Глава 2. ОРГАНИЗАЦИЯ ФИЗИЧЕСКИХ И ЛОГИЧЕСКИХ КАНАЛОВ В СТАНДАРТЕ GSM

2.1. Частотный план стандарта GSM

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") [2.1].

Сети GSM функционируют параллельно с существующими европейскими национальными сетями аналоговых ССПС стандартов NMT-900, TAGS, ETACS. Частотные планы ССПС, включая стандарт GSM, показаны на рис. 2.1.

Каждая из полос, выделенных для сетей GSM, разделяется на частотные каналы. Разнос каналов составляет 200 кГц, что позволяет организовать в сетях GSM 124 частотных канала. Частоты, выделенные для передачи сообщений подвижной станцией 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.

Если обозначить FI (п) - номер несущей частоты в полосе 890-915 МГц, Fu (п) - номер несущей частоты в полосе 935-960 МГц, то частоты каналов определяются по следующим формулам:

FI (п) = 890,2 + 0,2 (п-1), МГц: Fu (п) = FI (п) + 45, МГц; 1 < п < 124.

В таблице 2.1 приведены номиналы частот каналов для приема (RX) и передачи (ТХ) базовыми станциями и соответствующие им номера каналов.

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.

2.2. 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 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).

Таблица 2.1

Channel


RX Frequency	TX Frequency	Channel		RX Frequency	TX Frequency
Decimal Hexadecimal		MHz	MHz	Decimal	Hexadecimal	MHz	MHz
1	01	890.20	935.20	63	3F	902.60	947.60
2	02	890.40	935.40	64	40	902.80	947.80
3	03	890.60	935.60	65	41	903.00	948.00
4	04	890.80	935.80	66	42	903.20	948.20
5	05	891.00	936.00	67	43	903.40	948.40
6	06	891.20	936.20	68	44	903.60	948.60
7	07	891.40	936.40	69	45	903.80	948.80
8	08	891.60	936.60	70	46	904,00	949.00
9	09	891.80	936.80	71	47	904.20	949.20
10	OA	892.00	937.00	72	48	904.40	949.40
11	0В	892.20	937.20	73	49	904.60	949.60
12	ОС	892.40	937.40	74	4A	904.80	949.80
13	OD	892.60	937.60	75	4В	905.00	950.00
14	OE	892.80	937.80	76	4C	905.20	950.20
15	OF	893.00	938.00	77	4D	905.40	950.40
16	10	893.20	938.20	78	4E	905.60	950.60
17	11	893.40	938.40	79	4F	905.80	950.80
18	12	893.60	938.60	80	50	906.00	951.00
19	13	893.80	938.80	81	51	906.20	951.20
20	14	894.00	939.00	82	52	906.40	951.40
21	15	894.20	939.20	83	53	906.60	951.60
22	16	894.40	939.40	84	54	906.80	951.80
23	17	894.60	939.60	85	55	907.00	952.00
24	18	894.80	939.80	86	56	907.20	952.20
25	19	895.00	940.00	87	57	907.40	952.40
26	1A	895.20	940.20	88	58	907.60	952.60
27	1В	895.40	940.40	89	59	907.80	952.80
28	1C	895.60	940.60	90	5A	908.00	953.00
29	ID	895.80	940.80	91	5В	908.20	953.20
30	IE	896.00	941.00	92	5C	908.40	953.40
31 .	IF	896.20	941.20	93	5D	908.60	953.60
32	20	896.40	941.40	94	5E	908.80	953.80
33	21	896.60	941.60	95	5F	909.00	954.00
34	22	896.80	941.80	96	60	909.20	954.20
35	23	897.00	942.00	97	61	909.40	954.40
36	24	897.20	942.20	98	62	909.60	954.60
37	25	897.40	942.40	99	63	909.80	954.80
38	26	897.60	942.60	100	64	910.00	955.00
39	27	897.80	942.80	101	65	910.20	955.20
40	28	898.00	943.00	102	66	910.40	955.40
41	29	898.20	943.20	103	67	910.60	955.60
42	2A	898.40	943.40	104	68	910.80	955.80
43	2В	898.60	943.60	105	69	911.00	956.00
44	2C	898.80	943.80	106	6A	911.20	956.20
45	2D	899.00	944.00	107	6В	911.40	956.40
46	2E	899.20	944.20	108	6C	911.60	956.60
47	2F	899.40	944.40	109	6D	911.80	956.80
48	30	899.60	944.60	110	6E	912.00	957.00
49	31	899.80	944.80	111	6F	912.20	957.20
50	32	900.00	945.00	112	70	912.40	957.40
51	33	900.20	945.20	113	71	912.60	957.60
52	34	900.40	945.40	114	72	912.80	957.80
53	35	900.60	945.60	115	73	913.00	958.00
54	36	900.80	945.80	116	74	913,20	958.20
55	37	901.00	946.00	117	75	913.40	958.40
56	38	901.20	946.20	118	76	913.60	958.60
57	39	901.40	946.40	119	77	913.80	958.80
58	ЗА	901.60	946.60	120	78	914.00	959.00
59	3В	901.80	946.80	121	79	914.20	959.20
60	ЗС	902.00	947.00	122	7A	914.40	959.40
61	3D	902.20	947.20	123	7В	914.60	959.60
62	ЗЕ	902.40	947.40	124	7C	914.80	959.80

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). Передача речи в канале с половинной скоростью TCH/HS еще не используется. Этот канал рассматривается как перспективный при дальнейшем развитии GSM, его применение позволит практически удвоить емкость трафика. Внедрение низкоскоростного речевого кодека стандарта GSM ожидается к 1997 году.

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

2.3. 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 ( Stand-alone 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 подвижной 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. По направлению "вниз" они передают команду управления с базовой станции, а по направлению "вверх" - 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" подвижной станции;

SACCH (Slow Assocaited Control Channel) - медленный совмещенный канал управления, по направлению "вниз" передает команды для установки выходного уровня мощности передатчика подвижной станции. По направлению "вверх" 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. Состав и назначение логических каналов показаны на рис. 2.2.

2.4. Организация физических каналов

Для передачи каналов связи ТСН и совмещенных каналов управления FACCH и SACCH используется 26-кадровый мультикадр. Объединение каналов связи с полной и половинной скоростью с медленным совмещенным каналов управления SACCH показано на рис. 2.3. В полноскоростном канале связи в каждом 13-м TDMA кадре мультикадра передается пакет информации канала SACCH; каждый 26-й TDMA кадр мультикадра свободен. В полускоростном канале связи пакет информации канала SACCH передается в каждом 13-м и 26-м TDMA кадрах мультикадра.

Для одного физического канала в каждом TDMA кадре используется 114 бит. Так как в муль-тикадре для передачи канала связи ТСН используется 24 TDMA кадра из 26 и длительность мультикадра составляет 120 мс, общая скорость передачи информационных сообщений по ТСН каналу составляет 22,8 кбит/с. Канал SACCH занимает в полноскоростном канале связи только один TDMA кадр, то есть 114 бит, когда скорость передачи по SACCH каналу составит 950 бит/с. Полная скорость передачи в объединенном TCH/SACCH канале с учетом пустого (свободного) 26-го TDMA кадра составит 22,8 + 0,950 +0,950 - 24,7 кбит/с.

Как показано на рис. 2.3 б), за время 26-кадрового мультикадра (в одном физическом канале) может передаваться два полускоростных ТСН канала, каждый по 12 TDMA кадров (Т и t). Пустой 26-й TDMA кадр в полноскоростном канале ТСН отводится для канала SACCH во втором полускоростном канале ТСН. Для каждого полускоростного канала ТСН скорость передачи составляет 11,4 кбит/с; полная скорость передачи в объединенном полускоростном канале TCH/SACCH остается прежней - 24,7 кбит/с.

Быстрый совмещенный канал управления FACCH передается половиной информационных бит временного интервала TDMA кадра в канале ТСН, с которым он совмещается в восьми последовательных Т или t кадрах.

Для передачи каналов управления (за исключением FACCH и SACCH) используется 51-кадровый мультикадр. Организация каналов управления в 51-кадровом мультикадре иллюстрируется рис. 2.4.

Объединение ВССН/СССН каналов

В отличие от структуры объединенного канала TCH/SACCH, где физический канал выделяется для одного или двух абонентов, объединенный канал ВССН/СССН предназначен для всех подвижных станций, которые в одно и то же время находятся в одной соте. Более того, все подканалы, передаваемые в этой структуре, являются симплексными.

В канале передачи сигналов управления (ВССН, "сеть - подвижная станция") передается общая информация о сети (соте), в которой подвижная станция находится в данный момент, и о смежных сотах.

В канале синхронизации (SCH, "сеть - подвижная станция") передается информация о временной (цикловой) синхронизации и опознавании приемопередатчика базовой станции.

В канале подстройки частоты (FCCH, "сеть - подвижная станция") передается информация для синхронизации несущей.

Канал параллельного доступа (RACH, "подвижная станция - сеть") используется подвижной станцией в режиме пакетной передачи ALOHA для доступа к сети в случае, если надо пройти регистрацию при включении или сделать вызов.

Канал разрешенного доступа (AGCH, "сеть - подвижная станция") используется для занятия специальных видов обслуживания (SDCCH или ТСН) подвижной станцией, которая ранее запрашивала их через канал RACH.

Канал вызова (РСН, "сеть - подвижная станция") используется для вызова подвижной станции в случае, когда инициатором вызова является сеть (абонент сети).

На рис. 2.4 а, б показано отображение рассматриваемых каналов на одном физическом канале в структуре 51-кадрового мультикадра.

Линия "вверх" ВССН/СССН каналов используется только для передачи канала параллельного доступа RACH, который является единственным каналом управления от подвижной станции к сети. Подвижная станция может использовать нулевой временной интервал в любом из кадров для осуществления доступа к сети.

На линии "вниз" 51 кадр группируется в 5 групп по 10 кадров, при этом один кадр остается свободным, каждая из этих групп начинается с канала FCCH, за которым следует канал SCH. Остальные 8 кадров в каждой группе образуют два блока из четырех кадров. Первый блок первой группы предназначен для канала ССН, тогда как другие 9 блоков (они называются блоками передачи сигнала вызова) используются для передачи каналов РСН и AGCH общего канала управления СССН. Таким образом, в рассматриваемом случае: 4 кадра используются для канала ВССН, 5 - для FCCH, 5 - для SCH и 36 либо для AGCH, либо для РСН (9 блоков вызова).

Каждая подвижная станция может занимать один из девяти блоков вызова, но каждый вызывной блок может использоваться для вызова более одной станции.

Полная скорость передачи для канала ВССН, а также для канала AGCH/PCH составляет 1,94 кбит/с (4х114 бит за 235 мс).

Существуют и другие переменные структуры, которые могут использоваться в 51-кадровом мультикадре. "Переменными" их называют потому, что их структура изменяется в зависимости от нагрузки в соте. В одном случае может рассматриваться индивидуальный канал управления 8SDCCH/8 в одном физическом канале (рис. 2.4 в, г). Однако, если нагрузка в соте мала, структу-

py BCCH/CCCH можно объединить с индиаидуальным каналом управления SDCCH/4 (рис. 2.4 д, е) в одном физическом канале. Если сота испытывает большую нагрузку, одного физического канала может быть недостаточно для всего трафика BCCH/CCCH. В этом случае временные интервалы 2, 4 и 6 б структуре ВССН также используют для этой цели, однако в этом случае передаются пустые интервалы вместо SCH и FCCH.

Отображение логических каналов на физические каналы осуществляется через процессы кодирования и шифрования передаваемых сообщений.

Для защиты логических каналов от ошибок, которые имеют место в процессе передачи, используют 1ри вида кодирования: блочное - для быстрого обнаружения ошибок при приеме; свер-точное - для исправления одиночных ошибок; перемежение - для преобразования пакетов ошибок в одиночные.

Для защиты каналов от подслушивания в каналах связи и управления применяется шифрование.

Дня передачи сообщений по физическим каналам используется гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK).

2.5. Модуляция радиосигнала

В стандарте GSM применяется спектрально-эффективная гауссовская частотная манипуляция п минимальным частотным сдвигом (GMSK). Манипуляция называется "гауссовской" потому, что последовательность информационных бит до модулятора проходит через фильтр нижних частот (ФНЧ) с характеристикой Гаусса, что дает значительное уменьшение полосы частот излучаемого радиосигнала [2.2, 2.3]. формирование GMSK радиосигнала осуществляется таким образом, что на интервале одного информационного бита фаза несущей изменяется на 90°. Это наименьшее возможное изменение фазы, распознаваемое при данном типе модуляции. Непрерывное измене ние фазы синусоидального сигнала дает в результате частотную модуляцию с дискпстн^м и^меч^ нием частоты. Применение фильтра Гаусса позволяет при дискрегном изменении частоты получить "гладкие переходы". В стандарте GSM применяется GMSK-модуляция с величиной нормированной полосы ВТ = 0,3, где В - ширина полосы фильтра по уровню минус 3 дБ, Т - длительность одного бита цифрового сообщения.

Литература к Главе 2

2.1 Ю.А. Громаков. Организация физических и логических каналов в стандарте GSM. "Электросвязь". N 10, 1993. с. 9-12.

2.2 М. Mouly, М.В. Pautet. The GSM System for Mobile Communications. 1992. p.p. 702. 2.3 A. Mehrotra. Cellular Radio Performance Engineering. Artech House. 1994. p.p. 536.