Таблица 2.3. Упрощенная структура логических каналов стандарта GSM

Логические каналы стандарта GSM делятся на каналы трафика и каналы управления.

Каналы трафика ТСН {Traffic Channels), в свою очередь, делятся на полноскоростные TCH/FS {с полноскоростным кодированием; F - сокращение от Full - полный; S - Speech - речь) и полускоростные TCH/HS {Н - сокращение от Half - половина); в обоих случаях имеется в виду передача речи. Типы каналов трафика для передачи данных в табл.2.3 не включены {TCH/F9.6, TCH/F4.8, ТСН/Н4.8 и т.п.).

Каналы управления ССН {Control Channels) делятся на 4 типа: вещательные каналы управления ВССН {Broadcast Control Channels), общие каналы управления СССН {Common Control Channels), выделенные закрепленные каналы управления SDCCH (Standalone Dedicated Control Channels), совмещенные каналы управления АССН (Associated Control Channels).

Вещательные каналы управления ВССН предназначены для передачи информации от базовой станции к подвижным в вещательном режиме, т.е. без адресования к какой-либо конкретной подвижной станции. В число вещательных каналов управления входят: канал коррекции частоты FCCH (Frequency Correction Channel) - для подстройки частоты подвижной станции под частоту базовой, канал синхронизации SCH (Synchronization Channel) - для кадровой синхронизации подвижных станций, а также канал общей информации, не имеющий отдельного наименования.

Общие каналы управления СССН включают: канал вызова РСН (Paging Channel), используемый для вызова подвижной станции базовой; канал разрешения доступа AGCH (Access Grant Channel) - для назначения закрепленного канала управления, которое также передается от базовой станции на подвижную; канал случайного доступа RACH (Random Access Channel) - для выхода с подвижной станции на базовую с запросом о назначении выделенного канала управления. При передаче информации по общим каналам управления прием информации не сопровождается подтверждением.

Выделенные закрепленные каналы управления SDCCH {используются в двух вариантах, не отраженных в табл. 2.3) - автономные каналы управления для передачи информации с базовой станции на подвижную и в обратном направлении.

Мультикадр (235 мс; обратный канал)

1 2 3 4 (номера кадров)

R R R R R

R R R R R

Мультикадр (235 мс; прямой канал)

1 2 3 4 (номера кадров)

FSBBBBCCCC

FSCCCCCCCC

Рис.2.14. Структура мультикадра канала управления эфирного , интерфейса системы GSM: R - канал RACH; F - канал FCCH; S - канал SCH; В - канал ВССН; С - канал AGCH/канал РСН; I - свободный кадр (Idle)

Совмещенные каналы управления АССН, также используемые для передачи информации в обоих направлениях (от базовой станции к подвижным и от подвижных к базовой) и имеющие несколько вариантов, не отраженных в табл.2.3, включают: медленный совмещенный канал управления SACCH (Slow Associated Control Channel) - объединяется с каналом трафика (кадр 13 мультикадра канала трафика) или с каналом SDCCH; быстрый совмещенный канал управления FACCH (Fast Associated Control Channel) - совмещается с каналом трафика, заменяя в соответствующем слоте информацию речи, причем эта замена помечается скрытым флажком (поле S на рис.2.11).

В отличие от дуплексных каналов - трафика и совмещенных каналов управления, размещаемых в канале трафика эфирного интерфейса, - симплексные каналы управления ВССН и СССН размещаются в нулевом слоте кадров канала управления эфирного интерфейса на так называемых несущих ВССН, имеющихся в ячейке, f-

Сообщения канала RACH могут быть переданы в нулевом слоте любого кадра в пределах 51-кадрового мультикадра канала управления (рис.2.14). Сообщение RACH передается подвижной станцией раз в 235 мс, т.е. только в одном из кадров мультикадра, при этом используется структура слота, соответствующая пачке Доступа.

Сообщения каналов ВССН и СССН, передаваемые от базовой станции к подвижным (прямой канал), размещаются в нулевых слотах 50 кадров мультикадра канала управления эфирного интерфейса; последний, 51-й, кадр мультикадра остается свободным. Первые 50 кадров делятся на 5 блоков по 10 кадров: в начале каж-дого блока передается сообщение канала FCCH (структура слота -пачка коррекции частоты), далее - сообщение канала SCH (структура слота - пачка синхронизации), затем в первом блоке передается четыре сообщения канала ВССН и четыре сообщения канала AGCH или канала РСН, а в остальных четырех блоках все восемь сообщений отводятся под канал AGCH или РСН. Сообщения логических каналов управления в большинстве случаев кодируются со значительной избыточностью с целью защиты от ошибок при передаче информации.

И в заключение еще раз отметим, что изложенные сведения о структуре и организации работы логических каналов управления весьма схематичны и не претендуют на исчерпывающую полноту. Более того, такие сложные и ответственные разделы, как организация каналов управления, имеют тенденцию совершенствоваться со временем, так что детальное знакомство с их работой требует изучения новейших версий стандартов, содержащих последние изменения.

2.3.2. Инициализация и установление связи

Перейдем к рассмотрению организации основных режимов работы системы сотовой связи.

Центр коммутации и базовые станции работают круглосуточно и непрерывно, без выключений. При возникновении в них неисправностей работоспособность поддерживается за счет предусмотренного конструкцией резервирования, с ремонтом (заменой) вышедших из строя элементов в ситуации, когда они находятся в положении резервных. В работе подвижных станций перерывы и отключения практически неизбежны, в том числе - для смены источников питания.

Рассмотрим сначала наиболее простой случай - работу подвижной станции в пределах одной ячейки своей («домашней») системы, без передачи обслуживания. В этом случае в работе подвижной станции можно выделить четыре этапа, которым соответствуют четыре режима работы:

- включение и инициализация;

- режим ожидания;

- режим установления связи (вызова);

- режим ведения связи (телефонного разговора).

После включения подвижной станции, т.е. после замыкания цепи питания, производится инициализация - начальный запуск. В течение этого этапа происходит настройка подвижной станции на работу в составе системы - по сигналам, регулярно передавае-

мым базовыми станциями по соответствующим каналам управления, после чего подвижная станция переходит в режим ожидания. Конкретное содержание этапа инициализации зависит от используемого стандарта сотовой связи.

В стандарте D-AMPS версии IS-54 подвижная станция начинает со сканирования выделенных каналов управления и выбора канала с наиболее сильным сигналом; затем по передаваемой в этом канале информации подвижная станция определяет номера каналов вызова, находит среди них канал с наиболее сильным сигналом, настраивается на его частоту и остается в режиме ожидания.) В версии IS-136 алгоритм настройки подвижной станции на цифровой канал управления более сложен и гибок, прежде всего в интересах скорейшего завершения процесса настройки. При этом рекомендуется в максимальной степени использовать всю имеющуюся информацию о положении канала управления (где находился канал управления в прошлом сеансе работы, указатель положения канала управления, если он имеется, и др.), а при прямом поиске со сканированием всех частотных каналов стандартом рекомендуется определенная последовательность сканирования групп каналов, в соответствии с вероятностью размещения в них цифровых каналов управления.

В стандарте GSM подвижная станция сканирует все имеющиеся частотные каналы, настраивается на канал с наиболее сильным сигналом и по наличию пачки коррекции частоты определяет, передается ли в этом частотном канале информация канала ВССН. Если нет, то станция перестраивается на следующий по уровню сигнала частотный канал, и так до тех пор, пока не будет найден канал ВССН. Затем подвижная станция находит пачку синхронизации, синхронизируется с выбранным частотным каналом, расшиф-ровывает дополнительную информацию о базовой станции (в частности, 6-битовый код идентификации базовой станции) и принимает окончательное решение о продолжении поиска или о работе в данной ячейке.

Находясь в режиме ожидания, подвижная станция отслеживает:

- изменения информации системы - эти изменения могут быть связаны как с изменениями режима работы системы, так и с перемещениями самой подвижной станции, например с переходом ее в другую ячейку;

Строго говоря, полная процедура инициализации, имеющая смысл при использовании двухрежимных (цифро-аналоговых) подвижных станций и при работе в полной полосе частот, отведенной для сотовой связи, сложнее. Сначала станция сканирует первичные выделенные каналы управления (в пределах полосы оператора А или В), настраивается на наиболее сильный канал и проверяет наличие возможности работы в цифровом режиме (по содержанию соответствующего бита сигнальной информации). Если такая возможность есть, станция остается в режиме ожидания в цифровом режиме на Этом канале; если нет, то сканирует вторичные выделенные каналы управления, и т.д. В соответствии с изложенными ранее соображениями мы не описываем эту процедуру, как и практически все последующие, с такой степенью подробности.

- команды системы - например, команду подтвердить свою работоспособность («регистрация» в конкретной ячейке);

- получение вызова со стороны системы;

- инициализацию вызова со стороны собственного абонента. Две последние ситуации - получение или инициализацию

вызова - мы рассмотрим подробнее несколько ниже.

Кроме того, подвижная станция может периодически, например раз в 10...15 минут, подтверждать свою работоспособность, передавая соответствующие сигналы на базовую станцию (подтверждение «регистрации» или уточнение местоположения). В центре коммутации для каждой из включенных подвижных станций фиксируется ячейка, в которой она «зарегистрирована», что облегчает организацию процедуры вызова подвижного абонента. Если подвижная станция не подтверждает свою работоспособность в течение определенного промежутка времени, например пропускает два или три подтверждения «регистрации» подряд, центр коммутации считает ее выключенной, и поступающий на ее номер вызов не передается.

В стандарте GSM подвижная станция измеряет и периодически передает на базовую станцию следующие параметры:

- уровень сигнала базовой станции рабочей («своей») ячейки и до 16 смежных ячеек, измеряемый по сигналу канала ВССН;

- код качества принимаемого сигнала в рабочей ячейке -функцию оценки частоты битовой ошибки (BER - Bit Error Rate) по принятому сигналу перед канальным декодированием.

В стандарте D-AMPS измерения уровня сигнала и частоты битовой ошибки выполняются по команде с базовой станции для обеспечения процедуры передачи обслуживания.

Рассмотрим процедуру установления связи.

Если со стороны системы поступает вызов номера подвижного абонента, центр коммутации направляет этот вызов на базовую станцию той ячейки, в которой «зарегистрирована» подвижная станция, или на несколько базовых станций в окрестности этой ячейки - с учетом возможного перемещения абонента за время, прошедшее с момента последней «регистрации», а базовые станции передают его по соответствующим каналам вызова. Подвижная станция, находящаяся в режиме ожидания, получает вызов и отвечает на него через свою базовую станцию, передавая одновременно данные, необходимые для проведения процедуры аутентификации; последняя, как представляющая самостоятельный интерес, будет рассмотрена подробнее в разд. 2.3.3. При положительном результате аутентификации назначается канал трафика, и подвижной станции сообщается номер соответствующего частотного канала. Подвижная станция настраивается на выделенный канал и совместно с базовой станцией выполняет необходимые шаги по подготовке сеанса связи. На этом этапе подвижная станция настраивается на заданный номер слота в кадре, уточняет задержку во времени, подстраивает уровень излучаемой мощности и т.п.

Выбор временной задержки производится с целью временного согласования слотов в кадре (на прием в базовой станции) при организации связи с подвижными станциями, находящимися на разных дальностях от базовой. При этом временная задержка передаваемой подвижной станцией пачки регулируется по командам базовой станции. В стандарте D-AMPS при выборе временной задержки работа осуществляется укороченными пачками. Исходное значение задержки составляет 88 бит; оно может уменьшаться на величину до 30 бит с шагом 1 бит (20,55 мкс). В стандарте GSM при выборе задержки используются пачки доступа. Задержка регулируется в пределах от О до 63 бит с дискретом 1 бит (3,69 мкс). В дальнейшем базовая станция отслеживает изменение дальности до подвижной станции и корректирует величину задержки, выдавая соответствующие команды на подвижную станцию. При малых геометрических размерах ячейки, т.е. при малых величинах задержки (в пределах защитного бланка или защитного интервала), компенсация временной задержки может не производиться.

В стандарте GSM производятся также привязка подвижной станции к базовой по частоте с использованием пачки коррекции частоты и временная синхронизация подвижной станции с базовой с точностью до 1/4 бита, для чего в пачке синхронизации передаются номера четверти бита (QN - Quarter bit Number, в пределах GT О до 624), бита (BN - Bit Number, в пределах от О до 156), слота (TN - Timeslot Number, в пределах от О до 7) и кадра (FN - Frame Number, в пределах от О до 2715648); одновременно в пачке синхронизации передаются 3-битовый код (код цвета - colour code) сети сотовой связи и 3-битовый код базовой станции, составляющие в совокупности уникальный 6-битовый идентификатор базовой станции (BSIC - Base Station Identifier Code).

Затем базовая станция выдает сообщение о подаче сигнала вызова (звонка), которое подтверждается подвижной станцией, и вызывающий абонент получает возможность услышать сигнал вызова. Когда вызываемый абонент отвечает на вызов («снимает трубку», т.е. нажимает соответствующую кнопку на панели управления абонентского аппарата), подвижная станция выдает запрос на завершение соединения. С завершением соединения начинается собственно сеанс связи - абоненты ведут разговор.

В процессе разговора подвижная станция производит обработку передаваемых и принимаемых сигналов речи, а также передаваемых одновременно с речью сигналов управления. По окончании разговора происходит обмен служебными сообщениями между подвижной и базовой станцией (запрос или команда на отключение с подтверждением), после чего передатчик подвижной станции выключается и станция переходит в режим ожидания.

Если вызов инициируется со стороны подвижной станции, т.е. абонент набирает номер вызываемого абонента, убеждается в правильности набора по отображению на дисплее и нажимает соответствующую кнопку («вызов») на панели управления, то подвижная станция передает через свою базовую станцию сообщение с