Стандарт GSM900

Поколение		1G	2G				2.5G	3G	3.5G	4G
Начало разработок		1970	1980				1985	1990	<2000	2000
Реализация		1984	1991				1999	2002	2006—2007	2008—2010
Сервисы		аналоговый стандарт,речевые сообщения	цифровой стандарт, поддержка коротких сообщений (SMS), передача данных со скоростью до 9,6 кбит/с				большая ёмкость, пакетная передача данных	ещё большая ёмкость, скорости до 2 Мбит/с	увеличение скорости сетей третьего поколения	большая ёмкость, IP-ориентированная сеть, поддержка мультимедиа, скорости до сотен мегабит в секунду
Скорость передачи		1,9 кбит/с	9,6-14,4 кбит/с				115кбит/с (1фаза) 384 кбит/с (2 фаза)	2Мбит/с	3-14 Мбит/с	1 Гбит/с
Стандарты ,		AMPS, TACS,NMT	TDMA, CDMA, GSM, PDC			GPRS, EDGE (2.75G), 1xRTT		WCDMA         CDMA2000UMTS	HSDPA	единый стандарт
Сеть данных	PSTN			PSTN	PSTN  сеть пакетной передачи данных			сеть пакетной передачи	сеть пакетной передачи данных	Интернет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Стандарт GSM900

 

     GSM (Global System for Mobile Сommunications) — глобальная система подвижной связи.

     Это цифровой стандарт с диапазоном частот 890 — 915 МГц (от телефона к базовой станции) и 935-960 МГц (от базовой стации к телефону).

     Область, накрываемая сетью GSM, разбита на соты шестиугольной  формы. Диаметр каждой шестиугольной  ячейки может быть разным - от 400 м до 50 км. Направленные антенны  установлены на крышах зданий, вышек и т.д.

Особенности.

     Меньшие по сравнению с аналоговыми  стандартами ( NMT-450, AMPS-800 ) размеры и вес телефонных аппаратов при большем времени работы без подзарядки аккумулятора.

     Это достигается в основном  за счет аппаратуры базовой  станции, которая постоянно анализирует уровень сигнала, принимаемого от аппарата абонента. В тех случаях, когда он выше требуемого, на сотовый телефон автоматически подается команда снизить излучаемую мощность.

     Высокая абонентская емкость  сети.

     Низкий уровень индустриальных  помех в данном частотном диапазоне.

     Максимальная защита от подслушивания  и нелегального использования,  что достигается путем применения алгоритмов шифрования с открытым ключом. EFR-технология являет собой усовершенствованную систему кодирования речи. Эта система была разработана фирмой Nokia и впоследствии стала промышленным стандартом кодирования/декодирования для технологии GSM.

     Несколько неестественное звучание  речи, за то нет шипения и  треска.

    Связь устанавливается на расстоянии  не более 35 км от ближайшей  базовой станции даже при использовании  усилителей и направленных антенн. Поэтому для покрытия определённой  площади необходимо большее количество  передатчиков, чем в NMT-450 и AMPS.

     Из этого можно сделать вывод,  что GSM900 несомненно является оптимальным стандартом для крупных индустриальных и густонаселённых районов.

         В 1990 году в Великобритании  были сделаны первые шаги по  внедрению системы мобильной связи, работающей на частоте 1800 МГц. Новая система получила название DCS 1800 (Digital Cellular System - 1800 МГц).

     Япония и США идут своим  путем, развивая собственные стандарты.  Для систем персональной связи в США выделен сходный диапазон - 1900 МГц.

     За последнее время стандарт GSM-900 сделал еще один большой шаг  в своем развитии. Были приняты новые спецификации - фаза 2 и фаза 2+.

  Новые функции принятые в этих спецификациях являются полностью цифровыми и позволяют пользователю работать с еще большей эффективностью. К ним относятся ожидание звонка, удержание звонка, возможность просмотра стоимости разговора и состояния личного счета, а также идентификация входящего вызова. Эти функции расширяют и без того немалый ряд сервисных возможностей стандарта.

      Но все-таки к наиболее важным  изменениям стоит отнести появление  новых кодеров речи и данных. Это EFR (Enhanced Full Rate), Full Rate и Half Rate. До введения спецификации "GSM фаза 2" все сети и, соответственно, аппараты работали на "полной скорости" (Full Rate), что в конце концов стало камнем преткновения - сети не успевали обрабатывать большое количество пользователей и терялось основное назначение сотового телефона - мобильность. С введением EFR и Half Rate ситуация коренным образом изменилась. Пропускная способность сети увеличилась в несколько раз, так как теперь одним каналом передачи сигнала может пользоваться несколько абонентов одновременно. Возросло и качество передаваемой речи за счет более частого общения телефона с базовой станцией.EFR являет собой усовершенствованную систему кодирования речи. Эта система была разработана фирмой Nokia и, впоследствии, стала промышленным стандартом кодирования/декодирования для технологии GSM. Но, как говорится, в бочке меда есть ложка дегтя: при использовании функции EFR аппарат быстрее (на 10%) расходует энергетический запас аккумуляторных батарей, но это с лихвой компенсируется качеством передаваемого сигнала, а также чистотой звучания голоса собеседника.

      Еще одним немаловажным дополнением  стало расширение языковых возможностей "Сервиса Коротких Сообщений" (SMS). Первоначально в SMS использовался только набор латинских букв, однако недавно в стандарте GSM фаза 2+ были введены символы UNICODE, которые включают кириллицу. Операторы использующие данную кодировку могут отправлять мобильным телефонам, поддерживающим кодировку UNICODE, уведомления о голосовой почте, написанные на русском языке.

 

     

Процедура подключения к сети GSM-900.

     Телефон выдается на руки сразу  же после заключения договора  и выплаты первоначального взноса. Размер первоначального платежа  определяется стоимостью телефонного  комплекта, оплатой за подключение к МГТС (плата за подключение с собственным оборудованием увеличивается в два раза), залогом и абонентской оплаты.  Услуги сотовой связи (абонентская плата, плата за разговоры и дополнительные услуги) оплачиваются ежемесячно. В случае, если средства на счету пользователя иссякли - абонентский номер отключается и возобновляет работу только после ликвидации задолженности и установки положительного баланса на личном счете абонента.

 

  Стандарт GSM1800

 

       Данный цифровой стандарт с  диапазоном частот 1710 - 1880 МГц является  модификацией стандарта GSM900.

      Его особенности: максимальная  излучаемая мощность мобильных  телефонов стандарта GSM-1800 - 1Вт  ( для сравнения у GSM900 - 2Вт). Большее время непрерывной работы без подзарядки аккумулятора и снижение неблагоприятного воздействия на потребителя. Высокая защита от подслушивания и нелегального использования номера. Высокая емкость сети, что важно для крупных городов. Возможность использования телефонных аппаратов, работающих в стандартах GSM900 или GSM-1800. Такой аппарат функционирует в сети GSM900, но, попадая в зону GSM-1800, переключается - вручную или автоматически. Это позволяет оператору рациональнее использовать частотный ресурс, а клиентам - экономить деньги за счет низких тарифов. В обеих сетях абонент пользуется одним номером

 

Формат TDMA

 

В системах GSM используется сложная иерархия кадров TDMA, определяющая логические каналы (рис. 2.15). По сути, каждая полоса частот шириной 200 кГц делится на 8 логических каналов, определяемых повторяющимися последовательностями слотов.

На  низшем уровне иерархии находится слот, длительность которого равна 15/26 мс, или  примерно 0,577 мс. При скорости передачи битов 270,833 Кбит/с каждый слот будет иметь длину 156,25 бит. Слот состоит из следующих полей.

 

• Завершитель. Позволяет синхронизировать передачу данных с мобильных устройств, находящихся на разных расстояниях от базовой станции (будет рассмотрено ниже).

 

• Зашифрованные биты. Данные шифруются  в блоки с помощью обычного шифрования 114 открытых битов в 114 зашифрованных битов. Затем зашифрованные биты помещаются в два 57-битовых поля слота.

 

• Захваченные биты. Используются для  указания, содержит ли блок данные или  же он "захвачен" для срочного сигнала управления.

 

• Настроечная последовательность. Используется для настройки параметров приемника  в соответствии с особенностями текущего тракта распространения сигнала, а при многолучевом распространении еще и для выбора наиболее сильного сигнала. Настроечная последовательность является известной комбинацией битов, индивидуальной для каждой ячейки. Она позволяет мобильным устройствам и базовой станции определять, действительно ли пришел принимаемый сигнал с передатчика или же он возник в результате сильных помех.

Кроме того, настроечная последовательность используется для выравнивания сигналов, распространяющихся по множественным траекториям, которое позволяет отделять нужный сигнал от нежелательных отражений. Зная, как изменяется известная настроечная последовательность вследствие многолучевого замирания, в оставшейся части сигнала этот эффект можно компенсировать.

 

• Защитные биты. Используются во избежание  наложения пакетов данных вследствие разных задержек на тракте.

 

 

Рисунок 2.15. Формат кадра GSM

 

Формат  слота, показанный на рис. 2.15, называется нормальным пакетом и несет пользовательские данные (сравните с рис. 2.13, б). Для управления передачей сигналов используются другие форматы пакетов.

Более крупной иерархической единицей являются мультикадры из 26 кадров, в которые обычно собираются 8-слотовые кадры TDMA. Один из кадров мультикадра используется для управления передачей сигналов, а другой пока не используется, т.е. для передачи данных используются 24 кадра. Таким образом, каждому информационному каналу выделяется по одному слоту на кадр и по 24 кадра на каждый мультикадр длительностью 120 мс. Вычислим скорость передачи данных.

 

114 бит/слот х 24  слота/мультикадр / 10  мс/мультикадр = 22,8 Кбит/с .

 

В спецификации GSM допускаются также  информационные каналы половинной скорости передачи данных, когда имеются два информационных канала, каждый из которых занимает один слот в 12 из 26 кадров. При использовании кодеров речи с половинной скоростью передачи данных пропускная способность системы удваивается. Есть также мультикадры, содержащие по 51 кадру, которые используются для управления трафиком.

 

Кодирование речи

 

На  рис. 2.16 показана схема обработки  речевых сигналов для передачи данных по логическому информационному  каналу. Все этапы обработки последовательно  рассмотрены ниже.

 

 

 

Рисунок 2.16. Обработка речевых сигналов в  системе GSM

 

Речевой сигнал сжимается с помощью алгоритма RPE-LPE (Regular Pulse Excited -- Linear Predictive Coder, активизация регулярными импульсами — линейный кодер с предсказанием). Суть алгоритма состоит в том, что для предсказания текущей выборки используются данные из предыдущих выборок. При кодировании каждая выборка представляется в виде линейной комбинации предыдущих выборок и описывается с помощью коэффициентов этой линейной комбинации и закодированной разности предсказанной и действительной выборок. В результате такого кодирования каждые 20 мс получается 260 бит, т.е. приблизительно скорость передачи данных составляет 13 Кбит/с. По качеству речи, воспроизводимой с помощью такого кодирования, биты в 260-битовом блоке можно разделить на три класса.

 

• Класс Iа: 50 бит, наиболее чувствительных к битовым ошибкам.

 

• Класс Ib: 132 бит, умеренно чувствительных к битовым ошибкам.

 

• Класс IIа: 78 бит, минимально чувствительных к битовым ошибкам.

 

Для защиты первых 50 бит используется 3-битовая  циклическая проверка четности с  избыточностью (CRC). При обнаружении ошибки вся выборка отбрасывается и заменяется измененной версией предыдущего блока. Эти 53 бит, 132 бит класса Ib, а также 4-битовая остаточная последовательность затем защищаются сверточным кодом (1, 2, 5), что в итоге дает 189 х 2 = 378 бит. Оставшиеся 78 бит остаются незащищенными и прилагаются к защищенным битам для того, чтобы дополнить блок до 456 бит, что в результате даст скорость передачи данных 456/20 мс = 22,8 Кбит/с, которая является характерной скоростью передачи данных в информационных каналах систем GSM.

 

Для того чтобы защитить передаваемые данные от пакетов ошибок, каждый 456-битовый  блок делится на восемь 57-битовых  блоков, которые передаются в восьми последовательных слотах. Так как  каждый слот может вмещать в себя два 57-битовых блока, в каждом пакете оказываются данные из двух различных  выборок речи.

 

С помощью описанных шагов речевые  данные шифруются по 114 бит за такт, собираются в слоты (сборка пакета) и, наконец, модулируются для передачи. Используемая схема модуляции, OMSK (Gaussian Minimum Shift Keying — гауссова манипуляция с минимальным частотным сдвигом), представляет собой разновидность частотной модуляции (FSK).

 

Кодирование данных

 

Цифровые  данные обрабатываются тем же способом, что применяется к речевым  сигналам. Данные обрабатываются блоками  по 240 бит каждые 20 мс, что дает скорость передачи данных 12 Кбит/с. В зависимости от определения логических каналов реальная поддерживаемая скорость передачи данных может составлять 9,6, 4,8 и 2,4 Кбит/с. Каждый блок дополняется четырьмя остаточными битами. Для получения блока размером 244 х 2 = 488 бит используется сверточный код (1, 2, 5). Затем 32 бит из этого блока опускаются, и в блоке остается 456 бит. Для распределения данных по пакетам используется схема чередования битов, что, опять же, уменьшает влияние импульсных помех. 488 бит распределяются по 22 пакетам следующим образом: