Услуги и внутренние интерфейсы

1.4.5. Секторизованная сота

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

1.4.6. Задачи каналов в системе GSM

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 Division Multiple Access ALOHA). 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.

1.4.7. Каналы сигнализации радиоинтерфейса

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:

• широковещательный канал коротких сообщений (канал вызова) (PCH — Paging Channel): исходящий канал только от сети к MS; BTS информирует MS о входящих вызовах через PCH;
• канал предоставления доступа (AGCH): исходящий канал только от сети к MS. BTS распределяет TCH или SDCCH к MS, таким образом разрешая MS доступ к сети;
• канал с произвольным доступом (RACH): канал связи только от MS к сети; позволяет MS запрашивать SDCCH. Это делается в ответ на широковещательный запрос или на вызов. MS для передачи на этом канале работает по принципу случайного доступа.

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).