедуры передачи вызова менее чем 50 мс.

Когда реализуется метод быстрого переключения базовой станции (FBSS), мобильная и базовая станции обслуживают список, на которые может переключиться данная мобильная станция (MS). Набор, включенный в этот список, называется активным набором. MS непрерывно контролирует базовые станции в активном наборе. Среди базовых станций активного набора есть станция, через которую мобильная станция может получить доступ к сети связи, – базовая станция привязки (ABS – Anchor Base Station). Когда мобильная станция работает по методу FBSS, она соединяется только c ABS для обмена сообщениями “вниз” и “вверх”, включая сообщения технического обслуживания и соединения трафика. Переход от одного ABS к другому BS (то есть коммутация BS) выполняется без явного обмена сообщениями хэндовера.

Процедуры модификации станции ABS позволяют передать сообщение о напряженности сигнала к обслуживающей BS через канал индикатора качества CQICH.

Хэндовер при FBSS начинается с решения MS получить или транслировать данные от ABS, которые могут изменить активный набор. MS сканирует соседние базовые станции и выбирает те, которые могут быть включены в активный набор. Анализ списка выбранных станций (отчет о выбранных станциях) и процедура модификации активного набора выполняется совместно базовой и мобильной станцией. Мобильная станция постоянно контролирует интенсивность сигналов базовых станций, которые находятся в активном наборе, и выбирает одну из этого набора, чтобы она была “в роли” ABS.

Мобильная станция сообщает о выборе ABS по каналу индикатора качества или мобильной станции, передавшей запрос о хэндовере. Важнейшее требование FBSS состоит в том, чтобы данные передавались одновременно всем членам активного набора базовых станций, которые могут обслужить мобильную станцию.

Когда реализуется метод хэндовера с макроразнесением (MDHO – Macro Diversity Handover), мобильная станция может получить доступ к сети связи через станцию привязки ABS. В этом режиме мобильная станция обменивается в направлении “вниз” и “вверх” однонаправленными сообщениями и двунаправленной информацией трафика с единственной станцией, записанной в активный набор.

Хэндовер с макроразнесением (MDHO) начинается тогда, когда мобильная станция решает проводить обмен в одно и то же время с несколькими станциями. Для направления “вниз” хэндовер с макроразнесением обеспечивает обмен мобильной станции с двумя или более базовыми станциями, а объединение этих сообщений происходит на базовой станции. Для направления “вверх” сообщения от мобильной станции получаются многими базовыми станциями, и среди них определяется ее новая ABS.

Мобильный WiMAX обладает высоким классом безопасности, которая реализуется лучшими из доступных на сегодняшний день технологиями, например:

Основные особенности обеспечения безопасности следующие.

Протокол управления ключами. Как это определено в стандарте IEEE 802.16e, протокол конфиденциальности и управления ключами версии 2 (PKMv2 — Privacy and Key Management Protocol Version 2) является основой безопасности Мобильного WiMAX. Он управляет безопасностью среды доступа (MAC), используя сообщения запрос/ответ для процедур аутентификации PKM. На этом протоколе основываются процедуры управления шифрованием трафика, изменения ключей при хэндовере и безопасность при групповой и широковещательной рассылке.

Аутентификация устройство/пользователь. Мобильный WiMAX поддерживает протокол аутентификации устройств и пользователя, используя расширяемый протокол аутентификации (EAP — Extensible Authentication Protocol). Он обеспечивает работу с SIM- и USIM-картами, цифровыми подписями и системой “имя пользователя / пароль”. Этот метод поддерживает обновление ключей.

Шифрование трафика. Для шифрования всех пользовательских данных используется усовершенствованный стандарт шифрования (AES — Advanced Encryption Standard). Ключ шифрования генерируется при процедуре аутентификации и обновляется периодически, что улучшает защиту от перехвата ключей.

Защита управляющих сообщений осуществляется с помощью процедур шифрования, аналогичных процедурам шифрования трафика.

Поддержка быстрого хэндовера обеспечивается последовательностью проведения хэндовера и оптимальной схемой повторной аутентификации при хэндовере.

Более подробно о методах обеспечения безопасности можно узнать из курса лекций “Криптография и безопасность сетей”.

• Мобильная система WiMAX предназначена для обеспечения по радиоканалу широкополосных услуг, таких как высококачественная речь, высокоточное телевидение, медиауслуги, передача информации на высокой скорости, услуги мобильного Интернета.
• В системе мобильного WiMAX для радиоинтерфейса принят ортогональный многостанционный доступ с частотным разделением каналов (OFDMA — Orthogonal Frequency Division Multiple Access), который обеспечивает хорошие характеристики в условиях многолучевости и отсутствии прямой видимости.
• Ортогональный многостанционный доступ с частотным разделением каналов заключается в том, что последовательный поток информации из символов разбивается на блоков по символов в каждом, причем символы разных блоков передаются “параллельно”, каждый на своей поднесущей.
• Некоторые из существенных характеристик, которые обеспечиваются Мобильным WiMAX: высокая скорость передачи данных, дифференцированное обслуживание, способность наращивать каналы и работать при различных методах формирования каналов от 1,25 до 20 МГц.
• Ортогональное частотное разделение каналов (OFDM) — методика мультиплексирования, которая подразделяет полосу канала на множество поднесущих частот. Входной поток данных разделен на несколько параллельных подпотоков с уменьшенной скоростью передачи данных (с увеличением продолжительности каждого передаваемого на этой частоте знака). Каждый подпоток модулируется и передается на отдельной ортогональной поднесущей частоте.
• Для устранения межсимвольной интерференции вводится циклический префикс (CP). Его наличие создает временные паузы между отдельными символами в случае, если длительность охранного интервала превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения.
• Структура подканала OFDMA содержит три типа поднесущих частот:
• При формировании подканалов в направлении “вниз” применяются способы: каналообразование с полным использованием поднесущих частот (FUSC), каналообразование с частичным использованием поднесущих частот (PUSC), смежные перестановки AMC.
• Есть два типа формирования подканалов из поднесущих частот: смежные и с разнесением. В первом случае для подканала выбираются поднесущие, которые находятся рядом в диапазоне частот.
• Режим OFDMA, применяемый в мобильном WiMAX, основан на концепции наращиваемого OFDMA (S-OFDMA). Наращивание поддерживается регулировкой числа шагов быстрого преобразования Фурье (БПФ — FFT).
• Распределение поднесущих частот для формирования подканала зависит от способа использования поднесущих частот и направления передачи информации.
• Гибкость использования мобильного WiMAX обеспечивается сегментированием и созданием зон переключения. Сегмент — это объединение части доступных OFDMA подканалов (в крайнем случае, один сегмент может содержать все подканалы), используемых для обслуживания единственного экземпляра процесса управления доступом к среде (MAC). Зона переключения — множество смежных OFDMA-символов “вниз” (DL) или “вверх” (UL), в каждом из направлений использованы одни и те же методы разделения каналов.
• Стандарты мобильного WiMAX предусматривают дуплексную работу по принципу “дуплексная передача с временным разделением”” (TDD) и полудуплексную передачу по принципу “полудуплекс с частотным разделением” (HDFDD).
• Принцип TDD имеет следующие преимущества: он регулирует отношения скоростей “вверх” и “вниз”, обеспечивает взаимодействие с адаптивной антенной системой, не требует парных каналов.
• Кадр для принципа дуплекса c временным разделением (TDD) содержит поля: преамбула, заголовок управления кадром, карты распределения информации для направлений, порядок расположения информации, индикатор качества канала, подтверждение.
• Мобильный WiMAX поддерживает различные виды модуляции. Для направления “вниз” (DL) обязательной является поддержка QPSK (квадратурно-фазовая манипуляция), 16 QAM и 64 QAM (квадратурно-фазовая модуляция).
• Программа — быстрый планировщик базовой станции определяет соответствующую скорость данных (или параметры пакета).
• Канал индикатора качества канала (CQI) используется для того, чтобы обеспечить передачу информации о состоянии канала от пользовательских терминалов к программе-планировщику базовой станции.
• Гибридный автоматический повторный запрос (HARQ — HybridAutomatic Repeat Request) позволяет использовать N каналов в старт-стопном режиме с поблочным повторением.
• Уровень управления доступом к среде (MAC) обеспечивает передачу пульсирующего трафика данных с высоким пиковым запросом ресурсов.
• На уровне управления доступом к среде (MAC) мобильного WiMAX качество обслуживания (QoS) обеспечивается посредством сервисных потоков.
• Служба планирования MAC имеет следующие свойства: быстрый планировщик, канал индикатора качества, адаптивная модуляция/кодирование.
• Мобильный WiMAX имеет два режима для управления мощностью: “спящий” режим и свободный режим. “спящий” режим — это состояние перед началом обмена с обслуживающей базовой станцией по радиоинтерфейсу. Свободный режим — это механизм, позволяющий MS быть периодически доступной для связи “вниз” и приема широковещательных сообщений без регистрации в заданной базовой станции.
• Физический уровень позволяет разместить поступающие вызовы в частотной радиополосе, предоставленной данной базовой станции. Процесс инициализации вызова используется не только на первоначальном этапе, но и периодически при работе подвижной станции для регулировки параметров, например, при временных сдвигах или изменениях уровня мощности.
• При начальной инициализации необходимы три процесса: код процесса инициализации, код процесса периодической подстройки, код запроса полосы.
• Существует три метода передачи вызова, реализуемые стандартом 802.16e: жесткий хэндовер (HHO), быстрое переключение базовой станции (FBSS) и макроразнесенный хэндовер (MDHO). Из них HHO — обязательный, а FBSS и MDHO — два не обязательных (опциональных) режима.
• При реализации метода быстрого переключения базовой станции мобильная и базовая станции обслуживают список станций, на которые может переключиться данная мобильная станция (MS). Набор, включенный в этот список, называется активным набором.
• Когда реализуется хэндовер с макроразнесением (MDHO), мобильная станция обменивается в направлении “вниз” и “вверх” однонаправленными сообщениями и двунаправленной информацией трафика с единственной станцией, записанной в активный набор.
• Мобильный WiMAX в части обеспечения безопасности реализует следующие технологии: взаимная аутентификация устройство/пользователь, протокол гибкого изменения ключей шифрования, глубокое шифрование трафика, управление и администрирование защиты сообщений, оптимальный протокол защиты для быстрого хэндовера.

Рассмотрены основные технологии, на которых базируется построение системы WiMAX.

Технологии интеллектуальной антенны включают в себя сложные алгоритмы управления множеством антенн, функционирующих по векторному или матричному принципу (антенны с переключением, решетчатые антенны и т. п.). OFDMA очень подходит для поддержания такой технологии. Фактически система со многими антеннами (MIMO) и FDMA являются основой для следующего поколения широкополосных систем связи.

В целях улучшения системных рабочих характеристик мобильный WiMAX поддерживает весь диапазон технологий интеллектуальной антенны.

Для этого применяются следующие процедуры.

Формирование диаграммы направленности. Формируя диаграмму направленности, система использует множество антенн для передачи сигналов, улучающих охват и емкость системы, и уменьшених вероятности нарушения связи.

Коды пространство-время (STC — Space-Time Code). Используются для того, чтобы обеспечить пространственное разнесение и оптимальный запас на замирание.

Пространственное мультиплексирование (SM — Spatial Multiplexing). Применяется для повышения скоростей и увеличения пропускной способности. При пространственном мультиплексировании множество потоков передаются по множеству антенн. Если приемник также имеет множество антенн и может отделить различные потоки, становится возможно достигнуть высокой производительности по сравнению с отдельной одиночной антенной. Использование системы 2 x 2 MIMO с пространственным мультиплексированием увеличивает пиковую скорость данных вдвое благодаря передаче двух потоков данных. В направлении “вверх” (UL) каждый пользователь имеет только одну передающую антенну. Два пользователя могут передавать совместно в том же самом слоте, как будто два потока пространственно мультиплексированы от двух антенн одного пользователя. Это называется “совместное пространственное мультиплексирование “вверх”.

Рабочие характеристики мобильного WiMAX-профиля перечислены в табл. 9.1.

: число, передающих антенн; число приемных антенн

Мобильный WiMAX позволяет адаптивный выбор между этими вариантами, чтобы максимизировать преимущества технологий интеллектуальной антенны при различных состояниях канала. Адаптивный переключатель интеллектуальной антенны показан на рис. 9.1. Последовательность символов, поступающая на кодер, преобразуется символьным преобразователем в пространственную форму либо мультиплексируется для передачи по подканалам. В соответствии с программой, заложенной в адаптивном преобразователе (например, отражение информации подканалов в пространственный код в соответствии с заданной матрицей), в зависимости от текущего состояния каналов сигналы передаются по разным подканалам. Они могут также использоваться для преобразования подканалов (например, изменять диаграмму направленности элементов адаптивной антенны), что позволяет изменять параметры среды передачи с целью улучшения качества в соответствии с текущим состоянием каналов.
Далее полученные сигналы распространяются по определенному закону (последовательно или в соответствии с заданной матрицей) в устройства обратного преобразования Фурье для пространственно раздельной передачи по радиоинтефейсу. На приемном конце пространственные сигналы объединяются, и происходит обратное преобразование и декодирование.

увеличить изображение
Рис. 9.1.

 
Адаптивный переключатель интеллектуальной антенны

Пространственное мультиплексирование улучшает пиковую (при наилучших условиях состояния канала) пропускную способность.

Когда канал находится в плохом состоянии, величина коэффициента ошибок пакетов (PER — Packet Error Rate) высокая, и поэтому ограничена зона покрытия, где может быть выдержано расчетное значение PER. Пространственная модуляция (SM) и коды “пространство-время” [55] (STC) обеспечивают большой охват независимо от состояния канала, но не повышают пиковую скорость данных.

Мобильный WiMAX позволяет адаптивное переключение между множеством режимов с несколькими антеннами (MIMO) для того, чтобы максимизировать спектральную эффективность без сокращения зоны покрытия.

Табл. 9.2 показывает теоретические пиковые скорости данных для различных отношений скоростей между направлениями “вниз” и “вверх”, в предположении, что канал имеет полосу 10 МГц, а 5 мсек кадры содержат 44 символа (из общего количества 48 OFDMA-символов). В верхней строке таблицы показаны отношения распределения ресурсов “вниз” и “вверх” в (DU/UL). Например, соотношение 1:0 показывает случай, когда сообщение направлено “вниз” ( от базовой станции к мобильной).

Образование каналов проводится по принципу частичного использования поднесущих (PUSC). С применением 2 x 2 MIMO в направлении “вниз” пиковая скорость теоретически удваивается. Максимальная пиковая скорость данных по направлению “вниз” — 63,36 Мбит/с. При совместном пространственном мультиплексировании по направлению “вверх” пиковая общая скорость от объединенного устройства (секторная скорость) удваивается, в то время как скорость передачи от каждого пользователя остается неизменной.

Пользовательская пиковая скорость передачи данных и секторная пиковая скорость по направлению “вверх” — соответственно 14,11 Мбит/с и 28,22 Мбит/с.

Применяя различные соотношения скоростей по направлениям DL/UL, можно адаптировать пропускную способность канала.

Можно отметить крайние случаи использования канала только по направлению “вверх” или только по направлению “вниз”, но они редки.

WiMAX-профиль определяет отношение DL/UL в пределах от 3:1 к 1:1 для различных типов трафика. Применяемые пиковые скорости передачи данных вероятнее всего будут находиться между этими двумя крайними случаями.

Пиковая скорость часто используется, чтобы описать емкость канала, и хороша для сравнительных целей. Однако нужно отметить, что практически достижимые пиковые скорости данных могут быть ниже. Это зависит от заданного типа трафика, условий распространения и интерференции.

Для борьбы с замираниями физический уровень OFDMA с помощью адаптивного набора антенн обеспечивает набор вариантов разнесения по различным путям следования (второго и четвертого порядка), т. е. организации нескольких каналов (двух, четырех и т. д.) для передачи и приема одной и той же информации.

Передача информации по нескольким антеннам позволяет увеличить зону покрытия и пропускную способность системы. При этом она сводит к минимуму перерывы в работе связи благодаря формированию направленности лучей и нулевому перекрытию передаваемых сигналов.

Варианты разнесения содержат набор методов, основанных на разнесении второго и четвертого порядка в направлении “вниз” и разнесении второго порядка в направлении “вверх”, которые могут гибко варьироваться в зависимости от требуемой емкости и зоны покрытия. Набор может включать в себя алгоритмы с применением обратной связи и без применения обратной связи. Физический уровень OFDMA обеспечивает также пространственное мультиплексирование (SM – Spatial Multiplexing) для максимального использования спектра.

Физический уровень OFDMA обеспечивает два варианта алгоритмов управления адаптивной антенной системой: сканирование массива разнесения (diversity map scan) и метод прямой сигнализации (direct signaling method).

Сканирование массива распределения разнесения поддерживает все методы распределения поднесущих (с полным использованием поднесущих — FUSC и с частичным использованием несущих — PUSC, смежное распределение — AMC). Метод прямой сигнализации обеспечивает регулировку разделения несущих с помощью сигналов управления.

Рассмотрим метод сканирования массива распределения с применением разделения поднесущих путем смежных перестановок (AMC).

На рис. 9.2 показана зона массива распределения адаптивной антенной системы (AAS) для подкадра, передаваемого в направлении “вниз”. В этом подкадре образуются секции для обмена без использования антенной системы (non-AAS) и для обмена с использованием AAS. В первых трех подканалах содержится служебная информация, характеризующая данную зону антенной системы. В подканалах с номерами 4 и N-4 ( где N – последний логический номерпредыдушего пакета) размещается массив распределения информации адаптивной анетенной системы. Для передачи этой информации выделяются старшие каналы.

увеличить изображение
Рис. 9.2.

 
Зоны антенной системы и карта ее распределения

Зона non-AAS включает:

На рисунке показаны: обычный пакет, широковещательный (предназначенный пользователям всей зоны) и групповой (предназначенный отдельной группе пользователей).

Зона, состоящая из оставшихся каналов, включает в себя элементы информации массива распределения для адаптивной антенной системы AAS.

В пределах этой секции на рисунке в подканалах с номерами k 10 и k 17 размещается массив распределения адаптивной антенной системы. Для передачи этой информации выделяются специальные подканалы. Для метода разделения поднесущих PUSC/FUSC выделяются старшие каналы. Для метода смежной перестановки разделения AMC предназначены четвертый канал от начала и четвертый от конца.

На рис. 9.2 показана конфигурация с четырьмя антеннами при использовании разделения поднесущих методом смежных перестановок. Подканалы (показанные горизонтально) формируются из смежных символов OFDMA (показанных вертикально). Каждый из форматов на рис. 9.2 передается в сообщениях. Сообщения содержат преамбулу зоны антенной системы и карту распределения зоны ( карта DL AAS зоны рспределения), которая повторена четыре раза, чтобы обеспечить четыре группы (четыре антенны).

В части формата, передающего информацию зоны адаптивной антенной системы, содержится месторасположение базовой станции, которое используется при выделении полосы для абонентской станции. В режиме дуплексной передачи с временным разделением (TDD) базовая станция может извлечь информацию, которая обеспечивает формирование диаграммы направленности луча антенны, также запрос абонентской станции, для инициализации вызова и запрос выделения полосы. В режиме дуплексной связи с частотным разделением (FDD) это делается с помощью сообщений обратного запроса абонентской станции и ответа на запрос. Ответное сообщение содержит индикатор напряженности поля полученного сигнала, данные об интерференции вместе со значением коэффициента сигнал/шум. Эта информация передается от абонентской станции к базовой.

При использовании метода прямой сигнализации информация передается по подканалам доступа, специально выделенным в процессе распределения ресурса BWAA (bandwidth allocation/access). Расположение информации в формате передается в UL-картах и DL-картах.

В методе прямой сигнализации предусмотрены четыре специальных кодовых сообщения: обучения обратного соединения RLT (reverse link training), доступа в обратном соединении RLA (reverse link access), обучения прямого соединения FLT (forward link training) и инициирования прямого соединения FLI (forward link initiation). С их помощью устанавливается формат обмена.

Это происходит следующим образом. Первые два сообщения (RLA и RLT) использует MS, вторые два — базовая станция (BSS). Для начальной инициализации или запроса полосы MS посылает сообщение RLA в канале BWAA. Оно предшествует сообщениям запроса полосы или начального доступа и используется BSS для точной настройки своей антенной системы на данную MS. В ответ MS передает сообщение FLI — уникальный код для каждой MS (BSS может сама инициировать соединение, послав FLI). FLI транслируется в подканале, выделенном для данной MS. Каждая мобильная станция сканирует все подканалы и, обнаружив по кодовой последовательности адресованное ей сообщение начальной инициализации, отправляет в ответ в том же канале (в отведенном для нее временном интервале) последовательность RLT, предназначенную для точной настройки антенн BSS на MS в данном подканале. В результате, выполнив все необходимые подстройки, BSS и MS устанавливают соединение, в течение которого происходит обмен данными.
Причем пакетам данных предшествуют тренировочные последовательности FLT (со стороны BSS) и RLT (со стороны MS).

OFDMA обеспечивает разнесение второго (по двум антеннам) и четвертого порядка по направлению “вниз” и второго порядка — по направлению “вверх”. В основе разнесения положен принцип пространственновременного кодирования (STC — Space Time Coding) и код со скачкообразной перестройкой частоты (FHDC — Frequency HoppingDiversity Code).

Стандарт не определяет число используемых антенн, поэтому не устанавливает методы указанного выше кодирования. Однако пространственное кодирование в настоящее время основано на алгоритме Аламоути (S.M. Alamouti) [55].

Этот алгоритм предназначен для передачи потоков сигналов по двум антеннам. Он основан на том, что потоки передаются попеременно по каждой из антенн. Порядок передачи определяется двумерной матрицей , где — номер антенны, а — номер потока сигналов. Для того чтобы не было интерференции между этим потоками, каждый поток преобразовывается. На приемном конце одноименные потоки, полученные по разным антеннам, складываются с применением весовых коэффициентов, отображающих текущее качество каждой составляющей. Для преобразований более четвертого порядка аналогично применяются матрицы и преобразования четвертого порядка.

Механизм кода со скачкообразной перестройкой частоты заключается в том, что при переходе к другой антенне поток может быть передан по другому каналу со сменой набора поднесущих. При этом используется информация, заложенная в матрицу.

Чтобы максимально использовать спектр, мобильный WiMAX позволяет частичное повторное использование частоты, то есть работу нескольких сот на одной и той же частоте. Однако следует отметить, что такой режим может привести к большой межканальной интерференции, особенно на краях сот.

Пользователи мобильного WiMAX могут работать по подканалам, которые занимают только небольшую долю всей полосы пропускания канала. Базовая станция соты, у которой возникают проблемы пограничной межканальной интерференции, может реконфигурировать подканал. Поэтому при проектировании сот можно не применять традиционное планирование частоты.

В мобильном WiMAX гибкое повторное использование подканала облегчается принципом образования подканала — сегментацией и перестановкой поднесущих, рассмотренными раннее.

Кадры “вниз” или “вверх” внутри соты могут содержать больше чем один тип зоны переключения, как показано на рис. 9.3, и работа происходит со всеми доступными по заданной структуре подканалами, в то время как пользователи на краю соты работают только с частью доступных подканалов.

На рис. 9.3 F1, F2 и F3 представляют собой различные наборы подканалов в одном и том же диапазоне частоты. При такой конфигурации обеспечивается полное использование спектра для пользователей, находящихся в центре соты, и частичное использование спектра для пользователей, находящихся на краю соты. Повторное использование подканалов может планироваться и динамически оптимизироваться по всей соте или по секторам в соответствии с нагрузкой или интерференцией.

Рис. 9.3.

 
Частичное повторное использование частот

Групповая рассылка и широковещательное обслуживание (MBS — Multicast and Broadcast Service), предоставляемые мобильным WiMAX, удовлетворяют следующим требованиям:

Профиль WiMAX определяет способы начальной установки служб MBS. Они могут быть организованы в рамках служб, предназначенных для однонаправленных соединений, и включаться в кадры по направлению “вниз”, или могут быть созданы специализированные кадры для этих служб.

Рис. 9.4 показывает зону MBS, которая поддерживает однонаправленную, широковещательную и групповые службы по обоим направлениям (DL/UL).

Рис. 9.4.

 
Отображение MBS, встроенных в WiMAX

Эта структура обеспечивает гибкий размер зон MBS-кадра, позволяя таким образом наращивать радиоресурсы для MBS в соответствии с трафиком. Отметим, что возможно создание нескольких зон MBS.

Имеется один дескриптор (описатель) размещения информационных элементов (IE) в зоне MBS. Мобильная станция получает доступ к протоколу доступа, чтобы идентифицировать зоны MBS и местоположения связанных списков объектов в каждой зоне согласно протоколу доступа. Эта станция затем может последовательно читать списки и устанавливать соединения. Информационный элемент зоны определяет физическую конфигурацию и местоположение каждой зоны с помощью параметров OFDMA.

Область гибридного автоматического запроса на повторную передачу (HARQ — Hybrid Automatic ReQuest) обеспечивает функционирование, когда блоки данных передаются по нескольким каналам. В этом случае при искажении информации, передаваемой по данному каналу, она передается по другому каналу. Смена каналов осуществляется планировщиком.

Поскольку мобильный WiMAX основан на наращиваемом OFDMA, он может гибко создавать конфигурации, которые приспособленные для работы с системами, имеющими различные пропускные способности, благодаря настройке системных параметров. Приводимые ниже характеристики можно рассматривать как некоторый пример для оценки рабочих характеристик. Приведенные ниже таблицы содержат следующие сведения: табл. 9.3 — рабочие характеристики системы, табл. 9.4 является итогом рассмотрения параметров OFDMA и табл. 9.5 показывает модель распространения, применяемую для оценки параметров мобильноого WiMAX.

COST — Cooperation in field Of Scientific and Technical Research (Европейское сотрудничество в области научно-технических исследований). COST 231 Suburban — математическая модель распространения радиосигналов [63].

IEEE в стандарте 802.16 определил только физический уровень и уровень доступа к среде (MAC — Media Access Control). Такой подход удовлетворял технологии беспроводных Ethernet, которые использовали протоколы IETF (Internet Engineering Task Force) — такие как наборы протоколов верхнего уровня, например, TCP/IP, SIP, VoIP. Для беспроводной связи применяются другие протоколы, например, набор протоколов 3GPP, поддерживающие широкий диапазон интерфейсов и протоколов. Они касаются не только радиотракта, но также взаимодействия между сетями, между оборудованием различных производителей для проведения роуминга и взаимных расчетов между компаниями, предоставляющими услуги беспроводной связи. Производители, осознав эти потребности, сформировали дополнительные рабочие группы по разработке стандартов сети и эталонных моделей для открытых межсетевых интерфейсов.

Две из них сосредоточились на исследовании вопросов создания спецификаций для создания сетей с различным видом доступа [4]:

Первые два вида связи подразумевают, что пользователь находится в фиксированной и ограниченной зоне. В первом случае он связывается с одной и той же базовой станцией.

Во втором случае подразумевается, что пользователь может связываться с различными базовыми станциями, но оставаться в этой зоне на время сеанса.

Доступ во время транспортировки допускает перемещение с ограниченной скоростью в пределах ограниченного числа зон и перемещения в каждом местоположении. При этом возможно ограничение видов сервиса, предоставляемых непрерывно при перемещении.

При упрощенном и полнофункциональном мобильном доступе пользователь может перемещаться по всем сотам сети с высокой скоростью.

Упрощенный мобильный доступ гарантирует непрерывность для некоторого набора услуг, а полнофункциональный мобильный доступ обеспечивает ее для всех видов услуг.

Рабочие группы, которые называются WiMAX Forum‘s Network Working Group (сетевая рабочая группа) и Service Provider Working Group (рабочая группа поставщиков услуг), определили требования и расставили приоритеты по разработке стандартов сети.

Архитектура мобильного WiMAX построена на платформе “Все — IP” (All-IP).

Принятая технология основана на передаче и коммутации пакетов без использования каналов традиционной телефонии. Такой подход предполагает, что будут уменьшены затраты на всех “этапах жизненного цикла” (проектирование, развертывание и эксплуатация) сети. Использование принципа “Все — IP” означает, что общее ядро сети может не поддерживать обе известные технологии — коммутацию пакетов и сетей — со всеми задачами, которые влечет поддержка обеих технологий. Дальнейшие преимущества принципа “Все — IP” основаны на прогнозах роста сети. Их часто называют законом Мура (“Moore’s Law“). Он утверждает, что развитие обработки информации на основе компьютерных технологий происходит быстрее, чем средств телекоммуникации. Причина в том, что обработка информации не ограничена установкой и модернизацией аппаратуры, как это происходит в сетях с коммутацией каналов.

Выбор принципа базовой технологии пакетной коммутации предполагает низкую стоимость, высокую степень наращиваемости, быстрое развитие функциональных возможностей, т. е. все преимущества систем, основанных на использовании программного обеспечения.

Для того чтобы успешно развивать коммерческие системы, были разработаны спецификации физического уровня и доступа к среде (802.16-PHY/MAC) для радиоинтерфейса. Они обеспечивают с помощью системной архитектуры поддержку базовой сетью набора необходимых функций.

Прежде чем вдаваться в детали архитектуры, рассмотрим несколько основных принципов.

1. Архитектура базируется на структуре, принятой в пакетной коммутации и процедурах, которые основаны на стандарте IEEE 802.16 и поправках к нему в соответствии со стандартами IETF (Internet Engineering Task Force).
2. Архитектура позволяет отделить архитектуру системы доступа от услуг IP-связи.
3. Архитектура обеспечивает модульность и гибкость, для создания множества вариантов сети, таких как:

Поддержка услуг и приложений. Архитектура включает поддержку:

Взаимодействие и роуминг. Это также ключевые моменты архитектуры сети мобильного WiMAX, от которых зависит множество сценариев. В частности, будут поддерживаться:

• а) произвольная архитектура взаимодействия с существующими беспроводными сетями, такими как 3GPP, DSL и MSO (мультисервисный оператор, имеющий возможность совмещать услуги телефонии, мультимедиа, кабельного телевидения и т. п.), системами, базирующимися на наборе протоколов Интернета;
• б) глобальный роуминг между операторами WiMAX, включая обеспечение повторного использования частот, последовательное использование системы опознавания установление подлинности и ведение учета (AAA — Authentication, Authorization and Accounting), составление индивидуальных и общих счетов и урегулирование претензий;
• в) использование различных платежных механизмов, таких как сообщение имени и пароля пользователя, цифровая подпись, модуль абонентской идентификации (SIM — Subscriber Identity Module), универсальный модуль SIM (USIM — Universal SIM) и сменный модуль идентификации пользователя (RUIM — Removable User Identity Module).

Участники WiMAX Forum создали эталонную модель сети WiMAX – NRM (Network Reference Model), которая представляет собой логическую архитектуру сети. NRM определяет функциональные объекты и эталонные точки, через которые взаимодействуют между собой эти функциональные объекты. Архитектура разработана с целью унификации поддержки, необходимой для всего диапазона развития сети и используемых сценариев (например, от фиксированной сети к сеансовой — транспортирующей — простой мобильной и далее к полнофункциональной мобильной сети).

Рис. 9.5 иллюстрирует NRM, состоящий из следующих логических объектов: мобильной станции (MS), сети доступа к услуге (ASN — Access Service Network), сети взаимодействия с услугой (CSN — Connectivity Service Network) и выделенных эталонных точек для взаимодействия между логическими объектами. Рис. 9.5 дает ключевые нормативные точки R1–R5. Каждый объект представляет группу других функциональных объектов. Эти функции могут быть реализованы отдельным физическим устройством или распределены по многим физическим устройствам.

Группировка и распределение функций по физическим устройствам функциональных объектов (таких как ASN) улучшает выбор их реализации; изготовитель может выбрать любую физическую реализацию функций, либо индивидуальную, либо комбинированную, удовлетворяющую функциональным требованиям и требованиям по взаимодействию.

Цель NRM состоит в том, чтобы допустить множество путей реализации функциональных объектов и достичь взаимодействия между различными реализациями. Взаимодействие основано на определении протоколов связи и реализации процессов обработки между функциональными объектами, чтобы достигнуть выполнения в полном объеме функций, например, безопасности или управления и администрирования.

Таким образом, эталонная точка является набором функций управления и средств их выполнения.

Логический объект — сеть доступа к услугам (ASN) — определяет логическую границу и предоставляет удобный способ описать совокупность функциональных объектов, которые связаны единой задачей, и соответствуют потокам сообщений, связанных с выполнением услуг доступа.

Рис. 9.5.

 
Эталонная модель WiMAX

ASN представляет границу для функционального взаимодействия WiMAX с клиентом, возможности по взаимодействию в выполнении функций услуг и объединения функций, реализованных разными производителями. Отображение функциональных объектов в логические сети доступа к услугам (ASN) может быть выполнено различными способами.

WiMAX Forum в процессе разработки спецификаций заложил принципы, которые предоставляют возможность производителям использовать самые разнообразные пути по их выполнению.

Сеть взаимодействия с услугой (CSN — Connectivity Service Network) определена как набор функций, которые обеспечивают взаимодействие абонента(ов) WiMAX с услугой через IP. Она может содержать такие сетевые элементы, как маршрутизаторы, опознавание, аутентификация и учет стоимости, базы пользовательских данных и шлюзы взаимодействия.

CSN может быть реализована как часть сети поставщика прикладных услуг (NSP — Network Service Provider).

Сетевые спецификации для систем, основанных на WiMAX, базируются на принципах архитектуры, перечисленных ниже:

• а) логическое разделение между процедурами адресации IP, процедурами маршрутизации и управления взаимодействием, а также соответствующими протоколами, для того чтобы позволить использование примитивов (программных модулей) в различных сценариях как автономных и взаимодействующих с окружением единиц;
• б) поддержка совместного использования ASN-сети поставщиком доступа услуг (NAP — Network Access Provider) одного из множества поставщиков услуг (NSP — Network Service Provider);
• в) поддержка одной сети взаимодействия с услугами (CSN — Connectivity Service Network) для управления многими сетями доступа к услугам ASN;
• г) поддержка средств обнаружения и выбора мобильной станцией или станцией обслуживания одного из доступного поставщика услуг NSP;
• д) поддержка доступа к назначенному сервису с помощью функций взаимодействия;
• е) спецификация определенных эталонных точек между различными группами сетевых функциональных объектов — между ASN, между ASN и CSN, между CSN и в особенности между MS, ASN и CSN, чтобы сделать возможными взаимодействия аппаратуры различных производителей;
• ж) поддержка развития взаимодействия между различными моделями использования (подвергается разумным техническим предположениям и ограничениям);
• з) предоставление возможности различным производителям аппаратуры комбинировать различные объекты на различных физических носителях. Рис. 9.6 показывает несколько объектов в пределах сети доступа к услуге и их функциональную группировку, места протоколов и эталонных точек, как это определено в спецификациях;
• и) поддержка некоторых частных сценариев отдельных операторов, разработанных на сети доступа с ограниченными услугами базовой сети, например, основных услуг Интернета без роуминга.

Архитектура WiMAX позволяет обеспечить IP- и Ethernet – услуги в мобильном варианте, гибко и согласованно поддержать работу операторов, использующих аппаратуру разных изготовителей.WiMAX-сети имеют следующие свойства, рассмотренные ниже.

увеличить изображение
Рис. 9.6.

 
Архитектура Мобильной WiMAX сети на основе IP

Архитектура сети WiMAX базирует свою безопасность на учете типа оператора и топологии сети и выполняет различные сценарии. В частности, она поддерживает:

Архитектура сети WiMAX поддерживает множество возможностей мобильности и хэндовера. Она предполагает реализацию:

Архитектура мобильного WiMAX имеет широкие возможности для расширения и наращивания, а также гибкость в выборе оператора. В частности, предполагается:

• а) простое изменение параметров при проектировании сетей доступа к услугам и основной сети, как в сторону увеличения, так и уменьшения; это касается зоны покрытия или емкости системы;
• б) возможность приспосабливаться к любой топологии: индивидуальной (“сними трубку и говори”), иерархической и/или соединений со многими промежуточными узлами;
• в) обеспечение возможности работы с различными ретрансляционными линиями, проводными и беспроводными, имеющими различные временные задержки и характеристики и пропускную способность;
• г) поддержка развития инфраструктуры;
• д) поддержка поэтапного внедрения IP-услуг, которые должны наращиваться в соответствии с возрастанием числа активных пользователей и числа услуг, используемых каждым абонентом;
• е) поддержка наращивания числа базовых станций и их ввода в сеть для различной емкости и зоны покрытия, например, пико- и макросотовых;
• ж) поддержка декомпозиции и интеграции функций сети взаимодействия с услугой доступа к сети при разработке и по заявке пользователей для создания схем баланса нагрузки и эффективности использования спектра и сетевых ресурсов (CSN — Connectivity Service Network).

Другой важный аспект архитектуры сети мобильного WiMAX — поддержка взаимодействия оборудования различных изготовителей при реализации функций сети доступа. Такое взаимодействие должно включать:

Сеть мобильного WiMAX имеет средства для поддержки различных механизмов обеспечения качества обслуживания. В частности, она предоставляет возможность гибкой поддержки одновременной работы различных наборов IP-услуг.

Архитектура поддерживает:

Для управления политикой между операторами широко используются возможности стандартов, действующих в отношении Интернета. Конфигурации сети доступа к услугам определены профилями, включающими распределенную и централизованную архитектуру. Кроме того, WiMAX-форум разрабатывает взаимодействие как внутри сетей доступа, так и между сетями доступа, выполненными на оборудовании различных изготовителей.

• Технологии мобильного WiMAX включают в себя применение сложных антенн – антенны с переключением, решёчатые антены.
• При управлении сложными антеннами применяются процедуры: формирования диаграмм направленности, коды пространствовремя, пространственное мультиплексирование.
• Пространственное мультиплексирование улучшает пиковую пропускную способность радиоканала.
• Использование адаптивных антенн позволяет на физическом уровне применять многочисленные варинаты разнесения с помощью организации нескольких каналов для передачи одной и той же информации.
• Для управления адаптивной системы антенн организуется массив распределения, в котором указываются данные необходимые для управления каждой антенной.
• В системе WiMAX применяется повторное использование каналов, где в центре соты пользователи испольуют весь спектр, а по краям соты только часть подканалов.
• Системой WiMAX обеспечивается групповая и широковещательная доставка. Эти службы поддержвиактся с помощью отображения зон в памяти.
• На первых этапах предполагаются различные виды доступа: использование в ограниченной зоне, ограничение скорости передвижения, ограничение служб при перемещении и полнофункциональная система.
• Эталонная модель WiMAX включает сеть доступа к услугам, сеть взаимодействия с услугой.
• Архитектура мобильного WiMAX построена на платформе “Все-IP” (All-IP). Принятая технология основана на передаче и коммутации пакетов без использования каналов традиционной телефонии.
• Архитектура сети WiMAX поддерживает множество возможностей мобильности и хэндовера. Она предполагает реализацию передачи вызова сетям с различными технологиями
• Архитектура мобильного WiMAX имеет широкие возможности для расширения и наращивания, а также гибкость в выборе оператора.
• Сеть мобильного WiMAX имеет средства для поддержки различных механизмов обеспечения качества обслуживания. В частности, она предоставляет возможность гибкой поддержки одновременной работы различных наборов IP-услуг.

1. Провести частичное распределение поднесущих для направления “вниз” при значении защитного интервала 10 % и следующих значениях размеров преобразования Фурье:
2. Провести частичное распределение поднесущих для направления “вниз” при значении защитного интервала 20 % и следующих значениях размеров преобразования Фурье:
3. Провести полное распределение поднесущих для направления “вниз” при значении защитного интервала 20 % и следующих значениях размеров преобразования Фурье:
4. Провести полное распределение поднесущих для направления “вниз” при значении защитного интервала 10 % и следующих значениях размеров преобразования Фурье:
5. Провести распределение поднесущих для направления “вверх” при значении защитного интервала 10 % и следующих значениях размеров преобразования Фурье:
6. Провести распределение поднесущих для направления “вверх” при значении защитного интервала 20 % и следующих значениях размеров преобразования Фурье:

Ниже в строках курсивом обозначены понятия, которые разъясняются в других строках глоссария.

Abis-интерфейс	интерфейс в системе GSM между контроллером базовой станции BSC и базовой приемопередающей станции BTS. Предназначен для процессов установления соединений и управления оборудованием, передача осуществляется цифровыми потоками со скоростью 2,048 Мбит/с. Возможно использование физического интерфейса 64 Кбит/с.
A-интерфейс	интерфейс в системе GSM между центром коммутации мобильной связи MSC и системой базовых станций BSS (подсистема базовых станций — BSC BTC), обеспечивает передачу сообщений для управления BSS, передачу вызова (хэндовер), управление при изменении местоположения.
B-интерфейс	интерфейс в системе GSM между центром коммутации мобильной связи MSC и визитным регистром местоположения VLR.
C-интерфейс	интерфейс в системе GSM между центром коммутации мобильной связи MSC и домашним регистром местоположения HLR.
D-интерфейс	интерфейс в системе GSM между домашним регистром местоположения HLR и визитным регистром местоположения VLR. Используется для расширения обмена данными о положении подвижной станции, управления процессом связи.
E-интерфейс	интерфейс в системе GSM между MSC. Обеспечивает взаимодействие между разными MSC при осуществлении процедуры хэндовера.
M-интерфейс	внутренний интерфейс в системе GSM контроллера базовой станции. Обеспечивает связь между различным оборудованием BSC и оборудованием транскодирования (ТСЕ).
O-интерфейс	интерфейс в системе GSM между контроллерами базовой станции BSC и центром эксплуатации и технического обслуживания ОМС. Используется в сетях с пакетной коммутацией с применением протокола Х.25.
RAKE-receiver	приемник, который получает сигнал по нескольким путям и суммирует эти сигналы с соответствующими весовыми коэффициентами.
Um-радиоинтерфейс	интерфейс в системе GSM между мобильной станцией MS и базовой приемопередающей станцией BTS.
X-интерфейс	сетевой интерфейс в системе GSM между центрами эксплуатации и технического обслуживания ОМС разных сетей и сетью, так называемый управляющий интерфейс между ОМС и элементами сети.
А
Автоматическая идентификация (опознавание) номера вызывающего абонента (АОН) (Automatic number identification – ANI)	процесс, позволяющий вызываемому абоненту или станции определить номер вызывающего абонента.
Автономный выделенный канал управления (SDCCH – Stand-Alone Dedicated Control Channel)	канал, соединяющий MS и BTS, для передачи сигналов в течение установления вызова прежде, чем будет найден канал трафика (TCH);
Административный центр (ADC – Administration Center)	сетевая служба, ответственная за организацию связи, административное управление сетью и соблюдение установленных правил доступа.
Алгоритм Витерби (Viterbi decoding)	декодирование, при котором вычисляется оценка наиболее вероятной выходной последовательности по методу максимального правдоподобия.
Алгоритм хеширования (SHA – Secure Hash Algorithm)	алгоритм, который порождает дайджест постоянной величины из текста переменной длины.
Асинхронный режим передачи (ATM – Asynchronous Transfer Mode)	режим передачи, который объединяет возможности двух технологий – коммутации пакетов и каналов.
Аутентификация (authentication)	проверка прав и полномочий вызывающего абонента
Б
Базовая приемо-передающая станция (BTS – Base Transceiver Station)	стационарная станция, обеспечивающая передачу и прием радиосигналов, управление мощностью мобильных станций.
Базовая сеть (CN – Core Network)	подсистема мобильной связи, объединяющая коммутационное и сетевое оборудование.
Более мягкий хэндовер (softer handover)	хэндовер, при котором не требуется процедура повторного вхождения в синхронизм.
В
Видеотекс (videotex)	служба, обеспечивающая доступ удаленных пользователей к базам данных общего пользования.
Видеотекст (videotext)	интерактивная служба передачи видеоизображения для отображения на дисплей или экран телевизора.
Визитный регистр местоположения (VLR – Visit Location Register)	база данных сети мобильной связи, в которой хранится информации о перемещениях абонентов.
Вокодер	устройство, предназначенное для преобразования речевого сигнала в цифровой поток. Работа вокодера основана на анализе особенностей человеческой речи.
Временное дуплексное разделение (TDD – Time Duplex Division)	двустороння передача цифровой информации на одной несущей частоте с уплотнением каналов приема и передачи в разных временных интервалах одного кадра.
Временный идентификационный номер подвижного абонента (TMSI – Temporary Mobile Subscriber Identity)	номер, который присваивается мобильной станции при переходе из домашней сети в другую сеть на время обслуживания соединения в визитной зоне.
Временный роуминговый номер мобильной станции (MSRN – Mobile Station Roaming Number)	номер, который присваивается мобильной станции при переходе из домашней сети в другую сеть на время обслуживания соединения в визитной зоне роуминга.
Вторичный общий физический канал управления (SCCPCH – Secondary Common Control Physical Channel)	однонаправленный канал от станции к оборудованию пользователя UE. Этот канал доставляет информацию прямого канала доступа (FACH-Forward Access Channel) и широковещательного канала вызова (PCH) с сообщениями для UE, которые зарегистрированы на сети.
Выделенные каналы управления (DCCH – Dedicated Control Channel)	группа каналов, которые предназначены, например, для обслуживания роуминга, изменения местоположения, передачи соединения (хэндовер), шифрования и т.д.
Г
Гауссова минимальная манипуляция с минимальным фазовым сдвигом (GMSK – Gaussian Minimum Shift Keying)	отличается тем, что импульсы входной последовательности сглаживаются с помощью фильтра нижних частот и приводятся к форме гауссовой кривой.
Гибридный автоматический повторный запрос (HARQ – Hybrid Automatic Repeat Request)	позволяет использовать N каналов в старт-стопном режиме с поблочным повторением. При использовании этого метода после отправки кадра передатчик делает паузу, в течение которой ожидается прием подтверждения. В зависимости от типа подтверждения (положительное – ACK или отрицательное – NAK) источник передает следующий кадр или повторяет предыдущий.
Глобальная навигационная система (GPS – Global Position Satellite)	система Министерства обороны США, предназначенная для определения местоположения и точного времени.
Глобальная система мобильной связи (GSM – Global System for Mobile сommunications)	стандарт сотовой системы связи, разработанный специальной группой Европейского института стандартов электросвязи (ETSI).
Группа активных сигналов (Active Set)	содержит пилот-сигналы, связанные с каналами трафика, идущими от базовой станции (разделенными с помощью функций Уолша).
Группа кандидатов на пилот сигнал (candidate set)	содержит пилот-сигналы, которые в настоящее время не входят в активную группу. Однако эти пилот-сигналы имеет достаточную интенсивность, которая указывает, что связанные с ними прямые каналы трафика могут быть успешно использованы мобильной станцией.
Группа соседних пилот-сигналов (Neighbor Set)	содержит соседние пилот-сигналы, которые в настоящее время не входят ни в активную группу, ни в группу кандидатов на пилот сигнал, но их использование вероятно при хэндовере.
Группа управления мощностью (PCG – Power Control Group)	группа бит, которые указывают на необходимость увеличения или уменьшения мощности.
Д
Дайджест	сжатая и определенная по форме версия документа.
Длина кодового ограничения (constrain length)	величина, используемая при с сверточном кодировании, которая указывает длину регистра сдвига, запоминающего поле входного потока. Обычно обозначается K.
Домашний регистр местоположения (HLR – Home Location Register)	база данных мобильной сети, в которой хранится информация о постоянно зарегистрированных в сети абонентах.
Доступ во время транспортировки (portable access)	один из видов организации радиосвязи, при котором допускается перемещение с ограниченной скоростью в пределах ограниченного числа зон. При этом возможно ограничение видов сервиса, предоставляемых непрерывно при перемещении.
Доступ полнофункциональный (full mobile access)	обеспечивает пользователю возможность перемещаться по всем сотам сети с высокой скоростью. При этом гарантируется непрерывность для всего набора услуг.
Доступ сеансовый (nomadic access)	один из видов организации радиосвязи, при котором пользователь может устанавливать беспроводную связь с различными базовыми станциями.
Доступ упрощенный мобильный (simple mobile access)	один из видов организации радиосвязи, при котором пользователь может перемещаться по всем сотам сети с высокой скоростью, при этом гарантируется непрерывность только для некоторого набора услуг,
Доступ фиксированный (fixed access)	один из видов организации радиосвязи, при котором пользователь может устанавливать беспроводную связь только из одной зоны с одной базовой станцией.
Дуплексная передача с частотным разделением каналов	режим работы линии связи, при котором частоты передачи и приема находятся в разных частотных полосах.
Ж
Ждущий вызов	один из дополнительных видов обслуживания, когда входящий вызов по определенной причине (например, занятость абонента) ставится на ожидание до освобождения занятого абонента.
З
Закрытая группа пользователей (CUG – Closed User Group)	группа абонентов, в которой устанавливается соединение и происходит обмен информацией преимущественно в пределах этой группы.
Замирание (fade)	явление, при котором в течение определенного интервала времени происходит то постепенное усиление, то ослабление сигнала.
Запрет на вызов при входящей и исходящей связи (barring incoming or outgoing call)	дополнительная услуга, когда при использовании запрета на входящий вызов все входящие вызовы не поступают абоненту. Услуга может варьироваться в зависимости от типа связи (запрет на междугородную связь). При запрете на исходящей стороне ограничиваются вызовы.
Зона покрытия (coverage)	зона на земной поверхности, в пределах которой обеспечивается распространение радиоволн от передатчика к приемнику.
И
Индивидуальный секретный ключ шифрования/дешифрования (private key)	ключ шифрования, который может использоваться только парой устройств – передатчиком и приемником. При использовании общедоступных ключей индивидуальный ключ используется только приемником.
Индикатор канала вызова (PICH – Paging Indication Channel)	обеспечивает информацией оборудование пользователя UE в неактивном состоянии и сохранность ресурсов батареи при слежении в этом режиме за широковещательным каналом вызова (Paging Channel). PICH определяет момент дезактивации UE.
Интерфейс (interface)	совокупность аппаратных и программных средств, а также правил, обеспечивающих их сопряжение на физическом или логическом уровне.
Интерфейс (Uu)	интерфейс в сети 3-его поколения UTRAN между пользовательским оборудованием UE и приемопередающей станцией BTS
Интерфейс Iu	интерфейс в сети 3-его поколения UTRAN между радиоконтроллером RNC и приемопередающей станцией BTS.
Интерфейс Iub	интерфейс в сети 3-его поколения UTRAN между радиоконтроллером RNC и мобильным центром коммутации MSC.
Интерфейс Iur	интерфейс в сети 3-его поколения UTRAN между радиоконтроллерами RNC.
Интерфейс основной скорости (Basic Rate Interface)	интерфейс цифровой сети интегрального обслуживания (ISDN), который обеспечивает передачу двух каналов трафика (B-каналы) со скоростью 64 кбит/с и одного канала сигнализации (D-канала) со скоростью 16 кбит/с.
Интерфейс первичной скорости (Primary Rate Interface)	интерфейс цифровой сети интегрального обслуживания (ISDN), который обеспечивает скорость передачи 2,048 Мбит/с
К
Канал вызова и широковещательный канал коротких сообщений (PCH – Paging Channel)	исходящий канал только от сети к MS; BTS информирует MS о входящих вызовах через PCH.
Канал доступа (ACH – Access Channel)	обеспечивает связь подвижной станции с базовой станцией, когда подвижная станция еще не использует канал трафика.
Канал индикатор состояния (CSICH – CPCH Status Indication Channel)	канал, который применяется только по направлению от станции к UE для передачи состояния и может также использоваться для передачи излишней нагрузки при ее всплеске или прерывистом характере нагрузки.
Канал индикатора вхождения в синхронизм (AICH – Acquisition Indicator Channel)	канал системы UMTS, который используется, чтобы сообщить пользовательскому оборудованию UE данные о канале данных (DCH), он может использоваться для того, чтобы связаться с узлом B.
Канал обнаружения конфликтов/Индикатор назначения канала (CD/CA-ICH Collision Detection/Channel Assignment Indication Channel)	канал универсальной мобильной телекоммуникационной системы (UMTS), используемый в направлении от станции к UE, чтобы указать, является ли канал активным или неактивным.
Канал обратного трафика (RTCH – Reverse Traffic Channel)	канал в системе CDMA для приема базовой станцией информации от мобильной; обеспечивает передачу речевых сообщений и управляющей информации с подвижной на базовую станцию.
Канал подстройки частоты (FCCH – Frequency Correction Channel)	канал связи от сети к мобильной станции, предназначенный только для коррекции и передачи частоты к MS. Он также используется для вхождения в синхронизм.
Канал предоставления доступа (AGCH – Access Grant Channel)	исходящий канал только от сети к MS. BTS распределяет каналы трафика TCH или SDCCH к мобильной станции, таким образом разрешая MS доступ к сети.
Канал синхронизации (SCH – Synchronizing Channel)	служебный канал в системе CDMA, обеспечивает поддержание уровня излучения пилотного сигнала, а также фазу псевдослучайной последовательности базовой станции.
Канал случайного доступа (RACH – Random Control Channel)	канал, используемый при работе с системой случайного доступа.
Канал совместного использования (DSCH – Downlink Shared Channel)	односторонний канал UMTS от станции к оборудованию пользователя. Этот канал может быть разделен между несколькими пользователями и используется для данных, которые являются “взрывными” по природе, такие как служба просмотра web браузеров.
Канал трафика (TCH – Traffic Channel)	канал связи, работающий между мобильной и базовой станцией.
Канал широковещательного вызова (Paging Channel)	используется для вызова подвижной станции.
Карта сетевого интерфейса (Network Interface Card – NIC)	электронное устройство, устанавливаемое внутри станции и содержащее схемы, которые обеспечивают ее первоначальное подключение к сети.
Квадратурная фазовая манипуляция (QPSK – Quadrature Phase-Shift Keying)	метод манипуляции, при котором каждой группе из двух бит (00,01,10,11) ставится в соответствие 4 значения фазы сигнала одной и той же частоты.
Квадратурно-амплитудная модуляция (КАМ-QAM – Quadrature Amplitude Modulation)	независимая амплитудная модуляция двух сигналов квадратурного представления с помощью одной и той же несущей.
Квадратурное представление сигнала (Quadrature Signal Image)	представление синусоидального колебания как линейной комбинации синусоидального и косинусоидального колебаний с нулевой начальной фазой.
Кластер (cluster)	группа из близко расположенных сот, в пределах которой не допустимо повторное использование частот из-за опасности превышения уровня взаимных помех.
Клиппирование (clipping)	ограничение речевого сигнала в моменты пересечения нулевого уровня.
Кодирование c линейным предсказанием (LPC – Linear Predictive Coding)	метод низкоскоростного преобразования речевого сигнала, который связан с предсказанием изменения выходного сигнала путем анализа речи с помощью использования фильтров с изменяемыми во времени параметрами.
Коммутатор ATM (ATM switch)	устройство, выполняющее функции таких сетевых элементов, как маршрутизатор и мост.
Контроллер базовой станции (BSC – Base Station Controller)	элемент сети, который управляет несколькими базовыми станциями.
Контроллер радиосети (RNC – Radio Network Controller)	элемент сети 3-его поколения UTRAN. В системе GSM он называется контроллером базовой станции (BSC).
Конференц – связь (conferencing)	одновременная связь многих пользователей с возможностью общения всех абонентов (многосторонняя) или одного (главного абонента) со всеми.
Коэффициент битовых ошибок (BER – Bit Error Rate)	вероятность ошибки на бит.
Коэффициент появления ошибок в кадре (FER – Frame Error Rate)	отношение количества кадров, принятых с ошибками, к общему числу переданных.
Коэффициент расширения спектра (SF – Spreading Factor)	определяется как отношение чиповой скорости к скорости передачи информации.
Л
Линейное предсказание с возбуждением регулярной импульсной последовательностью (RPE – LPC)	метод вокодерного представления сигнала. В основе этого метода положен принцип предсказания, когда информация от предыдущих временных отсчетов используется, чтобы предсказать текущий временной отсчет. Коэффициенты линейной комбинации предыдущих временных отсчетов, плюс закодированная форма остаточных, разность между предсказанным и фактическим временными отсчетами предоставляют возможность восстановить сигнал на приемном конце.
Линейное предсказание с возбуждением по остаточному (усеченному) сигналу (RELP – Residual Excited Linear Predication)	отличается от предыдущего тем, что в результате обработки кодируется и предсказывается часть речевого спектра, что уменьшает число обрабатываемых и предсказываемых отсчетов.
Линейное предсказание с кодовым возбуждением (CELP – Code Excited Linear Prediction)	метод низкоскоростного сжатия речевого сигнала, при котором вместо кодирования сигналов отсчет за отсчетом кодером разностного сигнала применяется “кодовая книга возбуждения”, из которой выбираются сигналы для сравнения с предыдущими сигналами и предсказания последующих сигналов. Существует больше число разновидностей кодовых книг.
Локальная географическая зона (LA – Location Area)	зона в мобильной связи, в которой сосредоточены базовые станции. Каждой из локальных зон присваивается свой идентификационный номер (LAC – Location Area Code).
М
Манипуляция (keying)	процесс воздействия на несущую частоту с помощью входного цифрового сигнала с целью изменения ее параметров (амплитуды, частоты, фазы). К настоящему времени имеется большое число способов модуляции и манипуляции.
Маршрутизатор (router)	устройство или программа, выполняющие выбор маршрута на основании собственной таблицы или данных, содержащихся в заголовке сообщений.
Матрица Адамара (hadamar matrix)	семейство матриц, формируемых при увеличении размера в соответствии со специальным алгоритмом, используемое для построения функций Уолша.
Международный опознавательный код мобильного абонента (IMSI – International Mobile Station Identity)	номер, используемый для идентификации абонента, включающий код страны, код сети оператора и номер абонента в сети.
Международный опознавательный код мобильного оборудования (IMEI – International Mobile Equipment Identity)	номер, используемый для идентификации мобильной станции.
Минимальная частотная манипуляции (MSK)	метод частотной модуляции, отображающий двоичные импульсные сигналы двумя сигнальными частотами, сдвинутыми по фазе на 180° на каждом тактовом интервале.
Многоимпульсное кодирование (MPLPC – Multi-Pulse LPC)	один из видов кодирования речи с линейным предсказанием LPC ; отличается тем, что предсказание касается не основного тона, а параметров передаваемых и принимаемых импульсов.
Многолучевое распространения (multipath propagation)	распространение радиоволн от передатчика к приемнику одновременно по нескольким траекториям.
Многопротокольная коммутация с использованием меток (MPLS – Multiprotocol Label Switching)	технология, которая использует метки в пакетах данных и позволяет создавать выделенные коммутируемые потоки.
Многостанционный доступ с временным разделением (TDMA – Time Division Multiple Access)	метод доступа, при котором все абоненты передают информацию на одной несущей частоте, но в разных временных положениях.
Многостанционный доступ с временным разделением типа ALOHA (TDMA – Time Division Multiple Access ALOHA)	принцип доступа, основанный на том, что все станции используют один канал связи, контролируя его работу, а передача осуществляется в случайные моменты времени, что уменьшает вероятность конфликтов.
Многостанционный доступ с кодовым разделением (CDMA – Code Division Multiple Access)	технология, основанная на применении сигналов, сформированных на базе кодовых псевдослучайных последовательностей.
Многостанционный доступ с частотным разделением каналов (FDMA – Frequency Division Multiple Access)	метод доступа, при котором весь выделенный диапазон частот разделяется на неперекрывающиеся полосы. При организации связи каждому абоненту выделяется отдельный канал, сигналы по которому передаются на своей несущей частоте.
Мобильная наземная сеть общего пользования (PLMN – Public Land Mobile Network)	общее название сетей морской, воздушной и наземной радиосвязи (кроме спутниковой).
Мобильная спутниковая служба (MSS – Mobile Satellite Service)	служба радиосвязи для организации информационного обмена между мобильными наземными станциями или между мобильными и стационарными наземными станциями.
Мобильная станция (MS – Mobile Station)	общее название радиостанций, предназначенных для использования абонентами во время передвижения.
Мобильный WiMAX	система мобильной широкополосной связи.
Модель OSI	концептуальная семиуровневая модель, определяющая семейства стандартов, гарантирующая возможность взаимодействия между уровнями.
Модуль идентификации абонента (SIM-карта) (Subscriber Identification Module)	устройство, гарантирующее санкционированный доступ в мобильную сеть. В настоящее время этот модуль выполнен в виде пластиковой карты.
Модуляция (modulation)	процесс изменения параметров несущей частоты (амплитуды, частоты или фазы) по заданному закону, который осуществляется с более низкой скоростью по сравнению с периодом высокочастотного колебания.
Мост (Bridge)	устройство, объединяющее несколько однотипных фрагментов сети со сходными протоколами обмена в сетевые фрагменты более крупного размера.
Мягкий хэндовер (soft handover)	переключение рабочего канала с одной базовой станции на другую без потери информации.
Н
Наращиваемое ортогональное частотное разделение каналов OFDM (S-OFDMA – Scalable – OFDMA)	увеличение или уменьшение числа поднесущих, используемых для переноса информации с целью гибкого использования частотного спектра.
Неортогональный многостанционный доступ с кодовым разделением каналов (Non Orthogonal CDMA)	метод CDMA, основанный на применении для разделения каналов и зон обслуживания генерируемых по специальному закону псевдослучайных последовательностей.
Низкоскоростной выделенный канал управления (SACCH – Slow Associated Control Channel)	передает непрерывные сообщения об измерениях (например, напряженность поля) обучающей последовательности, передаваемой в середине каждого временного интервала пакета.
О
Обнаружение голосовой активности (VAD – Voice Activity Detection	действие, обнаруживающее появления речи после режима молчания. Главная задача – отличать речь от шумов.
Оборудование пользователя (UE – User Equipment)	абонентское оборудование в системе UMTS, которое предназначено для работы в движении.
Обучающая последовательность (training sequence)	последовательность, используемая для оценки характеристик канала при распространении радиоволн. Передается обычно в середине каждого временного интервала пакета.
Общедоступный канал управления канала (SHCCH – Shared Channel Control Channel)	двунаправленный канал, применяемый только в режиме временного дуплексного разделения (TDD – Time Duplex Division) WCDMA/UMTS; он используется для транспортировки общедоступной управляющей информации канала.
Общеканальная сигнализация (CCS № 7 – Common Channel Signaling)	метод сигнализации, при котором для передачи управляющей информации из множества каналов для сигнализации создается групповой тракт
Общий канал передачи пакетов (CPCH – Common Packet Channel)	односторонний канал связи универсальной мобильной телекоммуникационной системы (UMTS) от оборудования пользователя UE к станции. Обеспечивает возможности, дополняющие канал случайного доступа RACH, а также передает сигналы быстрого регулирования мощности.
Общий канал трафика (CTCH – Common Traffic Channel)	однонаправленный канал универсальной мобильной телекоммуникационной системы (от станции к абоненту), используемый для передачи специализированной пользовательской информации группе оборудования пользователей UE.
Общий канал управления (CCCH – Common Control Channel)	группа каналов связи от абонента к станции и каналы связи от сети к MS.
Общий пилот-канал (CPICH – Common Pilot Channel)	информационный канал универсальной мобильной телекоммуникационной системы (UMTS). Информация по этому каналу передается каждым узлом B для того, чтобы UE были способны поддерживать синхронизацию.
Ортогональное частотное разделение каналов (OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiple)	метод мультиплексирования, который подразделяет полосу канала на множество поднесущих частот.
Ортогональные функции (orthogonal functions)	функции, у которых взаимная корреляция (специальная математическая оценка взаимной зависимости) равна нулю.
Ортогональный многостанционный доступ с кодовым разделением каналов (Orthogonal CDMA)	метод CDMA, основанный на применении ортогональных функций (например, функциях Уолша) для разделения каналов и зон обслуживания.
Отношение (energy – to spectral noise ratio)	показатель помехоустойчивости канала связи, равный отношению энергии сигнала, приходящейся на один бит – (Дж/бит), к спектральной плотности шума – (Вт/Гц).
П
Парная полоса частот (pair bands)	полоса частот, включающая два частотных интервала, один из которых выделен на передачу, а другой на прием.
Первичный общий физический канал управления (PCCPCH – Primary Common Control Physical Channel)	однонаправленный канала UMTS от станции к оборудованию пользователя. Этот широковещательный канал непрерывно передает системную идентификацию и информацию управления доступом.
Переадресация вызова (redirected call)	дополнительная услуга, при которой входящий вызов при определенных условиях направляется на другой адрес.
Перемежение (перестановка) (interleaving)	изменение позиций блоков информации относительно друг друга, которое позволяет разнести стоящие рядом символы, принадлежащие одному и тому же сообщению.
Перепрограммирование по эфиру (OTAP – Over The Air Reprogramming)	процедура изменения параметров настройки или программы путем передачи по радиоканалу в зашифрованном виде.
Пилотный канал (PICH – Pilot Channel)	служебный канал системы CDMA, предназначенный для установления начальной синхронизации, контроля уровня сигнала базовой станции по времени, частоте и фазе, идентификации базовой станции.
Пилотный сигнал (pilot signal)	сигнал, предназначенный для контроля и сравнения условий распространения радиоволн от различных мобильных станций.
Плоскость пользователя (U-plane)	совокупность протоколов, используемых для передачи прикладной информации от абонентской к базовой станции.
Плоскость управления (C-plan)	группа протоколов общей модели универсальной мобильной телекоммуникационной системы (UMTS), которые определяют все функции сигнализации, установления, контроля и разъединения соединений.
Плоскость управления транспортной сетью (CT – plane)	группа протоколов общей модели универсальной мобильной телекоммуникационной системы (UMTS), которые используются для управления и организации каналов сигнализации на транспортном уровне.
Повторное использование частот (frequency reuse)	способ организации связи, при которой одни и те же частоты многократно используются в разных зонах обслуживания.
Подсистема базовых станций (BSS – Base Station System)	оборудование, обеспечивающее интерфейс между мобильным центром коммутации и контроллером базовой станции.
Подсистема передачи сообщений (MTP – Message Transfer Part)	подсистема системы общеканальной сигнализации № 7, которая обеспечивает достоверную передачу информации без искажений, потерь, дублирования и в установленной последовательности.
Подсистема управления соединением каналов сигнализации (SCCP – Signaling Connection Control Part)	подсистема сетевого уровня ОКС № 7, которая обеспечивает логические каналы данных в системах, ориентированных и не ориентированных на соединение.
Порог значения времени таймера снижения (T_TDROP)	параметр хэндовера, указывающий минимальное время снижения уровня сигнала, после которого следует начинать хэндовер.
Порог обнаружения пилот-сигнала (T_ADD)	параметр хэндовера, показывающий процент напряженности поля по сравнению с нормальным сигналом, после достижения которого этот пилот-сигнал может быть использован для хэндовера.
Порог снижения пилот-сигнала (T_DROP)	параметр хэндовера, показывающий порог нормального сигнала, ниже которого требуется начинать процесс хэндовера.
Порог сравнения (T_COMP)	параметр хэндовера, указывающий насколько уровень данного пилотного сигнала отличается от уровня других, входящих в данную группу.
Последовательность максимальной длины (m-последовательность)	псевдослучайная последовательность максимальной длины, которая генерируется с помощью m разрядного регистра сдвига с обратными связями.
Предсказание с возбуждением регулярной импульсной последовательностью (RPE – Regular Pulse Excitation)	метод предсказания речевой последовательности с использованием эталонных кодовых последовательностей.
Прерывистая передача (DTX – Discontinuous Transmission Mode)	метод, при котором передатчик с целью экономии расхода энергии выключается в течение периодов молчания.
Прерывистый прием (DRX – Discontinuous Reception)	метод, при котором передатчик с целью экономии расхода энергии при отсутствии соединения периодически переводится в дежурный режим.
Прикладная подсистема системы базовой станции (BSSAP – Base Station System Application Part)	предназначена для обслуживания взаимодействия BSS и MSC Пользовательские функции BSSAP подразделены на две отдельные группы: прикладную систему управления базовой станцией (BSSMAP) и прикладную систему для прямой передачи (DTAP).
Прикладная система для прямой передачи (DTAP – Direct Transfer Application Part)	применяется для передачи сообщений управления соединением и управления подвижностью между MS и MSC. Сообщения прямой передачи не обрабатываются в системе BSS, а только преобразуются в соответствующие сигналы радиоинтерфейса и обратно.
Прикладной протокол взаимодействия базовых станций (NBAP – Network Base Station Application)	используется для управления задачами сигнализации на участке между базовыми станциями (узлами B) и радиоконтроллером RNC.
Прикладные протоколы радиосети (RNSAP – Radio Network System Application)	используются для управления задачами сигнализации на участке радиосети (на участке между RNC-RNC), как часть интерфейса Iur.
Прикладные протоколы радиосети доступа (RANAP-RAN Application)	применяются для управления задачами сигнализации на участке радиодоступа RNC-MSC, как часть интерфейса Iub.
Проба доступа (access probe)	короткий пакет при управлении мощностью; его информация позволяет регулировать уровень мощности.
Проект IМT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000)	международная программа и проекты стандартов связи мобильной связи 3-его поколения.
Протокол X.25	протокол передачи данных для сетей с коммутацией пакетов.
Протокол управления звеном доступа (ALCAP – Access Link Control Application)	используется для установления транспортных каналов в плоскости управления транспортной сетью для плоскости пользователя.
Процедура доступа к звену передачи данных для канала “D” – (LAPD – Link Access Procedure for the D channel)	процедура обмена сигналами при установлении соединения между двумя соседними узлами ISDN в режиме “точка-точка”.
Прямой канал доступа (FACH – Forward Access Channel)	однонаправленный канал в системе UMTS от станции к абоненту, который передает данные или информацию к UE, зарегистрированному в системе. В соте может быть больше чем один FACH.
Прямой канал трафика (FTCH – Forward Traffic Channel)	канал в системе CDMA для передачи от базовой станции к мобильной. Предназначен для передачи речевых сообщений и данных, а также управляющей информации от базовой станции к мобильной. Передает любые пользовательские данные.
Псевдослучайная перестройка по времени (time hopping)	метод расширения спектра, при котором производится сжатие информационного сигнала во временной области с последующей его передачей в случайные интервалы времени.
Псевдослучайная последовательность (pseudorandom sequence)	периодическая последовательность символов, которая генерируется детерминированным образом, однако обладает свойствами, присущими случайным сигналам (например, достаточно большой период повторяемости одних и тех же символов и др.).
Пустой слот (DB – Dummy Burst)	это вспомогательный пакет, который содержит два поля по 58 бит, не несущих информации. Он передается с целью оповещения о том, что станция находится в работоспособном состоянии.
Р
Расстояние повторного использования частот (frequency reuse distance)	расстояние между центрами двух удаленных сот, начиная, с которого допускается повторное использование частот.
Расширенный спектр (spread spectrum)	спектр передаваемого сигнала, при котором занимаемая им полоса частот в радиоканале во много раз шире, чем полоса исходного информационного сигнала.
Регистр идентификации оборудования (EIR – Equipment Identity Register)	централизованная база данных, содержащая списки идентификационных номеров оборудования IMEI и их статус (использование разрешено, украден, отказано в обслуживании).
Регистрация (registration)	процедура проверки прав и полномочий пользователя при входе в систему.
Речевая почта (voice mailbox)	интерактивная служба, позволяющая запоминать и хранить речевые сообщения.
Роуминг (roaming)	услуга предоставления связи при перемещении в зону обслуживания другого оператора.
С
Сверточное кодирование (convolution coding)	метод кодирования, при котором каждый символ, состоящий из k битов, преобразуется в n-битовый поток. См. скорость кодирования, длина кодового ограничения.
Секторизованная антенна (sectorized antenna)	антенна, у которой зона покрытия разделяется на секторы.
Секторизованная сота (sectorized cell)	сота, в которой обслуживание абонентов осуществляется базовой станцией с секторной антенной.
Сеть АТМ (Asynchronous Transfer Mode)	сеть, осуществляющая асинхронный режим передачи, который объединяет возможности двух технологий – коммутации пакетов и каналов.
Сеть наземного доступа UMTS (UTRAN – UMTS Terrestrial Radio Access Network)	сеть, которая использует стандарт радиоинтерфейса, обеспечивающего наземный радиодоступ в систему UMTS.
Символ (symbol)	при ортогональном частотном разделении каналов (OFDM) протокольная единица, передаваемая с помощью одной несущей.
Система cdma2000	проект стандарта широкополосной мобильной системы 3-его поколения, рассчитанный на постепенную модернизацию системы 2-го поколения CDMA.
Система cdmaOne	система 2-го поколения, которая развивается в систему 3-го поколения (1XMC, 3XMC).
Система EDGE (Enhanced Data for Global Evolution)	система, реализованная на базе стандартов GSM; обеспечивает плавный переход к системам 3-го поколения, позволяя увеличить скорость передачи данных до 384 кбит/с.
Скачок частоты (frequency hopping)	под скачкообразным изменением частоты понимают периодическую перестройку одной или нескольких частот при передаче.
Скорость кодирования (code rate)	отношение длины исходной информационной последовательности к длине кодированной последовательности. Она обычно обозначается r.
Слой без доступа (NAC – non-access stratum)	информация, переносимая между базовой сетью CN и оборудованием пользователя UE через сеть наземного доступа UMTS (UTRAN).
Слой доступа (access stratum)	информация, необходимая для взаимодействия оборудования пользователя UE и cети наземного доступа UMTS (UTRAN)
Слот доступа (AB – Access Burst)	предназначен для разрешения доступа MS к BSS; передается по каналу права доступа (RACH – Random Access Channel) в качестве перового запроса, когда станции еще не вошли в синхронный режим и не известно время прохождения сигнала.
Слот подстройки частоты (FB – Frequency correction Burst)	слот, который предназначен для синхронизации частот мобильной станции. Для передачи этих слотов выделяется канал подстройки частоты (FCCH – Frequency Correction Channel).
Слот синхронизации (SB – Synchronization Burst)	слот, который, предназначен для синхронизации по времени базовой и мобильной станций. Слот содержит синхропоследовательность (64 бита), зашифрованную информацию о номере кадра TDMA и коде идентификации базовой станции. Для передачи этих слотов выделяется отдельный канал синхронизации (SCH – Synchronizing Channel).
Служба коротких сообщений (SMS – Short Massage Service)	специальная служба мобильной связи, обеспечивающая передачу сообщений длиной до 500 символов.
Случайный доступ (random access)	метод доступа, при котором несколько станций устанавливают соединение через общий канал связи. В случае конфликта попытка соединения каждым участником повторяется через случайное время.
Специализированный канал трафика (DTCH – Dedicated Traffic Channel)	двунаправленный канал в системе UMTS; используется для доставки пользовательских данных или трафика.
Специализированный транспортный канал (DCH – Dedicated transport Channel)	двусторонний канал в системе UMTS, который используется, чтобы передать данные конкретному оборудованию пользователя UE. Каждый UE имеет свой собственный DCH в каждом направлении.
Специализированный физический канал данных (DPDCH – Dedicated Physical Data Channel)	двусторонний канал системы UMTS, который используется, чтобы передать пользовательские данные.
Специализированный физический канал управления (DPCCH – Dedicated Physical Control Channel)	двусторонний канал UMTS, который доставляет управляющую информация к/от UE. В обоих направлениях канал доставляет биты пилотного канала.
Стандарт шифрования данных (DES – Data Encryption Standard)	стандарт шифрования для использования не военными и не классифицированными пользователями.
Т
Телетекст (teletext)	служба передачи текстовых сообщений, которая может отображаться на экране телевизора или дисплея.
Телефакс (telefax)	служба передачи факсимильных сообщений по телефонным каналам.
Терминальное оборудование (ТЕ – Terminal Equipment)	оконечное оборудование в сети ISDN.
Транскодер (ТСЕ – Transcoder Equipment)	обеспечивает преобразование выходных сигналов передачи речи и данных MSC (64 кбит/с ИКМ) к виду, соответствующему рекомендациям GSM по радиоинтерфейсу.
Трафик (traffic)	поток информации (полезной, управляющей, вспомогательной и пр.), передаваемый по каналу связи. Средняя интенсивность трафика обычно измеряется в Эрлангах.
У
Узел B	элемент сети наземного доступа UMTS (UTRAN), выполняющий функции, аналогичные функциями базовой станции в других мобильных сетях.
Универсальная мобильная телекоммуникационная система (UMTS – Universal Mobile Telecommunications Systems)	проект общеевропейской мобильной системы 3-его поколения.
Управление мощностью (power control)	процесс, поддерживающий уровень мощности мобильной станции, который обеспечивает характеристики качества обслуживания и низкий уровень межканальной интерференции.
Управление мощностью по замкнутому циклу (closed loop power control)	предполагает измерение базовой станцией уровня мощности, принятой базовой станцией от мобильной станции, и выравнивание этого уровня по управляющему каналу.
Управление мощностью по открытому циклу (open loop power control)	мобильная станция определяет уровень мощности передачи, измеряя уровень мощности сигналов, поступающих по прямой линии. При этом предполагается, что потери на передачу в обоих направлениях равны.
Управление передвижением (MM – Mobility Management)	подуровень 3-его уровня протоколов радиоинтерфейса системы GSM, управляющий обновлением местоположения и процедурами регистрации, а так же защитой и аутентификацией.
Управление приемом и передачей базовой станции (BTSM – Base Transceiver Station Management)	представляет собой протокол взаимодействия BSC–BTS (Base Station Controller – Base Transceiver Station) или интерфейс Abis.
Управление соединением (connection management)	подуровень 3-го уровня протоколов радиоинтерфейса; обрабатывает общий процесс управления установлением соединения и сигнализацией и управляет дополнительными услугами, а также службой передачи коротких сообщений.
Управления радиоресурсами (RRM – Radio Resources Management)	подуровень 3-его уровня протоколов радиоинтерфейса системы GSM, который управляет установкой и обслуживанием радиоканалов, включая хэндовер.
Услуги пакетной радиопередачи (GPRS – General Packet Radio Service)	служба пакетной передачи данных, разработанная в рамках системы GSM.
Устройство оценки качества и выбора блоков (SU – Selector Unit)	устройство базовой станции, принимающее сигналы от мобильной станции, приходящие по различным путям. Выбирает один сигнал, обладающий лучшим качеством.
Ф
Фазовая манипуляция (PSK – Phase Sift Keying)	метод манипуляции, при котором входная кодовая комбинация из битов приводит к изменению фазы на величину равную , где .
Физический канал случайного доступа (PRACH – Physical Random Access Channel)	односторонний канал связи универсальной мобильной телекоммуникационной системы (UMTS) от оборудования пользователя UE к станции. Этот канал дает возможность UE передать сообщения произвольного доступа при попытке обращения к сети.
Физический совместно используемый канал (PDSCH – Physical Downlink Shared Channel)	однонаправленный канал универсальной мобильной телекоммуникационной системы (UMTS) от станции к оборудованию пользователя UE. Этот канал совместно используется для пересылки управляющей информации к UE в пределах области охвата узла B.
Фиксированный доступ (fixed access)	один из видов организации радиосвязи, при котором пользователь может устанавливать беспроводную связь только из одной зоны с одной базовой станцией.
Фонемы (phonemes)	отдельные пики энергии, возникающие в одном частотном диапазоне.
Функция Уолша (Walsh functions)	набор из ортогональных последовательностей ( – целое число), в которых используются только 0 и 1. Являются дискретными аналогами синусоид (косинусоид).
Х
“Хвостовые биты” (заключительные биты) (tail bits)	биты, располагающиеся по краям одного блока и указывающие его границы. Они защищают информацию при сдвиге.
Хэндовер (handover) или хэндофф (handoff)	переключение мобильной станции с одной базовой станции на другую. Возможны жесткий хэндовер – с ухудшением связи во время такого перехода и мягкий хэндовер – без потери качества.
Хэндовер, управляемый базовой станцией (MAHO – Mobile Assisted Handover)	хэндовер, при котором мобильная станция выполняет измерение интенсивности сигнала и передает эти данные на базовую станцию.
Хэндовер, управляемый мобильной станцией (MCHO – Mobile Controlled Handover)	хэндовер при котором уровень принимаемых сигналов от разных базовых станций принимается мобильной станцией. Она же принимает решение, где и какой хэндовер ей необходим.
Ц
Центр аутентификации (AuC – Authentication Center)	совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих формирование ключей и протоколов аутентификации.
Центр коммутации мобильный связи (MSC – Mobile Switching Center)	центр коммутации, который связан с несколькими базовыми станциями и через них обеспечивает наземное обслуживание мобильных станций.
Центр управления сетью (NMC – Network Management Center)	позволяет обеспечивать рациональное иерархическое управление сетью GSM. Он обеспечивает эксплуатацию и техническое обслуживание на уровне всей сети, поддерживаемой центрами эксплуатации и технического обслуживания ОМС.
Центр эксплуатации и технического обслуживания (ОМС – Operations and Maintenance Center)	центр, который обеспечивает контроль и управление компонентами сети и контроль качества ее работы.
Цифровая сеть интегрального обслуживания (ЦСИО) (ISDN – Integrated Services Digital Network)	сеть, предназначенная для предоставления различных видов услуг на базе единого цифрового канала со скоростью 64 кбит/с.
Ч
Чип (chip)	элемент сигнала, расширяющего спектр.
Чиповая скорость (chip rate)	скорость передачи элементов расширяющей последовательности.
Ш
Широковещательная передача (вещание) (broadcast)	передача одной и той же информации всем подключенным к данному передатчику станциям.
Широковещательные каналы (BCH – Broadcast Channel)	группа каналов, которые доставляют информацию от станции к абоненту (downstream), и предназначены, главным образом, для коррекции частоты и синхронизации.
Широковещательный канал управления (BCCH – Broadcast Control Channel)	канал, который передает общую информацию, касающуюся сот; например, код зоны местоположения, идентификатор сетевого оператора, тип доступа, параметры, список соседних ячеек, и т.д.
Широковещательный управляющий канал оповещения (PCCH – Paging Control Channel)	канал сигнализации, направленный от станции к абоненту. Этот канал связан с PICH (Paging Indication Channel) используется для уведомления и широковещательных передач вызова.
Широкополосный CDMA (WCDMA – Wideband CDMA)	технология многостанционного доступа, основанная на использовании сигналов с расширенным спектром и применяемая для высокоскоростной передачи данных и видео.
Шифрование с помощью общедоступного ключа (public key encryption)	метод шифрования, основанный на однонаправленном алгоритме. Метод использует два типа ключей: общедоступный, выбираемый из общедоступного множества, и частный, известный только приемнику.
Шлюз MSC (gateway MSC)	аппаратно-программный комплекс, обеспечивающий межсетевое взаимодействие MSC с другими сетями.

1Xtrem		Высокоскоростная технология, развивающая IMT 2000
3XMS	CDMA 3X Multi Carrier	Гибридная технология, сочетающая многочастотное разделение с кодовым разделением каналов
AAA	Authentication, Authorization and Accounting	Система опознавания, установления подлинности, и введения учета
AAL2	ATM Adaptation Layer 2	Уровень адаптации ATM
AAS	Adaptive Antenna System	Адаптивная антенная система
AB	Access Burst	Слот доступа
ABS	Anchor Base Station	Базовая станция привязки
ACM	Address Complete	Сообщение о принятии полного адреса
ADC	Administration Center	Административный центр
AES	Advanced Encryption Standard	Усовершенствованный стандарт шифрования
AGCH	Access Grant Channel	Канал предоставления доступа
AICH	Acquisition Indicator Channel	Канал индикатора вхождения в синхронизм
ALCAP	Access LinkControl Application	Протокол управления звеном доступа
ALT	ATM Link Termination	Оконечный комплект ATM подключения
AMC	Adoption Modulation and Coding	Адаптивная модуляция и кодирование
AMD	Acknowledged Mode Data	Режим передачи без подтверждения правильного приема данных
AMPS	Advances Mobile Phone System	Усовершенствованная система мобильной связи
AMRS	Adaptive Multi Rate System	Адаптивная многоскоростная система
AMSC	Anchor MSC	Центр привязки
ANM	Answer Message	Ответное сообщение
ASN	Access Service Network Abstract Syntax Notation	Сеть доступа к услуге Нотации абстрактного синтаксиса
ATM	Asynchronous Transfer Mode	Асинхронный режим передачи
AuC	Authentication Center	Центр аутентификации
BCCH	Broadcast Control Channel	Широковещательный канал управления
BCH	Broadcast Channel	Широковещательный канал
BER	Bit Error Ratio	Коэффициент битовых ошибок
BPSK	Binary Phase Shift Keying	Двоичная фазовая манипуляция
BRI	Basic Rate Interface	Интерфейс (доступа) на основной скорости
BSC	Base Station Controller	Контроллер базовой станции
BSSAP	Base Station System Part	Прикладная часть системы базовой станции
BSSMAP	BSSManagement Application Part	Прикладная часть (подсистема) административного управления базовой станцией
BTC	Block Turbo Code	Блочное турбо-кодирование
BTS	Base Transceiver Station	Базовая приемопередающая станция
CA	Certification Authority.	Проверка (сертификационных) полномочий
CASM	Channel Assignment Message	Сообщение “назначения канала”
CAVE	Cellular Authentication Voice Encryption	Алгоритм аутентификации и шифрования речи в сотовой связи
CC	Convolution Cod Call Connected	Сверточное кодирование Сообщение “соединение установлено”
CCCH	Common Control Channel	Общий канал управления
CCS №7	Common Channel Signaling № 7	Общеканальная сигнализация № 7
CD/CA	Collision Detection/Channel Assignment	Обнаружение конфликтов / Назначения канала
CDMA	Code Division Multiple Access	Многостанционный доступ с кодовым разделением
CELP	Code Excited Linear Prediction	Линейное предсказание c кодовым возбуждением
CEPT	Conference of European Post and Telecommunication	Конференция европейских почт и телекоммуникаций
CID	Communication ID	Идентификатор соединения
CM	Connection Management	Управление соединением
CMEA	Cellular Message Encryption Algorithm	Алгоритма шифрования сообщения в сотовой системе
CN	Core Network	Основная сеть
CPCH	Common Packet Channel	Общий канал передачи пакетов
CPICH	Common Pilot Channel	Общий пилот-канал
CQI	Channel Quality Indicator	Индикатор качества канала
CR	Call Request	Запрос на соединение
CS	Channel Switching	Сеть c коммутацией каналов
CSICH	CPCH Status Indication Channel	Канал индикации состояния СРСН
CSMA/CD	Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection	Многостанционный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликта
CSN	Connectivity Service Network	Сеть взаимодействия с услугой
CTC	Convolution Turbo Code	Сверточное турбо-кодирование
CTCH	Common Traffic Channel	Общий канал трафика
D-AMPS	Digital AMPS	Цифровая усовершенствованная служба мобильной связи
DB	DummyBurst	Пустой слот
DBR	Data Burst Randomizer	Генератор случайных чисел
DCCH	Dedicated Control Channel	Выделенный (специализированный) канал управления
DCH	Dedicated transport Channel,	Специализированный транспортный канал
DES	Data Encryption Standard	Стандарт шифрования данных
DK	Data Key	Ключ данных
DMS	Diversity-Map Scan	Сканирование массива разнесения
DOCSIS	Data Over Cable Service Interface	Спецификация интерфейса передачи данных по (ТВ) кабелю
DPCCH	Dedicated Physical Control Channel	Специализированный физический канал управления
DPDCH	Dedicated Physical Data Channel	Специализированный физический канал данных
DSCH	Downlink Shared Channel	Канал совместного использования “вниз”
DSM	Direct Signaling Method Метод	прямой сигнализации
DSP	Digital Signal Processor	Последовательный сигнальный процессор
DT	Data Transfer	Передача данных
DTAP	Direct Transfer Application Part	Прикладная часть для прямой передачи
DTCH	Dedicated Traffic Channel	Специализированный канал трафика
DTE	Data Terminating Equipment	Оконечное оборудование данных
DTX	Discontinuous Transmission Mode	Метод прерывистой передачи
EAP	Extensible Authentication Protocol	Расширяемый протокол аутентификации
Eb/N0	Energy to Spectral Ratio	Отношение энергии сигнала, приходящейся на один бит, – Eb (Дж/бит) к спектральной плотности шума N0 (Вт/Гц)
EC	Echo Canceller	Эхокомпенсатор
ECMEA	Enhanced CMEA	Усовершенствованный алгоритм CMEA
EDGE	Enhanced Data rate for GSM Evolution	Технология увеличения скорости передачи данных в сетях GSM
EFR	Enhanced Full Rate	Усовершенствованная полная скорость
EGPRS	Enhanced GPRS	Усовершенствованная служба пакетной передачи
EIR	Equipment Identification Register	Регистр идентификации оборудования
ESN	Electronic Serial Number	Электронный серийный номер оборудования
ET	Exchange Terminal	Оконечный терминал
ETSI	European Telecommunication Standards Institute	Европейский институт телекоммуникационных стандартов
FACCH	Fast Associated Control Channel	Быстродействующий объединенный канал управления
FACH	Forward Access Channel	Прямой канал доступа
FB	Frequency correction Burst	Слот подстройки частоты
FBSS	Fast Base Station Switching	Быстрое переключение базовой станции
FCCH	Frequency Correction Channel	Канал подстройки частоты
FCH	Frame Control Header	Заголовок управления кадром
FDMA	Frequency Division Multiple Access.	Многостанционный доступ с частотным разделением каналов
FER	Frame Error Rate	Коэффициент появления ошибок в кадре
FFT	Fast Fourier Transform	Быстрое преобразование Фурье (БПФ)
FHDC	Frequency Hopping Diversity Code	Код со скачкообразной перестройкой частоты
FLI	Forward Link Initiation	Инициирование прямого соединения
FLPC	Forward Link Power Control	Управление мощностью прямой линии связи
FLT	Forward Link Training	Тренировка (проверка) прямого соединения
FPLMTS	Future Public Land Mobile Telephone System	Перспективная система наземной мобильной телефонной связи
FTCH	Forward Traffic Channel	Прямой канал трафика
FUSC	Fully Used Sub canalization	Каналообразование с полным использованием поднесущих частот
GGSN	Gateway GPRS Support Mode	Шлюз с поддержкой GPRS
GMPCS	Global Mobile Personal Communication by Satellite	Мобильная глобальная персональная спутниковая связь
GMSC	Gateway MSC	Межсетевой коммутационный центр мобильной связи
GMSK	Gaussian filtered Minimum Shift Keying	Гауссовская манипуляция с минимальным частотным сдвигом
GPRS	General Packet Radio Service	Общая служба пакетной радиопередачи
GPS	Global Positioning System	Глобальная спутниковая система определения местоположения
GSM	Global System for Mobile System	Глобальная система мобильной связи
GTP U	Group Termination PointUser Data Tunneling	Протокол туннельной проводки GPRS
HARQ	Hybrid Automatic Repeat reQuest	Гибридный автоматический повторный запрос
HCM	Handover Completion Message	Сообщение о завершении хэндовера
HDFDD	HalfDuplex Frequency Division Duplex	Полудуплекс с частотным разделением
HDM	Handover Direction Message	Сообщение запроса хэндовера
HDR	High Data Rate	Система CDMA с высокой скоростью передачи данных
HHO	Hard Handover	Жесткий хэндовер
HLR	Home Location Register	Домашний регистр местоположения
HMAC	Hash based Message Authentication Code	Код аутентификации сообщений на основе хэширования
HSCSD	High Speed Circuit Switched Data	Высокоскоростная передача данных в сетях с коммутацией каналов
IAM	Initial Address Message	Начальное адресное сообщение
ICH	Indication Channel	Канал индикации
IMEI	International Mobile Equipment Identity	Международный идентификационный номер мобильного оборудования
IMSI	International Mobile Subscriber Identity	Международный идентификационный номер мобильного абонента
IMT-2000	International Mobile Telecommunication – 2000	Международная мобильная связь – 2000
ISDN	Integrated Service Digital Network	Цифровая сеть с интеграцией служб
ITU	International Telecommunication Unit	Международный союз электросвязи
LAC	Location Area Code	Код зоны местоположения
LAPD	Link Access Procedure for the D-channel	Процедура доступа к звену передачи данных для канала D
LDPC	Low DensityParity Check Code	Код низкой плотности с проверкой на четность
LPC	Linear Predictive Coding	Кодирование с линейным предсказанием
LTP	Long Time Predicting	Долговременное предсказание
MAC	Media Access Control	Управление доступом к среде
MAP	Mobile Application Part	Прикладная подсистема системы мобильной связи
MBS	Multicast and Broadcast Service	Групповая рассылка и широковещательное обслуживание
MCDMA	Multi-Carrier CDMA	Многочастотный CDMA
MD	Message Digest	Сообщение дайджеста
MDHO	Macro Diversity Handover	Макроразнесенный хэндовер
MIMO	Multi Input Multi Output	Система со многими входами и многими выходами
MIN	Mobile Identification Number	Мобильный идентификационный номер
MM	Mobility Management	Управление мобильностью
MPLPC	Multi Pulse Linear Prediction Coding	Многоимпульсное кодирование с линейным предсказанием
MPLS	Multiprotocol Label Switching	Многопротокольная коммутация с использованием меток
MS	Mobile Station	Мобильная станция
MSC	Mobile Switching Center	Центр мобильной связи
MSRN	Mobile Station Roaming Number	Номер для услуг роуминга мобильной станции
MSS	Mobile Satellite Service	Мобильная спутниковая служба
MUA	Mail User Agent	Агент пользователя почты
NBAP	Network Base stationApplication Protocol	Прикладной протокол взаимодействия базовых станций
NLUM	Neighbor List Update Message	Сообщение о модернизации списка соседних пилот-сигналов
NMC	Network Management Center	Центр управления сетью
NRM	Network Reference Model	Эталонная модель сети WiMAX
NWG	Network Working Group	Рабочая группа по изучению сетей
OFDMA	Orthogonal Frequency Division Multiple Access	Ортогональный многостанционный доступ с частотным разделением каналов
OMC	Operation and Maintenance Center	Центр эксплуатации и технического обслуживания
OTASP	Over The Air Service Reprogramming	Перепрограммирование по эфиру
OVSF	Orthogonal Variable Spreading Factor code	Ортогональное кодирование с переменным коэффициентом расширения
PCCH	Paging Control Channel	Широковещательный управляющий канал оповещения
PCCPCH	Primary Common Control Physical Channel	Первичный общий физический канал управления
PCH	Paging Channel	Широковещательный канал коротких сообщений (канал вызова)
PLCM	Private Long Code Mask	Маска частного длинного кода
PDC	Personal Digital Cellular	Персональная цифровая сотовая связь
PDN	Packet Data Network	Сеть пакетной коммутации
PDSCH	Physical Downlink Shared Channel	Физический совместно используемый канал
PICH	Paging Indication Channel	Канал индикации вызова
PKMv2	Privacy and Key Management Protocol Version 2	Протокол конфиденциальности и управления ключами версии 2
PLMN	Public Land Mobile Network	Наземная мобильная сеть общего пользования
PN	Pseudocode Number	Номер псевдокода
PRACH	Physical Random Access Channel	Физический каналслучайного доступа
PRI	Primary Rate Interface	Интерфейс доступа на первичной скорости
PS	Packet Switching	Сеть с коммутацией пакетов
PSK	Phase-Shift Keying	Фазовая манипуляция
PSMM	PilotStrength Measurement Message	Сообщение об измерении напряженности пилот-сигнала
PSPDN	Packet Switched Public Data Network	Сеть передачи данных общего пользования с коммутацией каналов
PSTN	Public Switched Telephone Network	Телефонная сеть общего пользования
PUSC	Partly Used Sub canalization	Каналообразование с частичным использованием поднесущих частот
PWC	Power Connection	Подключение электропитания
QAM	Quadrature Amplitude Modulation	Квадратурно-амплитудная модуляция
QoS	Quality of Service	Качество обслуживания
QPSK	Quadrature Phase Shift Keying	Квадратурно-фазовая манипуляция
RACH	Random Control Channel	Канал случайного доступа
RAN	Radio Access Network	Сеть радиодоступа
RANAP	RAN Application Protocol	Прикладной протокол сети радиодоступа
RELP	Residual pulse Excitation Linear Prediction	Линейное предсказание с возбуждением по остаточному (усеченному) сигналу
RLA	Reverse Link Access	Доступ в обратном соединении
RLSD	Released	Разъединено (разъединить)
RLT	Reverse Link Training	Проверка (тренировка) обратного соединения
RNC	Radio Network Controller	Контроллер радиосети
RNSAP	Radio Network SystemApplication Protocol	Прикладной протокол системы радиосети
ROLPC	Reverse Outer LoopPower Control	Обратное управление мощностью по внешнему циклу
RPE	Regular Pulse Excitation	Возбуждение регулярной импульсной последовательностью
RRC	Radio Resources Control	Контроль радиоресурсов
RRM	Radio Resources Management	Управление радиоресурсом
RSA	Rivest, Shamir, Adelman	Метод шифрования с помощью общедоступного ключа
RSU	Reference Clock Unit	Блок опорного синхронизирующего сигнала
RTCH	Reverse Traffic Channel	Канал обратного трафика
RTG	Receive/TransmitGuard period	Промежуток прием/передача
RUIM	Removable User Identity Module	Сменный модуль идентификации пользователя
SAAL NNI	Signaling AALNNI	Уровень адаптации сигнализации “сеть – сеть”
SAAL UNI	Signaling AALUNI	Уровень адаптации сигнализации “пользователь — сеть”
SABM	Set Asynchronous Balanced Mode	Установить сбалансированный асинхронный режим
SACCH	Slow Associated Control Channel	Низкоскоростной выделенный канал управления
SB	Synchronization Burst	Слот синхронизации
SCCP	Signaling Connection Control Part	Подсистема управления соединением канала сигнализации
SCCPCH	Secondary Common Control Physical Channel	Вторичный общий физический канал управления
SCH	Synchronizing Channel	Канал синхронизации
SCTP	Stream Control Transmission Protocol	Транспортный протокол управления потоком
SDCCH	Stand-alone Dedicated Control Channel	Автономный выделенный канал управления
SGSM	Serving GRPS Support Mode	Узел обслуживания с поддержкой GPRS
SHA	Secure Hash Algorithm	Безопасный алгоритм хеширования
SHCCH	Shared Channel Control Channel	Общедоступный канал управления каналом
SIM	Subscriber Identity Module	Модуль идентификации абонента
SIMO	Single Input-Multi Output	Система с одним входом и многими выходами
SLA	Service Level Agreement	Соглашение по гарантированному обслуживанию
SM	Spatial Multiplexing	Пространственное мультиплексирование
SMS	Short Message Service	Служба передачи коротких сообщений
SOFDMA	Scalable OFDMA	Наращиваемый OFDMA
SRCH_WIN	Search Windows	Окно поиска
SRES	Signed Response	Зашифрованный отклик
SS	SpreadingSpectrum	Расширение спектра
SS № 7	Signaling System	Система сигнализации
SSD	Shared Secret Date	Общие секретные данные
STC	Space-Time Coding	Пространственно-временное кодирование
SU	Selector Units	Устройство выбора блоков
TACS	Total Access Communications System	Система с полным доступом
TB	Tail Bit	Концевые биты
TCAP	Transaction Capabilities Application Part	Подсистема управления возможностью транзакций прикладного уровня
TCE	Transcoder Equipment	Преобразователь-транскодер
TCH/F	Traffic Channel/Full	Канал трафика, работающий на полной скорости
TCH/H	Traffic Channel/Half	Канал трафика, работающий на половинной скорости
TCP/IP	Transmission Control Protocol / Internet Protocol	Протокол управления передачей данных / интернет-протокол управления
TDD	Time Division Duplex	Дуплексная передача с временным разделением
TDMA	Time Division Multiple Access	Многостанционный доступ с временным разделением
THCDMA	Time Hopping CDMA	CDMA с псевдослучайной перестройкой во времени
TMSI	Temporary Mobile ISubscriberdentity	Временный идентификационный номер подвижной станции
TRG	Transmit/Receive Guard period	Промежуток передача/прием
Tr D	Transparent Mode Data	Режим “прозрачного” обслуживания при передаче информации
UA	Unnumbered Acknowledge	Ненумерованное подтверждение
UDI	Unrestricted Digital Information	Неструктурированные цифровые данные
UE	User Equipment	Пользовательское оборудование
UMD	Unacknowledged Mode Data	Режим передачи без подтверждения правильного приема данных
UMTS	Universal Mobile Telecommunications System	Универсальная мобильная телекоммуникационная система
UTRAN	UMTS Terrestrial Radio Access Network	Сеть наземного радиодоступа UMTS
UWC-136	Universal Wireless Communication IS-136	Проект стандарта систем 3-го поколения на основе проекта EDGE
VAD	Voice Activity Detection	Обнаружение голосовой активности
VLR	Visit Location Register	Визитный регистр местоположения
WAL	Walsh	Функция Уолша
WCDMA	Wideband CDMA	Широкополосный CDMA
WiMAX	Worldwide Interoperability for Microwave Access	Глобальное взаимодействие для доступа к микроволновым сетям