GSM tinklai

Įvadas

GSM (Global System for Mobile Communications) tai pats populiariausias standartas mobiliesiems telefonams pasaulyje. Šiandien GSM telefonai naudojami daugiaiu kaip milijardo žmonių daugiau kaip 200 šalų. GSM tinklų buvimas visur, leidžia naudotis telefono operatoriais ne tik savoje bet ir kitose šalyse, su sutartimis tarp operatorių. GSM pagrindinis skirtumas nuo jo primtakų tas kad visi jo kanalai, tame tarpe ir kalbos, yra skaitmeniniai, o tai reiškia kad GSM yra antros kartos mobilųjų telefonų sistema. Šis faktas taip pat reiškia tai jog duomenų komunikacijos siistemos pradėjo plėtotis jau senai.
Paplitus pirmos kartos sistemoms, tapo aišku, kad mobiliojo ryšio paslaugos vartotojams yra patrauklios, jų apimtis ir vartotojų skaičius greitai auga.
GSM paslaugos tapo pačios populiariausios Europoje ir vienos iš populiariausių pasaulyje, o GSM telefonas perėjo iš prabangos reikmenų kategorijos į vartojamųjų reikmenų kategoriją. Jau dabar mobiliųjų telefonų Lietuvoje yra daugiau negu fiksuoto ryšio telefonų.
Toks GSM pasisekimas, be akivaizdžių pranašumų, yra ir didelis iššūkis standartų kūrėjams, įrangos gamintojams ir tinklų operatoriams. Bevieliai tinklai turi perduoti didelius informacijos kiekius, beet tam reikia įvairiais būdais padidinti GSM tinklo talpą.

1 GSM ISTORIJA

1980 metais analoginės korinės telefono sistemos pradėjo stipriai plėtotis Europoje, daugiausia skandinavijos šalyse ir Didžiojoje Britaniojoje, taip pat Prancūzijoje ir Vokietijoje. Kiekviena šalis išvystė savo sistemą, kurios buvo nesuderinamos su kitų šalių įr

ranga ir operacijomis. Tai buvo nepageidaujama situacija, ne vien dėlto kad mobilioji įrangos galimybės buvo apribotos valstybės sienomis, kas suvienytoje Europoje darosi vis svarbiau, bet ir dėl to kad kiekvienam įrangos tipui buvo maža rinka, o tai buvo ekomiškai nenaudinga.
Taigi 1982 metais posėdyje CEPT (Conference of European Post and Telecommunications) buvo suformuota mokslinė grupė pavadinimu Groupe Spécial Mobile (GSM) kad išstudijuotu ir išvystytu Europiečių mobiląją sistemą. Pateikta sistema turėjo atitikti tokius reikalavimus:
Gera balso perdavimo kokybė
Maža terminalo ir paslaugų kaina
Palaikytų tarptautinius pokalbius
Galimybė palaikyti rankinius terminalus
Galimybė plėtoti paslaugas ir įranga
Suderinamas su ISDN

1989 m. Atsakomybė už GSM tinklus buvo perleista Europos Telekomunikacijų Standartų Institutui (ETSI), kuris apibrėžė GSM, kaip visuotinai priimtiną skaitmeninį korinį ryšio standartą. GSM tapo ETSI techniniu komitetu. 1990 Patvirtintos pirmos fazės GSM 900 specifikacijos. Koomercinės paslaugos pradėtos teikti 1991, ir 1993 buvo 36 tinklai 22 skirtingose šalyse, bei 25 šalys buvo pasirinkusios ar apsvarsčiusios GSM plėtojimo galimybę. Tai ne tik Europiečių standartas – Pietų Afrika, Australia, taip pat dauguma vidurio ir Tolimųjų Rytų šalys pasirinko GSM. 1994 pradžioje buvo 1,3 mln abonentų visame pasaulyje. Dabar GSM šifruojasi kaip Global System for Mobile telecommunications.
GSM vystytojai pasirinko neaprūpinta (tuo metu) skaitmeninę sistemą, o ne tų laikų standartą analoginę korinę sistemą kaip AMPS Jungtinėse Valstijose ar TACS Didžiojoje britanijoje. Jie tikėjo kad pažanga algoritmų suspaudime ir

r skaitmeninių signalų procesorių srityse leis daug pasiekti, siekiant patenkinti keliamus reikalavimus ir nuolat tobulinti sistemą kainų ir kokybės srityje. 8000 puslapių GSM rekomendacijose bandoma sudaryti sąlygas tinklo lankstumui ir konkurencijai tarp daugelio tiekėjų, tai pat nustatyti pakankamai nurodymų kad garantuoti sklandų bendradarbiavimą tarp tinklo komponentų. Iš dalies tai buvo įgivendinta parengiant sąsajų ir funkcijų aprašymus kiekvienos funkcinės dalies esančios sistemoje.

2. GSM TIEKIAMOS PASLAUGOS

Nuo pat pradžių, GSM projektuotojai norėjo siūlomų paslaugų suderinamumo su ISDN. Radio ryšys sudarė šiokius tokius apribojimus, vis dėlto standartinis ISDN greitis 64 kbps praktiškai negalėjo būti pasiektas.
Naudojant ITUT apibrėžimus, telekomunikacinės paslaugos galėjo būti suskirstytos į ryšio paslaugas, telepaslaugas, ir papildomas paslaugas. Skaitmeninė GSM prigimtis leidžia sinchroniniams, ir asinchroniniams duomenims būti perduotiems kaip ryšio paslauga į ar iš ISDN terminalo. Duomenims perduoti gali būti naudojamas transparent service, kuris turi fiksuota vėlinimą bet nėra užtikrintas duomenų vientisumas, arba nontransparent service, kuris užtikrina duomenų vientisumą per automatinį užklausų kartojimo (Automatic Repeat Request) mechanizmą, bet su kintamu vėlinimu. GSM palaikomas duomenų perdavimo greitis yra 300 bps, 600 bps, 1200 bps, 2400 bps, ir 9600 bps.
Pati pagrindinė GSM palaikoma paslauga yra telefonija. Yra pagalbos paslauga, kur susisiekiama su artimiausu paslaugų tiekėju surenkant 3 skaitmenis. Grupė 3 fax, analogiškas metodas aprašytas ITUT rekomendacijose, jis taip pat palaikomas naudojant atitinkamą fakso adapterį. Unikali GSM savybė, pa

alyginti su sena analoginė sistema, tai trumpųjų žinučių paslauga (SMS). SMS yra dvikryptė paslauga siūsti trumpas raidines-skaitmenines (iki 160 ženklų) žinutes. Dėl abipusio ryšio SMS gali būti nusiūsta kitam tinklo abonentui ir gali būti atsūstas patvirtinimas siuntėjui. SMS gali būti naudojamas teleteksto rėžimu, kad siūsti žinutes kaip naujienų pranešimus. Žinutės gali būti saugomos SIM kortelėje ar telefone, vėlesniam naudojimui.
Papildomos paslauaugos yra numatytos virš telepaslaugų ar ryšio paslaugų, ir susideda iš tokių savybių kaip skambinančio identifikavimas, skambučio peradresavimas, skambučio laukimas, grupiniai pokalbiai, tarptautiniai pokalbiai tarp kitų.

3. GSM ARCHITEKTŪRA

GSM tinklas susideda iš keleto funkcinių vienetų, kurių funkcijos ir sąsajos yra apibrėžtos. Paveiksliukas rodo bendrą GSM shemą. GSM tinklas gali būti skirstomas į 3 pagrindines dalis. 1. Mobilioji stotis MS (telefonas) yra pas tinklo abonentą. 2. bazinė stotis (BTS) kontroliuoja radio ryšį su mobiląją stotim, ji per bazinės stoties valdiklį (BSC) jungisi su MSC. 3 Tinklo posistemė yra pagrindinė dalis su kuria mobilųjų paslaugų komutacijos centras (MSC) atlieka skambučių sujungimą tarp fiksuoto arba mobilaus tinklo abonento, taip pat kontroliuoja mobiląsiąs paslaugas, tokias kaip autentiškumą. Neparodytas yra operacijų ir valdymo centras, kuris prižiūri tinklo veiklą ir kad operacijos būtų vykdomos tinkamai. Mobiliosios stoties ir pagrindinės stoties posistemės bendrauja per Um sąsają, taip pat žinomą kaip oro sąsają ar radio ryšį. Pagrindinės st

toties posistemė bendrauja su mobiliųjų paslaugų sujungimo centru per A sąsają.

3.1 Mobilioji stotelė

Mobilioji stotelė (MS) susideda iš fizinės įrangos, tokios kaip radio siūstuvas ir imtuvas, displėjaus ir skaitmeninio signalų procesoriaus, be to kortelės kuri vadinama abonento identifikavimo modulis (Subscriber Identity Module – SIM). SIM kortelė suteikia asmeninį mobilumą, taigi vartotojas turi galimybę naudotis visomis užsisakytomis paslaugomis, nepriklausomai nuo telefono esamos vietos ir konkretaus telefono. Idėjęs SIM kortelę į kita GSM telefoną vartotojas gali naudotis visomis tinklo tiekiamomis paslaugomis.
Mobilioji įranga yra atpažystama pagal unikalų tarptautinį mobilios įrangos kodą (IMEI). SIM kortelė turi tarptautinį mobilaus tinklo abonento kodą (IMSI), kuris identifikuoja abonentą per slaptą raktą autentifikavimui ir kitą vartotojo informaciją. IMEI ir IMSI yra nepriklausomi, taigi suteikia asmeninį mobilumą. SIM kortelė gali būti apsaugota slaptažodžiu kad ja nepasinaudotu pašaliniai asmenys.

3.2 Bazinė stotis

Bazinė stotis yra sudaryta iš dviejų dalių tai: pagrindinio siūstuvo-imtuvo (BTS) ir pagrindinės stoties kontrolerio (BSC). Jie abu dirba per specialią Abis sąsają, leidžiančią (kaip ir likusiai sistemos daliai) vykdyti operacijas tarp komponentų pagamintų skirtingų tiekėjų.
Pagrindinė siūstuvo-imtuvo stotis susideda iš radio siūstuvų ir imtuvų kurie nustato telefono lastelę ir valdo radioryšio protokolus su mobiliuoju telefonu. Didelėje miesto teritorijoje yra didelis BTS skaičius. BTS reikalavimai yra: patikimumas, portatyvumas, ir minimalios išlaidos.
Bazinės stoties kontroleris (valdiklis) valdo radio resursus vienos ar daugiau BTS stočių. Ji valdo radio kanalo sudėti, dažnio keitimą, ir perdavimus, kas aprašyta žemiau. BSC yra ryšys tarp mobilaus ir mobilaus paslaugų sujungimo centro (MSC).

3.2 Tinklo posistemė.

Pagrindinis komponentas tinklo posistemėje yra mobilųjų paslaugų sujungimo centras (MSC). Jis dirba kaip paprastas PSTN arba ISDN perjungimo mazgas, ir tuo pačiu metu rūpinasi visomis funkcijomis reikalingomis aptarnauti mobilųjį abonentą, pvz: registracija, autentifikaciją, vietos atnaujinimas, persiuntimai, bei skambučio adresavimas kitam abonentui. Šios paslaugos yra tiekiamos kartu su keletu funkcinių visumų, kurios kartu sudaro tinklo posistemę. MSC rūpinasi ryšiu su atviru fiksuotu tinklu (PSTN arba ISDN), ir signalizuoja tarp funkcinių visumų naudodamas ITUT signalinimo sistemą numeriu 7 (SS7), naudojamą ISDN ir plačiai naudojamą dabartiniuose atviruose tinkluose.
Namų vietos registras (HLR) ir lankytojo vietos registras (VLR), kartu su MSC, rūpinasi skambučio adresavimu ir suteikia judėjimo galimybę GSM tinkle. HLR turi visą valdymo informaciją, kiekvieno abonento regisruoto prie atitinkamo GSM tinklo, kartu su informacija apie dabartinę vietą mobilaus telefono. Dabartinė mobilaus telefono vieta yra mobilios stoties roaming numeryje (MSRN) kuris yra reguliarus ISDN numeris naudojamas nukreipti skambutį į MSC kur mobilus telefonas yra šiuo metu nustatytas. Logiškiausia naudoti vieną HLR per visą GSM tinklą, nors ir gali būti išskaidytą į kelias sudedamasias dalis.
Lankytojo vietos registras (VLR) turi atrinkta valdymo informaciją iš HLR, reikalingą skambučio kontroliavimui ir aprūpinimui užsisakytų paslaugų, kiekvienam mobiliam telefonui dabar esančiam kokioje nors geografinėje vietoje, konroliojamoje VLR. Nors kiekviena funkcinė visuma naudojama kaip nepriklausomas vienetas, dauguma sujungimo įrangos gamintojų komplektuoja vieną VLR kartu su MSC, todėl kad geografinė vieta kontroliuojama MSC atitiktų vietą kontroliuojamą VLR, supaprastinant reikiamus signalus. Reikia paminėti kad MSC turi informaciją apie mobiliuosius telefonus – ši informacija saugoma vietos registruose.
Kiti du registrai yra naudojami autentiškumo nustatymui ir saugumo tikslams. Įrangos identifikavimo registras (EIR) yra duomenų bazė kuri turi visų galiojančių mobiliosios įrangos sarašą tinkle, kur kiekviena mobilioji stotis nustatoma pagal tarptautinį mobilios įrangos kodą (IMEI). Jei IMEI yra pažymėtas kaip negaliojantis reiškia buvo pranešta kad jis pavogtas arba nėra sankcijonuotas. Autentifikavimo centras yra saugoma duomenų bazė, kuri saugo kopijas slapto rakto, kuris yra kiekvienoje abonento kortelėje, ir kuris naudojamas utentifikacijai ir radio kanalo šifravimui.

4 Radio ryšis

Tarptautinė telekomunikacijų sąjunga (ITU), kuri kontroliuoja taprtautinį paskirtymą radio dažnių (tarp daugelio iš kitų funcijų) nustatė dažnius 890-915 MHz siuntimui (mobili stotis-bazinė stotis) ir 935-960 MHz parsiuntimui (bazinė stotis-mobili stotis) mobiliems tinklams Europoje. Kadangi šis bangų ruožas buvo naudojamas jau 1980-aisais tų laikų analoginių sistemų, tai CEPT numatė rezervą GSM tinklui, kuris dar tik vystėsi, 10 MHz viršaus kiekvienam ruožui. Taigi GSM dabar naudoja 2x25MHz bangų plotį.

4.1 Daugialypis priėjimas ir kanalo struktūra.

Kadangi radio spektras yra ribotas resursas kuris dalinamasis su visais gyventojais, tai reikėjo sugalvoti metodą kaip dalintisi šį bangų plotį suo kuo įmanoma daugiau vartotojų. Metodas kurį pasirinko GSM yra kombinacija laiko ir dažnio kolektyvioji atskyrimo kreiptis (Division Multiple Access TDMA/FDMA). FDMA dalis apima dalyba pagal dažnį į bangų plotį iš (daugiausia) 25 MHz į 124 nešančiuosius dažnius. Vienas ar daugiau nešančiųjų dažnių yra priskirtos kiekvienai bazinei stočiai. Kiekviena iš tų nešančiųjų dažnių yra padalintos laike, naudojant TDMA shemą. Pagrindinis laiko vienetas šioje TDMA shemoje yra vadinamas paketinio ciklo periodas (burst period) kuris trunka 0,577 ms. 8 paketinio ciklo periodai grupuojami į TDMA freima (4,615 ms), kurie formuoja pagrindiną apibrėžiant loginį kanalą. Vienas fizinis kanalas yra vienas paketinio ciklo periodas per TDMA freima.
Kanalai yra apibrėžiami pagal numerį ir vietą jų atitinkamų paketinio ciklo periodų. Visi šie apibrėžimai yra cikliniai, ir visas modelis kartojamas vidutiniškai kas tris valandas. Kanalai yra skirstomi į paskirtuosius kanalus, kurie skirti mobiliesiems telefonams, ir bendruosius kanalus, kurios naudojam telefonai idle būsenoje.

4.2 Duomenų kanalai

Duomenų kanalas (TCH) naudojamas kad persiūstų kalbą ir duomenis. Duomenų kanalai yra apibrėžiami kaip 26-freimų multifreimas, arba 26 TDMA freimų grupė. Trukmė 26-freimų multifreimo yra 120 ms. Iš 26 freimų, 24 yra naudojami duomenims, 1 naudojamas lėtai veikiančiam kontroliavimo kanalui (Slow Associated Control Channel SACCH), ir dar vienas dabar nenaudijamas. TCH duomenų siuntimui ir priėmimui yra atskirti laike per tris duomenų ciklo periodus, tad telefonas siunčia ir priima duomenis ne vienu metu, tai supaprastina elektroniką.
SACCH 12-ame bloke turi 8 kanalus, po vieną aštuoniems jungtims sudarytoms TCH. SACCH 25 bloke dažniausiai nenaudojamas, bet turi 8 papildomus TCH kanalus.

4.3 Kontrolės kanalai

Bendrieji kanalai gali būti pasiekiami ir idle būsenoje ir paskirtoje būsenoje. Bendrieji kanalai naudojami telefonų idle būsenoje, kad pasikeisti signalizavimo informacija kuri reikalinga kad perėjimui į paskirtąją būseną. Mobilieji jau paskirtojoje būsenoje tikrina aplinkui esančias bazines stotis perėmimams ir kitai informacijai. Bendrieji kanalai sudaryti iš 51-freimo multifreimo, taigi paskirtojoje būsenije mobilieji naudoja 26-freimų multifreimą. TCH struktūra gali stebėti konrolinius kanalus. Bendrieji kanalai susideda iš:

Transliavimo valdymo kanalas (BCCH) reikalingas BS identifikacijai, transliacijoms, ir dažnio pasiskirstymams, ir dažnio keitimo tvarka.
Dažnio korekcijos kanalas (FCCH) ir sinchronizacojos kanalas (SCH) naudojamas sinchronizacijai ir fizinio sluoksnio apibrėžimui (laiko intervalai, ciklo laikas .)
Atsitiktinio kreipimosi kanalas (RACH) naudojamas telefono kad paduotų užklausą prisijungti prie tinklo
Radio ieškos kanalas (PCH) naudojamas nustatyti mobiliojo vietą ir įspėti apie skambutį.
Access Grant kanalas (AGCH) naudojamas kad pasiekti paskirtąją mobiliojo būseną (atsakymas po RACH užklausos.)

4.4 Paketinio duomenų apsikeitimo ciklo struktūra

Yra keturi skirtingi paketiniai ciklai siuntimui GSM tinkle. Normalus paketinis ciklas yra skirtas duomenų pernešimui ir signalizavimui. Jis yra 156.26 bitų ilgio, ir susideda iš dviejų 57 informacinių bitų sekų, 26 bitų mokomoji seka nadojama išlyginimui, 1 steling bitas kiekvienam informaciniam blokui (naudojamas FACCH), 3 pabaigos bitai, ir 8,25 bitų apsaugos seka. Bendrai visi 156,26 bitai yra perduodami per 0,577 milisekundes, sudarydami didziuli greiti 270,833 kbps.
F paketinis ciklas, naudojamas FCCH, ir S paketinnis ciklas, naudojamas SCH, turi tą patį ilgį kaip ir normalus paketinis ciklas, bet skirtinga vidinę struktūrą, kuri juos atskiria nuo paprastų paketinių ciklų. Prisijungimo paketinis ciklas trumpesnis nei normalus, ir naudojamas tik RACH

4.4 Garsų kodavimas.

GSM yra skaitmeninė sistema o garso signalai analoginiai, taigi juos reikia pervesti į skaitmeninę formą. Metodas naudojamas ISDN ir šiuolaikinių telefono sistemų, kad perduotu garsą per didelio greičio magistrales, ir optines linijas yra impulsų kodų moduliacija (PCM). Bet išėjimo srautas iš PCM yra 64 kbps, o tai per didelis greitis kad būtų imanomas radio ryšiu. 64 kbpa signalas turi daug sumažintas. GSM grupė studijavo keletą garso kodavimo algoritmų remiantis garso kokybę ir sudėtingumą (kuris susijęs su kaina, perdavimo vėlavimu, ir energijos sunaudojimu) kol priėjo prie RPELPC (Regular Pulse Excited – Linear Predictive Coder ) su ilgos trukmės numatymo kilpa. Praktiškai informacija iš praeito pavyzdžio, kuri nesikeičia labai greitai, yra naudojama spėti esamą pavyzdį. Nuspėta ir reali informacija yra palyginama o skirtumas yra išsaugomas, jis atspindi signalą. Kalba yra suskirstoma į 20 ms , kurių kikvienam užkoduoti naudojama 260 bit, taip gaunamas 13 kbps greitis.
4.3 Kanalo kodavimas ir moduliavimas.

Dėl naturalaus ar žmogaus sukelto elektromagnetinio įsikišimo, užkoduota kalba ar duomenys perduodami radio ryšiu turi būti apsaugoti tiek, kiek tai praktiška. GSM sistema naudoja sąsukinį (convolutional) kodavimą ir blokų iterpinėjimą kad gautu apsaugą. Tiksliau algoritmai naudojami skirtingi: kalbai ir skirtingiems duomenų greičiams. Metodas naudojamas kalbai koduoti aprašytas žemiau.
Recall that kalbos koderis gamina 260 bitų bloką kiekvienai 20ms kalbos daliai. Atlikus testus buvo atrasta, kad kai kurie šio bloko bitai yra labiai svarbesni garso kokybei nei kiti. Taigi bitai tuo būdu skirstomi į tris klases.
Klasė Ia 50 bitu – labiausiai jautrūs bitų klaidoms.
Klasė Ib 132 bitai – vidutiniškai jautrūs bitų klaidoms.
Klasė II 78 bitai – mažiausiai jautūs bitų klaidoms.

Klasės Ia bitai turi 3 bitų ciklinį pertekliaus kodą įdėta dėl klaidų radimo. Jeigu klaida randama, nusprendžiama kad blokas per daug pažeistas kad būtų suprantamas, ir jis išmetamas. Jis įra pakeičiamas į truputį plonesne versija prieš tai tinkamai gauto bloku. Šitie 53 bitų kartu su 132 Ib klasės bitais ir 4 bitų galine seka (viso 189 bitai), yra paduodama į ½ dažnio sąsukinį encoderį kurio suspaudimo ilgis 4. Kiekvienas įėjimo bitas yra koduojamas kaip du išėjimo bitai, sudaryti ant kombinacijos iš prieš tai buvusų 4 iėjimo bitų. Sąsukinis encoderis turi 378 išėjimo bitus, prie kurių pridedami likę 78 klasės II bitai, kurie yra neapsaugoti. Taigi kiekvienas 20 ms kalbos tarpas yra koduojamas kaip 456 bitai, taigi susidaro 22,8 kbps greitis.
Tolimesnei apaugai prieš paketinio ciklo klaidas dažnai pasitaikančias radio ryšiuose, kiekvienas kalbos tarpas yra įstrižai iklotas. 456 bitai išeinanty iš sąsukinio dekoderio yra skirstomi į 8 blokus po 57 bitus, ir šitie blokai yra persiunčiami 8 iš eilės einančiais perdavimo kanalo laiko intervalais. Kadangi kiekvienas perdavimo kanalo laiko intervalas gali nešti du 57 bitų blokus, tai kiekvienas paketinio ciklo periodas neša duomenis iš dviejų skirtingų kalbos tarpų.
Recall that kiekvienas perdavimo kanalo laiko intervalas yra persiunčiamas didžiuliu 270,833 kbps greičiu. Šitas skaitmeninis signalas yra sumoduliuotas ant analoginio nešančio dažnio, kuris turi bangų plotį 200 KHz, naudojant Gaussianfiltered Minimum Shift Keying (GMSK). GMSK buvo pasirinktas virš kitos moduliacijos shemos kaip kompromisas tarp spektrinio naudingumo koefifiento, siūstuvo sudėtingumo, ir ribotų netikrų spinduliavimų. Siūstuvo sudėtingumas yra susijęs su enrgijos sunaudojimu kuris turi būtiminimalus mobilam telefonui. Netikri spinduliavimai, už išskirto bangų dažnio, turi būti griežtai kontroliuojami kad nesudarytų gretimo kanalo interferencijos, ir leistų normaliai veikti GSM ir kitoms senoms analoginėms sistemoms.

4.4 Daugiaspindulinė korekcija

900 MHz dažniu radio bangos skverbiasi pro viską – pastatus, kalnus, mašinas, lėktuvus ir t.t. Todėl atsiranda daugybę atsispindėjusių signalų, kiekvienas jų su skirtinga faze gali pasiekti anteną. Korekcija yra naudojama kad išrinkti reikalingą signalą iš nereikalingų atspindžių. Korekcija veikia išsiaiškindama kaip žinomas transliuojamas signalas yra modifikuotas daugiaspindulio bangų sklidimo, ir sukonstruodamas atvirkštinį filtrą kad išgauti likusią reikiamo signalo dalį. Žinomas signalas yra 26 bitų mokomoji seka perduodama tarp kiekvieno perdavimo kanalo laiko intervalo.
4.5 Dažnio keitimas.

Mobilios stoties dažnis turi būti judrus, t.y. jis gali kisti tarp siuntimo, priėmimo ir klausimosi perdavimo kanalo laiko intervalo metu su vienu TDMA bloku viduje, kurie gali būti ant skirtingų dažnių.GSM sistema naudoja lėtą dažnio keitimas (keitimo dažnis yra 217 šuolių per sek. Kur TDMA bloką perduoda per šuolio periodą), kur mobili stotis ir bazinė stotis perduoda po TDMA bloką per skirtingus nešančius dažnius. Dažio keitimo algoritmai yra iššifruojami iš transliacijos kontroliavimo kanalo (BCCH) kuri mobilioji stotis nepertraukiamai dekoduoja. Kadangi daugiakanalis bangų sklidimas priklauso nuo nešančiojo dažnio, lėtas dažnio keitimas padeda išspresti problemą.

4.6 Trūkusis transliavimas.

Mažinimas co-chanel interferencija tai kiekvienos korinės sitemos tikslas, kadangi tai leidžia tiekti kokybiškenes paslaugas, turimam lastelės dydžiui, arba naudoti mažesnes lasteles, taip didinant visą tinklo talpumą. Trūkusis transliavimas (DTX) yra naudojamas remiantis faktu, kad žmogus kalba mažiau kaip 40% laiko viso pokalbio metu, taigi išjungiant siųstuvą sutaupoma energijos.
Svarbiausias DTX komponentas yra kalbos aktyvumo nustatymas. Jis turi skirti balsą ir triukšmą. Jeigu garso signalas atpažystamas kaip triukšmas, tai siūstuvas išjungiamas ir labai erzinantis efektas, kuris vadinamas iškarpa, girdimas kitame ryšio gale. O jeigu triukšmas atpažystamas kaip garsas perdaug dažnai tai DTX naudingumo koeficientas labai sumažėja. Dar vienas faktas, kaip siųstuvas išjungtas tai pašnekovas girdi tylą, ir kad nepagalvotų jog pokalbis nutrūko GSM sukuria malonų triukšmą.

4.7 Trūkusis priėmimas.

Dar vienas būdas taupyti energiją, mobiliojoje stelėje, yra nutrūkstantis priėmimas. Apklausimo kanalas, naudojamas bazinės stoties duoti signalą ateinančio skambučio, yra sukurtas taip kad mobilus telefonas žino kada reikia pasitikrinti apklausimo kanalas. Kai nėra apklausimo kanalo telefonas naudoja miegojimo rėžimą, kai naudojama mažiausiai energijos.

4.8 Energijos taupymas

Kad taupyti energiją mobilioji stotis ir BTS dirba ant mažiausio energijos kiekio, tokio kuris palaiko priimtiną signalo kokybę. Mobilioji stotis nusprendžia kad signalo kokybė priimtina pagal bitų klaidų proporcijas. Mobilioji stotis matuoja signalo kokybę arba stiprumą ir siunčia informaciją į bazinę stotį, kuri nusprendžia kada energijos kiekis turėtu būti pakeistas.

5. Tinklo aspektai.

Užtikrinti reikiamos kokybės garso ir duomenų siuntimą radio ryšiu tai tik pusė porblemos korinio ryšio mobiliame tinkle. Žinome kad tinklo aprėpiamas geografinis yra dalinamas į lasteles todėl reikalingas perkėlimo (angl. Handover) mechanizmas. Taip pat žinome kad mobilus telefonas gali keliauti šalyje ar tarptautiniu mastu, todėl GSM reikia kad egzistuotu registracijos, identifikacijos, skambučio kelio nustatymo, ir vietos atnaujinimo funkcijos, kurios būtų standartizuotos visose tinkluose. Šias funkcijas užtikrina tinklo sistema, daugiausia naudojant Mobile Application Part (MAP), pagaminta užklausos sistemos numeriu 7 pagrindu.

Signalizacijos protokolas sudarytas iš trijų sluoksnių kurios matome pav. 1 sluoksnis yra fizinis sluoksnis, kuris naudoja struktūra aptarta 4.1 skyriuje. 2 sluoksnis tai duomenų ryšio (angl. Data Link) sluoksnis. Per Um ryšį GSM naudoja lengvai pakeista LAPD rotokolą naudotą ISDN, pavadinimu LAPDm. Per A ryšį naudojama signalizacijos sistema numeriu 7. 3 sluoksnis skirstomas į 3 posluoksnius:
Radio resursų valdymo (RR) – kontruoliuoja sudėti, pritaikymą, nutraukimą radio ir fiksuotų kanalų, ir pekėlimus.
Mobilumo valdymo (MM) – valdo vietos atnaujinimo, perkėlimo, registracijos, saugumo ir identifikacijos procedūras.
Ryšio valdymo (CM) – tvarko bendrus skambučio parametrus ir tiekia papildomas paslaugas.

Signalizacija tarp skirtingų visumų tinkle, pvz. tarp HLR ir VLR yra įgivendintas per Mobile Application Part (MAP). MAP yra viršutinis sluoksnis ant Signalling System Number 7. MAP specifikacija yra sudėtinga. Tai vienas ilgiausių dokumentų GSM rekomendacijose, apie 600 puslapių.

5.1 Radio resursų valdymo sluoksis.

Radio resursų valdymo sluoksnis prižiūri sukūrimą tarp mobilaus telefono ir MSC. Pagrindiniai dalyvaujantys komponentai yra mobilioji stotis ir bazinės stoties posistemė. RR sluoksnis susijęs su radio resusrsų valdymu kai telefonas siunčia ir priima duomenis, taip pat su radio kanalų konfiguracija, įtraukiant ir paskirtų radio kanalų nustatymą.
Radio ryšys visada inicijuojamas mobilaus telefono per prisijungimo procedūrą, arba per išeinančius skambučius, arba kaip atsakymas į užklausimo žinutę. Prisijungimo ir užklausimo procedūrų detalės, pvz. kada paskirtas kanalas yra pervedamas telefonui, ir užklausimo pokanalio struktūra yra valdoma RR sluoksnio. Priedo jis valdo tokias savybes kaip energijos valdymas, nutrūkstamas siuntimas ir piėmimas, perkėlimas.

5.2 Perkėlimas

Koriniame tinkle radio ir fiksuotas ryšys reikalingi paskirti neilgam – pokalbio trukmei. Perkėlimas yra perjungimas ateinančio skambučio į skirtingą kanalą ar lastelę. Šio proceso vydymas ir nustatymai sudaro pagrindinį RR sluoksnio funciją.
Yra keturi skirtingi perkėlimo tipai GSM sitemoje, kurie apima skambičio persiuntimą tarp:
Kanalų (perdavimo kanalo laiko intervalas) toje pačioje lastelėje.
Lastelių kontroliuojamų to pačio bazinio stoties valdiklio (BCS).
Lastelių kontroliojamų skirtingų BCS, bet tos pačios mobiliojo ryšio komutacinės stoties (MSC).
Lastelių kontroliujamų skirtingų MSC.
Pirmi du perkėlimo tipai kontroliuojami tik bazinio stoties valdiklio, ir vadinami vidiniais. Kad taupyti signalizacijos bangų plotį į juos naįtraukiama MSC, išskyrus tik kad patvirtinti tai perkėlimo pabaigoje. Kiti du perkėlimo tipai vadinami išoriniais ir valdomi MSC. Svarbus GSM aspektas tas, kad ištikrūjų MSC išlieka atsakinga už daugelį su skambinimu susijusių funkcijų, išskyrus perkėlimus tarp BCS, jei kitą BCS kontroliuoja kita MSC.
Perkėlimai gali būti inicijuojami mobilaus telefono arba MCS (kaip priemonė persiuntimo apkrovimui reguliuoti). Jiems trunkant laisvas perdavimo kanalo laiko intervalas, mobilus telefonas nuskanuoja transliacijos valdymo kanalą dėl 16 kaimyninių lastęlių, ir sudaro sąrašą 6 geriausiai tinkančių kandidačių galimam perkėlimui, priklausomai nuo signalo stprumo. Ši informacija pasiunčiama į BCS ir MCS, mažiausiai kartą per sekundę, ir ji naudojama perkėlimo logaritmo.
Algoritmas kada perkėlimas turėtu būti įvykdytas nėra aprašytas GSM rekomendacijose. Yra naudojami du pagrindiniai algoritmai, abu artimai susiję su energijos kontroliavimu. Tai daroma todėl kad BCS dažniausiai nežino ar silpna signalo kokybė susijusi su daugiaspindulio bangų sklidimu ar telefonas persikėlė į kitą latęlę. Tai dažiausiai pasitvirtina mažose miesto lastelėse.
“Mažiausiai priimtinos kokybės” algoritmas leidžia kontroliuoti telefono energiją per perkėlimą, taigi jei telefono signalas nukrenta žemiau nustatyto taško, tai energijos kiekis telefone yra padidinamas. Jei enrgijos padidinimas nepagerina signalo tada nusprendžiamas perkėlimas. Tai paprasčiausias ir dažniausiai naudojamas algoritmas.
“Energijos taupymo” algoritmas naudoja perkėlima kad palaikyti arba pagerinti signalo kokybę naudojant tą patį energijos kiekį, bet jis yra sudėtingesnis.

5.3 Mobilumo valdymo sluoksnis

Mobilumo valdymo sluoksnis sukurtas ant RR sluoknio viršaus, ir valdo funkcijas kurios susijusios su abonento mobilumu pvz.: autentifikacija, apsauga. Vietos valdymas yra susijęs su procedūromis kurios įjungią sistemą kad nustatytų esamą vietą įjungto mobilaus telefono, tai reikalinga kad sistema žinotu kur reikia adresuoti skambutį.

5.4 Autentifikacija ir saugumas

Kadangi radio terpė yra prieinama visems tai autentifikacija yra labai svarbi. Autentifikacija apima dvi funkcines visumas, SIM kortelę ir Autentifikacijos centra (AuC). Kiekvienam abonentui yra duodamas slaptas raktas, kurio viena kopija saugoma SIM kortelėje o kita AuC centre. Autentifikacijos metu AuC generuoja atsitiktinį skaitmenį kurį siunčia telefonui. Tada mobilusis telefonas ir AuC naudoja tą skaičių sujungta su abonento slaptuoju raktu ir šifravimo algoritmu vadinamu A3, kad sugeneruotu atpažinimo atsakymą, kuris siunčiamas į AuC. Ir jei jis sutampa tada abonentas identifikuojamas.
Tas pats pirminis numeris ir abonento raktas yra naudojamas apskaičiouti raktą sukurta naudojant algoritmą A8. Šis šifravimo raktas, kartu su TDMA rėmo numeriu, naudoja A5 algritmą kad sukurti 114 bitų seką kuri perduodama 114 bitų paketinis ciklas ( du 57 bitų blokai). Šis šifravimas pakankamai paranoiškas, kadangi signalas jau ir tap užkoduotas, įtrauktas ir persiūstas TDMA metodu, jis naudojamas kad užtikrinti apsaugą nuo pasiklaisymo.
Kitu saugumo būdu yra apsaugotas telefonas o ne operatorius. Kaip minėta anksčiau kiekvienas telefonas turi IMEI kodą. IMEJU sąrašas yra saugomas įrangos identifikacijos registre (EIR). Iš šio sąrašo atpažystamas telefono statusas, pagal IMEI užklausą.
Baltas sąrašas – telefonui leidžiama prisijungti prie tinklo.
Pilkas sąrašas – telefonas yra stebimas tinklo dėl galimų problemų
Juodas sąrašas – telefonas yra vogtas, ir jam neleidžiama prisijunti.

5.5 Ryšio valdymo sluoksnis

Ryšio valdymo sluoksnis (CM) jis yra atsakingas už skambučio kontroliavimą, paprastųjų paslaugų valdymą, ir trumpųjų žinučių kontroliavimą. Kiekvienas minėtų gali būti vertinamas kaip atskiras posluoksnis CM sluoksnio viduje. Skambučio kontroliavimas seka ISDN procedūras, net jei skambučio adresavimas klajojančiam abonentui akivaizdus GSM tinklo unikalumas. Kitos CM sluoksnio funkcijos tai skambučio inicijavimas, paslaugų tipo parinkimas, skanbučio nutraukimas.

5.6 Skambučio adresavimas

Kitaip nei adresavimas fiksuotame tinkle, kur terminalas yra visada prijungtas prie aptarnaujančios stoties, GSM vartotojas gali keliauti vlstybėje ar tarp valstybių. Vietovės numeris renkamas kad pasiekti mobilaus tinklo abonentą vadinamas mobilaus abonento ISDN numeris (MSISDN), kuris yra nustatomas E.164 numeravimo plano. Šis numeris susideda iš valstybės kodo ir nacionalinio tinklo kodo kuris identifikuoja abonento aperatorių. Pirmi keli skaitmenys likusio abonento numerio gali identifikuoti abonento HLR su namų PLMN.
Ateinantis skambutis yra nukreiptas į Gateway MSC (GMSC) funkcija. GMSC iš esmės yra jungiklis kuris gauna informacija apie abonento HLR kad nustatytu adresavimo informacija, ir taip talpina savyje lentelę susijusiu MSISDN su jų atitinkamomis HLR. Supaprastinimas yra turėti GMSC valdanti viena PLMN. Reikia pastebėti kad GMSC funkcija skiriasi nuo MSC funkcijos, bet paprastai yra idiegta į MSC.
Adresavimo informacija kurią gauna GMSC yra mobiliosios stoties klajojimo numeris (MSRN), kuris yra nustatomas E.164 numeravimo plano. MSRN yra susijęs su geografiniu numeravimo planu, ir nėra paskirtas ir taip pat nėra matomas abonentams.
Pati svarbiausia adresavimo procedūra prasideda su GMSC užklausa skambinančio abonento HLR dėl MSRN. HLR dažniausiai turi tiktai SS7 adresą dabartinės VLR, ir neturi MSRN. Taigi HLR turi gauti abonento dabartinį VLR, kuris bus laikinai talpinamas MSRN, o šis grąžinamas HLR ir atgal į GMSC, kuris gali skambuti adresuoti naujam MSC. Naujoje MSC, IMSI atitinkanti tam tikrai MSRN yra ieškoma, ir mobilus yra nukreipiamas į reikiamą vietą.

Išvados

Šiame darbe bandžiau apžvelgti GSM tinklus. Kaip ir kiekvienoje apžvalgoje, o įpatingai šioje, kur bandoma apžvelgti 6000 puslapių GSM specifikacija, trūksta faug detalių. Bet manau informacijos susipažinti su GSM tinklų sandara, ir veikimu čia užtenka. Tai buvo nepaprasta užduotis, kurią GSM komitetas prisiimė, ir sėkmingai atliko, ir parodė, kad tarptautinis benradarbiavimas dėl tokių projektų tarp universitetų, valstybės, ir pramonės gali būti sėkmingas. Tai standartas kuris užtikrina konkurencija ir bedradarbivimą tarp gamintojų, tuo pat metu užtikrinant naudą vartotojams, kainų ir kokybės srityje. Pavydžiui naudojant labai didelį integracijos laipsnį mikroprocesorinėse technologijose, daugybė funkcijų mobilaus telefono gali būti sutalpinama viename kristale, taip gaunant lengvesnį, kompaktiškesnį, ir mažiau energijos vartojantį aparatą.
Telekomunikacijos plėtojasi į asmeninius komunikacijos tinklus, kurių tikslas yra gauti visas komunikacijos paslaugas visada, betkur, ir kiekvienam per vienetinį prisijungimo numerį ir nešiojamą komunikacijos terminalą. O ne turėti daugybę nesuderinamų sistemų aplink visą pasauį. Masinės gamybos produktai sukuria galimybę tai įgivendinti, jau nekalbant apie patogumą, kai nešiojantis vieną komunikacijos terminalą, galime gauti visas paslaugas, nepaisant valstybės sienų.

Turinys

Ivadas 1
1 GSM ISTORIJA 2
2. GSM TIEKIAMOS PASLAUGOS 2
3. GSM ARCHITEKTŪRA 3
3.1 Mobilioji stotelė 4
3.2 Bazinė stotis 4
3.2 Tinklo posistemė. 4
4 Radio ryšis 5
4.1 Daugialypis priėjimas ir kanalo struktūra. 5
4.2 Duomenų kanalai 5
4.3 Kontrolės kanalai 6
4.4 Paketinio duomenų apsikeitimo ciklo struktūra 7
4.4 Garsų kodavimas. 7
4.3 Kanalo kodavimas ir moduliavimas. 7
4.4 Daugiaspindulinė korekcija 8
4.5 Dažnio keitimas. 8
4.6 Trūkusis transliavimas. 8
4.7 Trūkusis priėmimas. 9
4.8 Energijos taupymas 9
5. Tinklo aspektai. 9
5.1 Radio resursų valdymo sluoksis. 10
5.2 Perkėlimas 10
5.3 Mobilumo valdymo sluoksnis 11
5.4 Autentifikacija ir saugumas 11
5.5 Ryšio valdymo sluoksnis 12
5.6 Skambučio adresavimas 12
Išvados 13

Leave a Comment