Модернізація стільникової мережі стандарту GSM із застосуванням технологій GPRS та EDGE

1. ОГЛЯД СТАНДАРТУ GSM/GPRS

Для ініціювання викликів та іншої службової інформації призначені керуючі канали (Control Channels), що оперують мультифреймами з 51 кадру. Мобільний термінал може використовувати загальний канал у режимі очікування, а й під час передачі даних з ТСН. Є кілька типів таких каналів, зокрема:

Broadcast Control Channel (ВССН) - односпрямований канал, яким постійно передається інформація про параметри та конфігурації базової станції;
Frequency Correction Channel (FCCH) та Synchronisation Channel (SCH) - використовуються при синхронізації терміналів з часовими параметрами логічних каналів;
Random Access Channel (RACH), Paging Channel (PCH) - відповідають за ініціалізацію вихідних та вхідних викликів;
Access Grant Channel (AGCH) - обслуговує процедури присвоєння каналу.

Різноманітність призначень каналів викликала появу чотирьох різновидів елементарної структури даних (burst):

Normal (нормальна) – загальною довжиною 156 біт, містить 114 біт корисних даних;
F-burst та S-burst - з іншою структурою, але тієї ж довжини, використовуються в каналах FCCH та SCH;
Access burst – більш коротка, призначена для каналу RACH.

Для передачі цифрових даних через аналоговий радіоканал використовується метод модуляції гаусса з мінімальним зрушенням (Gaussian Minimum Shift Keying, GMSK). Теоретично повна пропускна спроможність фізичного каналу становить близько 270 Kbps. За інформацією Motorola, її обладнання реально забезпечує 172 Kbps на одній несучій, базова станція підтримує в стандартній конфігурації 6 несучих, хоча в принципі їхкількість можна збільшити до 24. Це дає нам стільники (0,1-70 км) від 1 Mbps до 4 Mbps (якщо методи збільшення числа несучих не призводять до зменшення питомої пропускної спроможності). Частково нейтралізувати вплив аномальних “провалів”, що виникають на окремих ділянках спектра внаслідок багатоколійного поширення сигналів з появою відбитків, вдається періодичною зміною частоти (frequency hopping). Кожен наступний кадр передається на іншій частоті, при цьому за секунду виконується 217 стрибків. Схема, якою здійснюються стрибки, постійно транслюється базової станцією каналом ВССН. Незважаючи на заявлену сумісність з ISDN, пропускна здатність одного логічного каналу не перевищує 14 Kbps.

У "цифрі" вдалося реалізувати додаткові можливості, які недоступні у аналогових стандартах попереднього покоління. В основному це стосується якості звучання голосу співрозмовника (якість передачі та кодування мови), автентифікації абонента та автоматичного роумінгу. Крім того, це:

використання SIM-карток для забезпечення доступу до каналу та послуг зв'язку;
шифрування переданих повідомлень;
закритий від прослуховування радіоінтерфейс;
аутентифікація абонента та ідентифікація абонентського обладнання за криптографічними алгоритмами;
використання служб коротких повідомлень, що передаються каналами сигналізації;
автоматичний роумінг абонентів різних мереж GSM у національному та міжнародному масштабі;

міжмережевий роумінг абонентів GSM з абонентами мереж стандартів DCS1800, PCS1900, DECT, а також із супутниковою системою персонального радіозв'язку Globalstar.

Хоча сам принцип стільникового зв'язку був винайдений в Америці, перші комерційні системи - на базі NMT - з'явилися вЄвропі, а стандарту GSM взагалі вдалося вийти за межі Європи та по суті завоювати весь світ: за деякими оцінками, користувачі GSM становлять понад половину абонентів стільникових мереж у всьому світі.

GSM отримав прописку на всіх континентах і проникнув - у вигляді GSM 1800 - навіть в Америку. Звичайно, успіх будь-якої технології визначається не тільки (а часто і не стільки) її технічними перевагами, але у випадку GSM вони відіграли важливу роль. Ще на початку 80-х рр., коли стільниковий зв'язок тільки-но зароджувався, європейські уряди та оператори створили робочу групу Group Special Mobile для розробки загальноєвропейського стандарту стільникового зв'язку, причому з самого початку вони орієнтувалися на цифровий зв'язок, хоча на той час ефективних алгоритмів стиснення мови ще не було. Розробка стандарту зайняла майже десять років, і перші комерційні мережі з'явилися тільки на початку 90-х років. Проте на той час на американському ринку домінували аналогові системи AMPS, а в порівнянні з ними GSM був гігантським кроком вперед.

Тепер розглянемо основні елементи структури мережі GSM. Мобільні термінали взаємодіють за допомогою радіоінтерфейсу з підсистемою базової станції (Base Station Sub-system), яка включає два основних елементи: Base Tranceiver Station (BTS) і Base Station Controler (BSC). Перший - це комплекс передавачів, визначальний елементарну стільнику мережі. Другий - керуюче обладнання, завідувач ініціалізації каналів і алгоритмом частотних стрибків. Одна BSC може обслуговувати відразу кілька BTS, що дозволяє розбивати зону обслуговування більш дрібні стільники, обмін даними між якими відбувається за стандартним інтерфейсом Abis. Взагалі, максимальне використання стандартизованих протоколів необхідно, щоб не було залежностіоператорів від одного постачальника обладнання. Всі BSC-підсистеми базової станції пов'язані з (NSS) Network Subsystem, де Mobile services Switching Center (MSC) виконує функції комутатора як для з'єднань в рамках своєї зони обслуговування, так і при взаємодії з громадськими мережами (PSTN, ISDN і т.д. .). MSC у своїй роботі користується послугами чотирьох інших компонентів підсистеми: Home Location Register (HLR), Visitor Location Register (VLR), Equipment Identity Register (EIR) та Authentication Center (AuC). Перші два відповідають за функції обліку та контролю: HLR містить інформацію про всіх передплатників, зареєстрованих у мережі оператора, а VLR оперує підмножиною даних з HLR (відомості про користувачів, які зараз перебувають у зоні відповідальності певного MSC). Інші два регістри забезпечують зберігання різних ідентифікаційних даних: EIR – описує всі зареєстровані в мережі мобільні термінали згідно з регістром International Mobile Equipment Identity (IMEI), AuC – містить базу секретних ключів SIM-карт передплатників.