Организация физических и логических каналов связи в стандарте GSM-Занятие 11

Занятие №11

Частотный план стандарта GSM
Физический канал в стандарте GSM представляет собой комбинацию временного и частотного разделения сигналов и определяется как последовательность радиочастотных каналов (с возможностью перескоков по частотам) и временных окон TDMA кадра.
Стандарт GSM разработан для создания сотовых систем подвижной связи (ССПС) в следующих полосах частот: 890...915 МГц — для передачи подвижными станциями (линия «вверх»); 935...960 МГц — для передачи базовыми станциями (линия «вниз»).
Первоначально сети GSM будут занимать полосу 10 МГц в полосах частот 905...915 МГц (для передачи подвижными станциями) и 950...960 МГц (для передачи базовыми станциями) и будут функционировать параллельно с существующими европейскими национальными сетями аналоговых ССПС стандартов NMT 900, TACS, ETACS, С-900. Частотные планы ССПС, включая стандарт GSM, показаны на рис. 48.

GSM — общеевропейский стандарт на цифровые
ССПС AMPS — стандарт на аналоговые ССПС Северной
Америки D-AMPS(ADS) — стандарт на цифровые ССПС Северной
Америки TACS(ETACS) — стандарт Великобритании на аналоговые
ССПС
NMT 900 — стандарт Скандинавских стран на аналоговые ССПС HCMTS, NAMTS — стандарты на аналоговые ССПС Японии
Частотные планы ССПС
Каждая из полос, выделенных для GSM, разделяется на частотные каналы. Разнос каналов составляет 200 кГц, что позволяет организовать в GSM 124 частотных канала, которые распределяются в соответствии с размещением сот. Частоты, выделенные для передачи подвижной станции на базовую и в обратном направлении, группируются парами, организуя дуплексный канал с разносом 45 МГц. Эти пары частот сохраняются и при перескоках частоты. Каждая сота характеризуется фиксированным присвоением определенного количества пар частот от 1 до 15 (не более).
Если обозначить Fl(n) — номер несущей частоты в полосе 890...915 МГц, Fu(n) — номер несущей частоты в полосе 955.-.960 МГц, то частоты каналов определяются по следующим формулам:
Fl(n) = 890,2 + 0,2(n - 1), МГц Fu(n) == Fl(n) + 45, МГц 1 < n < 124.
Каждая частотная несущая содержит 8 физических каналов, размещенных в 8 временных окнах в пределах TDMA кадра и в последовательности кадров. Каждый физический канал использует одно и то же временное окно в каждом временном TDMA кадре.
До формирования физического канала сообщения и данные, представленные в цифровой форме, группируются и объединяются в логические каналы двух типов: каналы связи — для передачи кодированной речи или данных (ТСН), каналы управления — для передачи сигналов управления и синхронизации (ССН).
Более чем один тип логического канала может быть размещен на одном и том же физическом канале, но только при их соответствующей комбинации.

В стандарте GSM различают логические каналы связи двух основных видов:
TCH/F (Full rate traffic channel)
Канал передачи сообщений с полной скоростью 22,8 кбит/с (другое обозначение Вт)
TCH/H (Half rate traffic channel)
Канал передачи сообщений с половинной скоростью 11,4 кбит/с (другое обозначение Lm).
Один физический канал может представлять собой канал передачи сообщений с полной скоростью или два канала с половинной скоростью передачи. В первом случае канал связи занимает одно временное окно: во втором — два канала связи занимают то же самое временное окно, но с перемежением в соседних кадрах (т. е. каждый канал — через кадр).

Структура логических каналов связи
    В стандарте GSM различают логические каналы связи двух основных видов:
TCH/F (Full Rate Traffic Channel) - канал передачи сообщений с полной скоростью 22,8 кбит/с (другое обозначение Вm);

TCH/H (Half Rate Traffic Channel) - канал передачи сообщений с половинной скоростью 11,4 кбит/с (другое обозначение m).
    Один физический канал может представлять собой канал передачи сообщений с полной скоростью или два канала с половинной скоростью передачи. В первом случае канал связи занимает одно временное окно; во втором - два канала связи занимают то же самое временное окно, но с перемежением в соседних кадрах (т.е. каждый канал - через кадр).

    Для передачи кодированной речи и данных предназначены каналы связи следующих типов:

    TCH/FS (Full Rate Traffic Channel for Speech)
             - канал для передачи речи с полной скоростью;

    TCH/HS (Half Rate Traffic Channel for Speech) :
     - канал для передачи речи с половинной скоростью;

    TCH/F 9,6 (Full Rate Traffic Channel for 9,6 kbit/s User Data)
     - канал передачи данных с полной скоростью 9,6 кбит/с;

    TCH/F 4,8 (Full Rate Traffic Channel for 4,8 kbit/s User Data)
     - канал передачи данных с полной скоростью 4,8 кбит/с;

    TCH/F 2,4 (Full Rate Traffic Channel for 2,4 kbit/s User Data)
     - канал передачи данных с полной скоростью 2,4 кбит/с;

    ТСН/Н 4,8 (Half Rate Traffic Channel for 9,6 kbit/s User Data)
     - канал передачи данных с половинной скоростью 4,8 кбит/с;

    СН/Н 2,4 (Half Rate Traffic Channel for 9,6 kbit/s User Data)
- канал передачи данных с половинной скоростью 2,4 кбит/с.

     Скорость передачи цифрового речевого сигнала в канале TCH/FS равна 13 кбит/с (за счет кодирования увеличивается до 22,8 кбит/с в канале TCH/F).

    Каналы связи могут передавать широкий набор информационных сообщений, но они не пользуются для передачи сигналов управления. Кроме того, для передачи данных по каналам связи могут использоваться разные протоколы, например, МСЭ-Т Х.25.

Структура логических каналов управления

Каналы управления (ССН) обеспечивают передачу сигналов управления и синхронизации. Различают четыре вида каналов управления:

ВССН (Broadcast Control Channels) - каналы передачи сигналов управления;
СССН (Common Control Channels) - общие каналы управления;
SDCCH (Standalone Dedicated Control Channels) - индивидуальные каналы управления;
АССН (Associated Control Channels) - совмещенные каналы управления.

Каналы передачи сигналов управления используются только в направлении с базовой станции на все подвижные станции. Они несут информацию, которая необходима подвижным станциям для работы в системе. Различают три вида каналов передачи сигналов управления ВССН:

FCCH (Frequency Correction Channel) - канал подстройки частоты, который используется для синхронизации несущей в мобильной станции. По этому каналу передается немодулированная несущая с фиксированным частотным сдвигом относительно номинального значения частоты канала связи;
SCH (Synchronization Channel) - канал синхронизации, по которому передается информация на подвижную станцию о кадровой (временной) синхронизации;
ВССН (Broadcast Control Channel) - канал управления передачей, обеспечивает передачу основных команд по управлению передачей (номер общих каналов управления тех из них, которые объединяются с другими каналами, в том числе и с физическими и т.д.).

Используются три типа общих каналов управления СССН:
РСН (Paging Channel) - канал вызова, используется только в направлении от базовой станции к подвижной для ее вызова;
RACH (Random Access Channel) - канал параллельного доступа, используется только в направлении от подвижной станции к базовой для запроса о назначении индивидуального канала управления;
AGCH (Access Grant Channel) - канал разрешенного доступа, используется только для передачи с базовой станции на подвижную для выделения специального канала управления, обеспечивающего прямой доступ к каналу связи.

Выделенные индивидуальные каналы управления используются в двух направлениях для связи между базовой и подвижной станциями.

Различают два вида таких каналов:

SDCCH/4 (Stand-alone Dedicated Control Channel) - индивидуальный канал управления, состоит из четырех подканалов;
SDCCH/8 (Stand-alone Dedicated Control Channel) - индивидуальный канал управления, состоит из восьми подканалов.

Эти каналы предназначены для установки требуемого пользователем вида обслуживания. По ним обеспечивается запрос подвижной станции о требуемом виде обслуживания, контроль правильного ответа базовой станции и выделение свободного канала связи, если это возможно.

Совмещенные каналы управления также используются в двух направлениях между базовой и подвижной станциями. В прямом направлении они передают команду управления с базовой станции, а в обратном - информацию о статусе подвижной станции. Различают два вида АССН:

FACCH (Fast Associated Control Channel) - быстрый совмещенный канал управления, служит для передачи команд при переходе подвижной станции из соты в соту, т.е. при "эстафетной передаче" (handover, handoff) подвижной станции;
SACCH (Slow Associated Control Channel) - медленный совмещенный канал управления, в прямом направлении передает команды для установки выходного уровня мощности передатчика подвижной станции. В обратном направлении подвижная станция посылает данные, касающиеся уровня установленной выходной мощности, измеренного приемником уровня радиосигнала и его качества.

В совмещенном канале управления всегда содержится один из двух каналов: канал связи или индивидуальный канал управления.

Совмещенные каналы управления всегда объединяются вместе с каналами связи или с индивидуальными каналами управления. При этом различают шесть видов объединенных каналов управления:

FACCH/F, объединенный с TCH/F;
FACCH/H, объединенный с ТСН/Н;
SACCH/TF, объединенный с TCH/F;
SACCH/TH, объединенный с ТСН/Н;
SACCH/C4, объединенный с SDCCH/4;
SACCH/C8, объединенный с SDCCH/8.

Организация физических каналов
Как правило, логические каналы объединяются в группы, которые передаются мультикадрами TDMA. Например на основной (нулевой) частоте в соте (BCCH несущей) в нулевом таймслоте передается группа FCCH+SCH+BCCH+CCCH (в направлении downlink). Эту группу еще называют объединенный BCCH/CCCH канал. Этот канал предназначен для всех мобильных станций, обслуживаемых сотой. Таким образом телефон всегда «знает», откуда ему взять системную информацию о соте, чтобы получить доступ в сеть.

Как видно из рисунка, мультикадр разбит на 5 групп по 10 кадров в каждой, последний кадр остается пустым. Мобильная станция определяет частоту BCCH несущей путем поиска Frequency correction Burst, который передается по каналу FCCH. Затем по каналу SCH она принимает и декодирует номер текущего кадра и идентификатор BSIC, что необходимо для корректной синхронизации с BTS. Каналы FCCH и SCH занимают 2 первых кадра в каждой группе. Остальные 8 кадров образуют 2 блока по четыре кадра. Первый блок первой группы предназначен для канала BCCH. Благодаря нему MS определяет возможность доступа к данной соте и декодирует системную информацию соты. Остальные 9 блоков (блоки передачи сигналов вызова) применяются для передачи каналов PCH и AGCH, входящих в состав общего канала управления CCCH.

Модуляция радиосигнала
Модуля́ция (лат. modulatio — размерность) — процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания по закону низкочастотного информационного сигнала.

Передаваемая информация заложена в управляющем сигнале, а роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим.
Модуляция может осуществляться изменением амплитуды, фазы или частоты высокочастотной несущей.
Эта техника дает несколько важных преимуществ:
Позволяет сформировать радиосигнал, который будет обладать свойствами соответствующими свойствам несущей частоты. О свойствах волн разных частотных диапазонов можно почитать, например, тут.
Позволяет использовать антенны малого размера, ведь размер антенны должен быть пропорционален длине волны.
Позволяет избежать интерференции с другими радиосигналами.

Передаваемый в сетях WiMax поток данных соответствует частоте в районе 11 кГц. Если мы попробуем передавать этот низкочастотный сигнал по воздуху, нам понадобится антенна следующих размеров:

Антенна длинной 24 километра не кажется достаточно удобной в использовании.
Если же мы будем передавать этот сигнал наложенным на несущую частоту в 2.5 ГГц (частота используемая в Yota WiMax), то нам понадобится антенна длиной 12 см.